Test First?

Als ich vor über 10 Jahren begonnen habe testgetrieben zu programmieren, waren mir sehr viele verschiedene Konzepte theoretisch bekannt. Aber diese Sichtweise erst Testfälle zu schrieben und dann die Implementierung umzusetzen war irgendwie nicht der Weg mit dem ich gut zurecht gekommen bin. Wenn ich ehrlich bin ist das bis heute der Fall. So das ich eine für mich funktionierende Adaption des TDD Paradigma von Kent Beck gefunden habe. Aber langsam der Reihe nach. Vielleicht ist mein Ansatz ja für den einen oder anderen ebenfalls recht hilfreich.

Ich komme ursprünglich aus einem Umfeld für hoch skalierbarer Webanwendungen auf die sich all die tollen Theorien aus dem universitären Umfeld in der Praxis nicht ohne weiteres umsetzen lassen. Der Grund liegt vor allem in der hohen Komplexität solcher Anwendungen. Zum einen sind verschiedene Zusatzsysteme wie In Memory Cache, Datenbank und Identität und Zugriffs Management (IAM) ein Teil des Gesamtsystems. Zum Anderen verstecken viele moderne Frameworks wie OR Mapper Komplexität hinter verschiedene Zugriffsschichten. All diese Dinge müssen wir als Entwickler heutzutage beherrschen. Deshalb gibt es robuste, praxiserprobte Lösungen die gut bekannt sind aber wenig Verwendung finden. Kent Beck mit ist eine der wichtigsten Stimmen für den praktischen Einsatz automatisierter Softwaretest.

Wenn wir uns auf das Konzept TDD einlassen wollen ist es wichtig nicht jedes Wort zu sehr auf die Goldwaage zu legen. Es ist nicht alles in Stein gemeißelt. Wichtig ist das Ergebnis am Ende des Tages. Aus diesem Grund ist es unabdinglich sich die Zielvorgabe aller Bemühungen vor Augen zu führen um dann einen persönlichen Mehrwert zu erzielen. Also schauen wir uns zu erst einmal an was wir überhaupt bezwecken wollen.

Der Erfolg gibt uns Recht

Als ich meine ersten Gehversuche als Entwickler unternommen hatte benötigte ich stetiges Feedback ob das was ich da gerade zusammen bauen auch wirklich funktioniert. Diese Feedback habe ich meist dadurch erzeugt, in dem ich meine Implementierung einerseits mit unzähligen Konsolenausgaben gespickt habe und andererseits habe ich immer versucht alles in eine Benutzeroberfläche einzubinden um mich dann ‚manuell durchzuklicken‘. Im Grunde ein sehr umständliches Test Setup, das dann auch am Schuß wieder zu entfernen ist. Wenn dann noch spätere Bugfixes vorgenommen werden mussten ging das ganze Prozedere wieder von Neuem los. Alles irgendwie unbefriedigend und weit entfernt von einer produktiven Arbeitsweise. Irgendwie musste das verbessert werden ohne das man sich jedes Mal neu erfindet.

Schließlich hat mein ursprünglicher Ansatz genau zwei markante Schwachstellen. Die offensichtlichste ist das ein und auskommentieren von Debug Informationen über die Konsole.

Viel schwerwiegender ist aber der zweite Punkt. Denn all das erworbene Wissen zu dieser speziellen Implementierung ist nicht konserviert. Es droht also über die Zeit zu verblassen und schlußendlich auch verloren zu gehen. Ein solches Spezialwissen ist für viele nachfolgende Prozessschritte in der Softwareentwicklung aber äußerst wertvoll. Damit meine ich explizit das Thema Qualität. Refactoring, Code Reviews, BugFixes und Change Requests sind nur einige der möglichen Beispiele wo tiefgreifendes Detailwissen gefragt ist.

Für mich persönlich kommt auch hinzu, das mich monoton wiederholbare Arbeiten schnell ermüden und ich diese dann sehr gern vermeiden möchte. Sich immer wieder aufs neue mit der selben Testprozedur durch eine Anwendung zu klicken ist weit davon entfernt was für mich einen erfüllten Arbeitstag ausmacht. Ich möchte neue Dinge entdecken. Das kann ich aber nur wenn ich nicht in der Vergangenheit gefangen gehalten werde.

Konferenzvortrag

Die trauen sich aber was

Bevor ich aber darauf eingehe wie ich meinen Entwicklungsalltag durch TDD aufgepeppt habe muss ich noch ein paar Worte über Verantwortung und Mut loswerden. Immer wieder wird mir in Gesprächen erklärt das ich ja recht habe aber man können das alles ja nicht selber umsetzen, weil der Projektleiter oder irgend ein anderer Vorgesetzter kein grünes Licht gibt.

Eine solche Einstellung ist in meinen Augen äußerst unprofessionell. Ich frage doch auch nicht den Marketingleiter welcher Algorithmus am besten terminiert. Er hat schlichtweg keine Ahnung, denn es ist auch nicht sein Aufgabengebiet. Ein Projektleiter der sich gegen das testgetriebene Arbeiten im Entwicklungsteam ausspricht hat aber auch seinen Beruf verfehlt. In der heutigen Zeit sind Testframeworks so gut in die Build Umgebung integriert, das die Vorbereitung für TDD sich selbst für unerfahrene Personen in wenigen Augenblicken umsetzen lässt. Es ist also nicht notwendig das Vorhaben an die große Glocke zu hängen. Denn ich kann versprechen das selbst bei den ersten Gehversuchen nicht mehr Zeit benötigt wird als mit der ursprünglichen Vorgehensweise. Ganz im Gegenteil sehr schnell wird sich eine merkliche Erhöhung der Produktivität einstellen.

Die erste Stufe der Evolution

Wie bereits erwähnt ist Logging für mich ein zentrale Teil der testgetriebene Entwicklung. Wann immer es sinnvoll erscheint versuche ich den Zustand von Objekten oder Variablen auf der Konsole auszugeben. Wenn wir hierfür die aus der verwendeten Programmiersprache zur Verfügung gestellten Mittel nutzen, bedeute dies das wir diese Systemausgaben nach getaner Arbeit mindestens auskommentieren müssen und bei späterer Fehlersuche wieder einkommentieren. Ein redundantes und fehleranfälliges Vorgehen.

Nutzen wir hingegen von beginn an ein Logging Framework so können wir die Debug Informationen getrost im Code stehen lassen und deaktivieren diese später im Produktivbetrieb über den eingestellten Log Level.

Ich nutze Logging aber auch als Tracer. Das heißt jeder Konstruktor einer Klasse schreibt während er aufgerufen wird einen entsprechenden Log Eintrag im Log Level Info. Damit kann man sehen in welcher Reihenfolge Objekte instanziiert werden. Hin und wieder bin ich so auch auf die übermäßig oft vorkommende Instanziierung eines einzelnen Objektes aufmerksam geworden. Dies ist hilfreich für Maßnahmen zur Performance und Speicheroptimierung.

Fehler die bei der Ausnahmebehandlung geworfen werden logge ich je nach Kontext als Error oder Warning. Das ist später im Betrieb ein sehr hilfreiches Mittel um Fehlern auf die Spur zu kommen.

Wenn ich also eine Datenbankzugriff habe, schreibe ich also eine Logausgabe im Log Level Debug wie das zugehörige SQL zusammen gebaut wurde. Führt dieses SQL zu einer Exception, weil ein Fehler enthalten ist so wird diese Exception mit dem Log Level Error geschrieben. Findet wiederum eine einfache Suchanfrage mit korrekter SQL Syntax statt und die Ergebnismenge ist leer wird dieses Ereignis je nach Bedarf entweder als Debug oder Warning klassifiziert. Handelt es sich beispielsweise um eine Loginanfrage mit falschem Benutzernamen oder Passwort neige ich dazu mich für den Log Level Warning zu entscheiden, da dies im Betrieb eventuell sicherheitstechnische Aspekte enthält.

Im gesamten Kontext konfiguriere ich das Logging für die Testfallausführung eher sehr geschwätzig und beschränke mich auf eine reine Konsolenausgabe. Im Betrieb wiederum werden die Logging Informationen in eine Logfile geschrieben.

Die Henne oder das Ei

Wenn wir mit dem Logging die Voraussetzung für eine zusätzliche Feedbackschleife gelegt haben stellt sich im nächsten Schritt die Frage wie geht es weiter. Wie bereits erwähnt tue ich mich sehr schwer erst einen Testfall zu schreiben um dann eine entsprechende Implementierung dafür zu finden. Vor diesem Problem stehen auch viele andere Entwickler die mit TDD beginnen.

Eine Sache die ich bereits voraus nehmen kann ist das Problem, das man bei einer Implementierung darauf achten muss diese auch testbar zu halten. Habe ich erst den Testfall so merke ich umgehend ob das was ich gerade erstelle auch wirklich testbar ist. Erfahrene TDD Entwickler haben recht schnell in Fleisch und Blut übernommen wie testbarer Code auszusehen hat. Der wichtigste Punkt hierbei ist das Methoden stets einen Rückgabewert haben sollten, der möglichst nicht null ist. So etwas erreicht man beispielsweise wenn man anstatt null eine leere Liste zurück gibt.

Die Vorgabe einen Rückgabewert zu haben liegt an der Art und Weise wie Unit Test Frameworks arbeiten. Ein Testfall vergleicht den Rückgabewert einer Methode mit einem Erwartungswert. Die Testzusicherung (engl. Assertation) kennt verschiedene Ausprägungen und kann entsprechend: gleich, ungleich, wahr oder falsch sein. Natürlich gibt es hier auch verschieden Variationen. So kann es unter Verwendung von Exceptions möglich sein Methoden die keinen Rückgabewert haben zu testen. Alle diese Details erschließen sich bei der Anwendung in sehr kurzer Zeit. So das jeder ohne langwierige Vorbereitungen umgehend loslegen kann.

Bei der Lektüre des Buches Test Driven Development by Example von Kent Beck finden wir auch schnell eine Erklärung warum die Testfälle zu erst geschrieben werden sollten. Es handelt sich um einen psychologischen Faktor. Es soll uns dabei helfen den üblichen Stress der im Projekt entsteht besser zu bewältigen. Es erzeugt in uns einen mentalen Zustand über den Zustand und Fortschritt der aktuellen Arbeit. Es leitet uns in eine iterativen Prozess die vorhandene Lösung schrittweise über die verschiedenen Testfälle weiter auszubauen und zu verbessern.

Für alle die wie ich aber zu beginn einer Implementierung noch keine konkrete Vorstellung über das fertige Ergebnis haben ist dieser Ansatz schwer umzusetzen. Der bezweckte Effekt der Entspannung kehrt sich ins negative um. Da wir Menschen alle unterschiedlich sind müssen wir also herausfinden wie wir ticken um das bestmögliche Ergebnis zu erzielen. Ganz so wie es mit Lernstrategien ist. Manche Menschen verarbeiten Informationen besser visuell andere eher haptisch und wieder andere extrahieren alles wichtige aus gesprochenem. Versuchen wir uns also nicht wider unserer Natur zu verbiegen um mittelmäßige oder schlechte Ergebnis zu produzieren.

Den ersten Strich zeichnen

Mir erschließt sich ein Thema eben erst während ich damit arbeite. Also Versuche ich mich solange an einer Implementierung bis ich ein erstes Feedback benötige. Genau dann schreibe ich den ersten Test. Es ergebenen sich bei diesem Vorgehen automatisch Fragen bei der jede einzelne einen eigenen Testfall wert ist. Finde ich alle vorhanden Ergebnisse? Was passiert wenn die Ergebnismenge leer ist. Wie lässt sich die Ergebnismenge eingrenzen? Alles Punkte die sich auf einem Zettel notieren und Schritt für Schritt abhaken lassen. Die Idee eine Aufgabenliste auf einem Zettel zu notieren hatte ich schon sehr lange bevor ich das bereits erwähnte Buch von Kent Beck gelesen habe. Es hilft mir schnelle Gedanke zu konservieren ohne mich von meinem aktuellen Tun ablenken zu lassen. Außerdem vermittelt es am Ende des Tages ein Gefühl etwas geschafft zu haben.

Da ich nicht warte bis ich alles Umgesetzt habe, um den ersten Test zu schreiben ergibt sich auch bei diesem Vorgehen ein iterativer Ansatz. Ich merke auch sehr schnell wenn mein Entwurf nur unzureichend testbar ist, da ich sofort eine Rückmeldung erhalte. Daraus ergibt sich meine eigene Interpretation für TDD die sich durch den permanenten Wechsel zwischen Implementieren und Test schreiben auszeichnet.

Als Ergebnis meiner frühen TDD Versuche habe ich bereits in der ersten Woche eine Beschleunigung meiner Arbeitsweise bemerkt. Ich bin auch sicherer geworden. Aber auch die Art und Weise wie ich Programmiere hat sich schon sehr zeitig zu verändern begonnen. Mir ist aufgefallen das mein Code kompakter und robuster geworden ist. Dinge die sich erst mit der Zeit aufgezeigt hatten ergaben sich bei Tätigkeiten wie Refactoring und Erweiterungen. Fehlgeschlagene Testfälle haben mich vor bösen Überraschungen bewahrt.

Ohne Übereifer beginnen

Wenn wir uns in einem bestehenden Projekt dazu entschließen TDD einzusetzen ist es eine schlechte Idee loszulegen und für bestehende Funktionalität Testfälle zu schreiben. Abgesehen von der Zeit die hierfür eingeplant werden muss wird das Ergebnis die hohen Erwartungen nicht erfüllen.

Eines der Probleme ist das man sich nun in jede Funktionalität neu einarbeiten muss und das ist sehr Zeitaufwendig. Die Qualität der so entstandene Testfälle ist auch unzureichend. Das Problem ergibt sich auch aus der Erfahrung. Wird die Erfahrung erst aufgebaut so ist die Qualität der Testfälle auch noch nicht ganz optimal und möglicherweise muss auch Code umgeschrieben werden, damit dieser Testbar wird. Es entstehen also eine Menge Risiken die für das tägliche Projektgeschäft problematisch sind.

Ein bewährtes Vorgehen TDD einzuführen ist es einfach für die aktuelle Implementierung an der man gerade arbeitet einzusetzen. Es wird also der ist Zustand des aktuellen Problems durch automatisierte Tests dokumentiert. Da man sich bereits auf vertrautem Terrain befindet muss man sich nicht erst in eine neue Thematik einarbeiten, so das man sich voll auf das formulieren von aussagekräftigen Tests konzentrieren kann. Abgesehen davon, das man ungefragt Verantwortung über fremde Arbeiten übernimmt wenn man für diese Testfälle umgesetzt.

Bestehende Funktionalität wird nur bei Fehlerkorrekturen entsprechend um Testfälle ergänzt. Für die Korrektur muss man sich eh mit den Implementierungsdetails auseinander setzen, so das hier genügend Wissen vorhanden ist wie eine Funktionalität sich verhalten sollte. Die so entstandene Tests dokumentieren zusätzlich auch die Korrektur und stellen für die Zukunft sicher das sich das Verhalten bei Optimierungsarbeiten nicht verändert.

Folgt man dieser Vorgehensweise diszipliniert verliert man sich nicht in sogenannter hektischer Betriebsamkeit, die wiederum das Gegenteil von Produktivität ist. Zudem erwirbt man so recht schnell fundiertes Wissen wie effektive und aussagekräftige Tests umgesetzt werden können. Erst wenn ausreichend Erfahrung gesammelt wurde und möglicherweise umfangreiche Refactorings geplant werden, dann kann man überlegen wie für das gesamte Projekt die Testabdeckung schrittweise verbessert werden kann.

Qualitätsstufe

Nur weil Testfälle vorhanden sind bedeutet dies nicht das diese auch eine Aussagekraft haben. Genausowenig beweist eine hohe Testabdeckung das ein Programm fehlerfrei ist. Eine hohe Testabdeckung stellt nur sicher das sich ein Programm im Rahmen der Tests verhält.

Wir kann man also sicherstellen das die vorhandene Tests auch wirklich eine Bereicherung sind und eine gute Aussagekraft haben? Der erste und meines Erachtens wichtigste Punkt ist Testfälle möglichst kurz zu halten. Das heißt im Konkreten, das ein Test nur eine explizite Fragestellung beantwortet, z. B. Was passiert wenn die Ergebnismenge leer ist? Entsprechend der Fragestellung ergibt sich dann auch die Benennung der Testmethode. Den Mehrwert dieser Vorgehensweise ergibt sich in dem Moment wenn der Testfall fehlschlägt. Ist der Test sehr kurzgefasst lässt sich oft schon an der Testmethode ablesen worin das Problem besteht, ohne sich erst langwierig in einen Testfall einzuarbeiten zu müssen.

Ein anderer wichtiger Punkt im TDD Vorgehen ist für meine umgesetzte Funktionalität sowohl die Testabdeckung für Codezeilen als auch für Verzweigungen zu überprüfen. Kann ich zum Beispiel in einer IF-Abfrage das Eintreten einer einzelnen Bedingung nicht simulieren, so kann diese Bedingung bedenkenlos gestrichen werden.

Natürlich hat man im eigenen Projekt auch genügend Abhängigkeiten zu fremden Bibliotheken. Nun kann es vorkommen das eine Methode aus dieser Bibliothek eine Ausnahme wirft, die durch keinen Testfall simuliert werden kann. Das ist genau der Grund wieso man zwar eine hohe Testabdeckung anstreben sollte aber nicht verzweifeln muss wenn 100% nicht erreicht werden können. Gerade bei der Einführung von TDD ist ein gutes Maß für die Testabdeckung größer als 85% üblich. Mit wachsender Erfahrung des Entwicklungsteams kann dieser Wert bis zu 95% angehoben werden.

Abschließend ist aber noch anzumerken, das man sich nicht zu sehr in den Eifer begibt. Denn es kann auch schnell übertrieben werden und dann sind die ganzen gewonnene Vorteile schnell wieder dahin. Und zwar geht es um den Punkt das man keine Tests schreibt die wiederum Tests testen. Hier beißt sich die Katze in den Schwanz. Das gilt auch für Bibliotheken von Fremdanbietern. Für diese werden ebenfalls keine Test geschrieben. Kent Beck äußert sich hierzu sehr klar: Selbst wenn es gute Gründe gibt dem Code anderer zu misstrauen, teste ihn nicht. Externer Code erfordert mehr eigene Implementierungslogik.

Lessons Learned

Gerade die Erkenntnisse die sich bei dem Versuch eine möglichst hohe Testabdeckung zu erzielen sind die, welche sich beim künftigen Programmieren auswirken. Der Code wird kompakter und robuster.

Die Produktivität steigt einfach durch die Tatsache, das fehleranfällige und monotone Arbeiten durch Automatisierung vermieden werden. Es entstehen keine zusätzlichen Arbeitsschritte denn alte Gewohnheiten werden durch neue, bessere ersetzt.

Ein Effekt den ich immer wieder beobachten konnten, wenn sich einzelne Personen aus dem Team für TDD entschieden haben, wurden deren Erfolge schnell beachtet. Innerhalb weniger Wochen hat dann das gesamte Team TDD entwickelt. Jeder einzelne nach seinen eigene Fähigkeiten. Manche mit Test First andere wiederum so wie ich es gerade beschrieben habe. Zum Schluß zählt das Ergebnis und das war einheitlich hervorragend. Wenn die Arbeit leichter fällt und am Ende des Tages jeder einzelne auch noch das Gefühl hat auch etwas geleistet zu haben bewirkt dies im Team einen enormen Motivationsschub, der dem Projekt und dem Arbeitsklima eine gewaltigen Auftrieb verschafft. Also worauf warten Śie noch? Probieren Sie es am besten gleich selber aus.

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