JavaScriptのテスト戦略：プロパティベーステストの実装

テストはソフトウェア開発に不可欠な部分であり、アプリケーションの信頼性と堅牢性を保証します。単体テストが特定の入力と期待される出力に焦点を当てるのに対し、プロパティベーステスト（PBT）は、自動生成された広範な入力に対してコードが事前定義されたプロパティを遵守することを検証することで、より包括的なアプローチを提供します。このブログ記事では、JavaScriptにおけるプロパティベーステストの世界を掘り下げ、その利点、実装技術、そして人気のあるライブラリについて探求します。

プロパティベーステストとは何か？

プロパティベーステスト（生成的テストとも呼ばれる）は、個々の例をテストすることから、ある範囲の入力に対して真であるべきプロパティを検証することへと焦点を移します。特定の入力に対する特定の出力をアサートするテストを書く代わりに、コードの期待される振る舞いを記述するプロパティを定義します。PBTフレームワークはその後、多数のランダムな入力を生成し、それらすべてに対してプロパティが真であるかを確認します。プロパティが破られた場合、フレームワークはデバッグを容易にするために、最も小さい失敗例を見つけようと入力を縮小（shrink）します。

ソート関数をテストしていると想像してみてください。いくつかの手作業で選んだ配列でテストする代わりに、「ソート後の配列の長さは元の配列の長さと等しい」や「ソート後の配列のすべての要素は前の要素以上である」といったプロパティを定義できます。PBTフレームワークは、さまざまなサイズや内容の多数の配列を生成し、ソート関数が広範なシナリオでこれらのプロパティを満たすことを保証します。

プロパティベーステストの利点

• テストカバレッジの向上： PBTは従来の単体テストよりもはるかに広範な入力を探索し、手動では考慮しなかったかもしれないエッジケースや予期せぬシナリオを発見します。
• コード品質の向上： プロパティを定義することは、コードの意図された振る舞いについてより深く考えることを強制し、問題領域へのより良い理解とより堅牢な実装につながります。
• メンテナンスコストの削減： プロパティベーステストは、具体例ベースのテストよりもコードの変更に対して回復力があります。コードをリファクタリングしても同じプロパティを維持すれば、PBTテストは引き続きパスし、変更がリグレッションを引き起こしていないという自信を与えてくれます。
• デバッグの容易さ： プロパティが失敗した場合、PBTフレームワークは最小の失敗例を提供するため、バグの根本原因を特定するのが容易になります。
• より良いドキュメント： プロパティは実行可能なドキュメントとして機能し、コードの期待される振る舞いを明確に概説します。

JavaScriptでのプロパティベーステストの実装

いくつかのJavaScriptライブラリがプロパティベーステストを容易にします。人気のある選択肢としてjsverifyとfast-checkがあります。それぞれの使い方を実践的な例で見ていきましょう。

jsverifyの使用

jsverifyは、JavaScriptにおけるプロパティベーステストのための強力で定評のあるライブラリです。ランダムデータを生成するための豊富なジェネレータセットと、プロパティを定義・実行するための便利なAPIを提供します。

インストール：

            npm install jsverify
            

              
                Copy
              
            
          

例：加算関数のテスト

簡単な加算関数があるとします：

            function add(a, b) {
  return a + b;
}
            

              
                Copy
              
            
          

jsverifyを使用して、加算が可換である（a + b = b + a）というプロパティを定義できます：

            const jsc = require('jsverify');

jsc.property('addition is commutative', 'number', 'number', function(a, b) {
  return add(a, b) === add(b, a);
});

            

              
                Copy
              
            
          

この例では：

• jsc.propertyは、説明的な名前を持つプロパティを定義します。
• 'number', 'number'は、プロパティがaとbの入力としてランダムな数値でテストされるべきであることを指定します。jsverifyは、さまざまなデータ型に対応する広範な組み込みジェネレータを提供します。
• 関数function(a, b) { ... }はプロパティ自体を定義します。生成された入力aとbを受け取り、プロパティが真であればtrueを、そうでなければfalseを返します。

このテストを実行すると、jsverifyは何百ものランダムな数値のペアを生成し、可換プロパティがそれらすべてに対して真であるかを確認します。反例が見つかった場合、失敗した入力を報告し、それを最小の例に縮小しようとします。

より複雑な例：文字列反転関数のテスト

文字列を反転させる関数です：

            function reverseString(str) {
  return str.split('').reverse().join('');
}
            

              
                Copy
              
            
          

文字列を2回反転させると元の文字列に戻る、というプロパティを定義できます：

            jsc.property('reversing a string twice returns the original string', 'string', function(str) {
  return reverseString(reverseString(str)) === str;
});

            

              
                Copy
              
            
          

jsverifyは、さまざまな長さや内容のランダムな文字列を生成し、このプロパティがそれらすべてに対して真であるかを確認します。

fast-checkの使用

fast-checkは、JavaScript向けのもう一つの優れたプロパティベーステストライブラリです。そのパフォーマンスと、ジェネレータとプロパティを定義するための流暢なAPIを提供することに重点を置いていることで知られています。

インストール：

            npm install fast-check
            

              
                Copy
              
            
          

例：加算関数のテスト

前と同じ加算関数を使用します：

            function add(a, b) {
  return a + b;
}
            

              
                Copy
              
            
          

fast-checkを使用して可換プロパティを定義できます：

            const fc = require('fast-check');

fc.assert(
  fc.property(fc.integer(), fc.integer(), (a, b) => {
    return add(a, b) === add(b, a);
  })
);

            

              
                Copy
              
            
          

この例では：

• fc.assertはプロパティベーステストを実行します。
• fc.propertyはプロパティを定義します。
• fc.integer()は、プロパティがaとbの入力としてランダムな整数でテストされるべきであることを指定します。fast-checkもまた、広範な組み込みアービトラリ（ジェネレータ）を提供します。
• ラムダ式(a, b) => { ... }はプロパティ自体を定義します。

より複雑な例：文字列反転関数のテスト

前と同じ文字列反転関数を使用します：

            function reverseString(str) {
  return str.split('').reverse().join('');
}
            

              
                Copy
              
            
          

fast-checkを使用して二重反転プロパティを定義できます：

            fc.assert(
  fc.property(fc.string(), (str) => {
    return reverseString(reverseString(str)) === str;
  })
);

            

              
                Copy
              
            
          

jsverifyとfast-checkの選択

jsverifyとfast-checkはどちらもJavaScriptでのプロパティベーステストのための優れた選択肢です。プロジェクトに適したライブラリを選択するための簡単な比較を以下に示します：

• jsverify： 歴史が長く、より広範な組み込みジェネレータのコレクションを持っています。fast-checkで利用できない特定のジェネレータが必要な場合や、より宣言的なスタイルを好む場合に良い選択かもしれません。
• fast-check： パフォーマンスと流暢なAPIで知られています。パフォーマンスが重要な場合や、より簡潔で表現力豊かなスタイルを好む場合に良い選択かもしれません。その縮小（shrinking）能力も非常に優れているとされています。

最終的に、最良の選択はあなたの特定のニーズと好みに依存します。どちらのライブラリがより快適で効果的であるかを確認するために、両方を試してみる価値があります。

効果的なプロパティベーステストを書くための戦略

効果的なプロパティベーステストを書くには、従来の単体テストとは異なる考え方が必要です。PBTを最大限に活用するためのいくつかの戦略を以下に示します：

• 例ではなく、プロパティに焦点を当てる： 特定の入力と出力のペアに焦点を当てるのではなく、コードが満たすべき基本的なプロパティについて考えます。
• 簡単なものから始める： 理解しやすく検証しやすい簡単なプロパティから始めます。自信がつくにつれて、より複雑なプロパティを追加できます。
• 説明的な名前を使用する： プロパティに、何をテストしているかを明確に説明する説明的な名前を付けます。
• エッジケースを考慮する： PBTは広範な入力を自動的に生成しますが、潜在的なエッジケースを考慮し、プロパティがそれらをカバーしていることを確認することが依然として重要です。特別なケースを扱うために、条件付きプロパティのようなテクニックを使用できます。
• 失敗した例を縮小する： プロパティが失敗した場合、PBTフレームワークによって提供される最小の失敗例に注意を払います。この例は、バグの根本原因に関する貴重な手がかりをしばしば提供します。
• 単体テストと組み合わせる： PBTは単体テストの代替ではなく、それを補完するものです。特定のシナリオやエッジケースを検証するために単体テストを使用し、コードが広範な入力にわたって一般的なプロパティを満たすことを確認するためにPBTを使用します。
• プロパティの粒度： プロパティの粒度を考慮してください。広すぎると、失敗の診断が難しくなる可能性があります。狭すぎると、実質的に単体テストを書いていることになります。適切なバランスを見つけることが鍵です。

高度なプロパティベーステスト技術

プロパティベーステストの基本に慣れたら、テスト戦略をさらに強化するためのいくつかの高度な技術を探求できます：

• 条件付きプロパティ： 特定の条件下でのみ適用される振る舞いをテストするために、条件付きプロパティを使用します。例えば、入力が正の数である場合にのみ適用されるプロパティをテストしたい場合などです。
• カスタムジェネレータ： アプリケーションドメインに特有のデータを生成するために、カスタムジェネレータを作成します。これにより、より現実的で関連性の高い入力でコードをテストできます。
• ステートフルテスト： 有限状態機械やリアクティブアプリケーションのようなステートフルなシステムの振る舞いを検証するために、ステートフルテスト技術を使用します。これには、さまざまなアクションに応じてシステムのステートがどのように変化すべきかを記述するプロパティを定義することが含まれます。
• 統合テスト： 主に単体テストに使用されますが、PBTの原則は統合テストにも適用できます。アプリケーションの異なるモジュールやコンポーネント間で真であるべきプロパティを定義します。
• ファジング： プロパティベーステストはファジングの一形態として使用できます。ランダムで潜在的に無効な入力を生成して、セキュリティの脆弱性や予期せぬ振る舞いを発見します。

さまざまなドメインにわたる例

プロパティベーステストは、多種多様なドメインに適用できます。以下にいくつかの例を挙げます：

• 数学関数： 数学演算の可換性、結合性、分配性などのプロパティをテストします。
• データ構造： ソート済みリストの順序の維持や、コレクション内の要素数が正しいかなどのプロパティを検証します。
• 文字列操作： 文字列の反転、正規表現マッチングの正当性、URL解析の妥当性などのプロパティをテストします。
• API統合： API呼び出しのべき等性や、異なるシステム間でのデータの一貫性などのプロパティを検証します。
• Webアプリケーション： フォーム検証の正当性や、Webページのアクセシビリティなどのプロパティをテストします。例えば、すべての画像にaltテキストがあることを確認するなどです。
• ゲーム開発： ゲーム物理の予測可能な振る舞い、正しいスコアリングメカニズム、ランダム生成コンテンツの公正な分布などのプロパティをテストします。異なるシナリオ下でのAIの意思決定をテストすることも考えられます。
• 金融アプリケーション： 金融システムでは、さまざまな種類のトランザクション（預金、引き出し、送金）の後に残高の更新が常に正確であることをテストすることが重要です。プロパティは、総価値が保存され、正しく帰属することを強制します。

国際化（i18n）の例： 国際化を扱う際、プロパティは関数が異なるロケールを正しく処理することを保証できます。例えば、数値や日付をフォーマットする場合、次のようなプロパティを確認できます： * フォーマットされた数値や日付が、指定されたロケールに対して正しくフォーマットされている。 * フォーマットされた数値や日付が、精度を保ったまま元の値に解析し直すことができる。

グローバリゼーション（g11n）の例： 翻訳を扱う際、プロパティは一貫性と正確性を維持するのに役立ちます。例えば： * 翻訳された文字列の長さが、元の文字列の長さと（過度な伸長や切り捨てを避けるために）合理的に近い。 * 翻訳された文字列に、元の文字列と同じプレースホルダーや変数が含まれている。

避けるべき一般的な落とし穴

• 自明なプロパティ： テスト対象のコードに関係なく常に真となるプロパティは避けます。これらのプロパティは有意義な情報を提供しません。
• 過度に複雑なプロパティ： 理解したり検証したりするのが難しすぎるプロパティは避けます。複雑なプロパティは、より小さく管理しやすいものに分割します。
• エッジケースの無視： プロパティが潜在的なエッジケースや境界条件をカバーしていることを確認します。
• 反例の誤解： バグの根本原因を理解するために、PBTフレームワークによって提供される最小の失敗例を注意深く分析します。結論に飛びついたり、仮定を立てたりしないでください。
• PBTを万能薬として扱う： PBTは強力なツールですが、慎重な設計、コードレビュー、その他のテスト技術の代替ではありません。包括的なテスト戦略の一部としてPBTを使用します。

結論

プロパティベーステストは、JavaScriptコードの品質と信頼性を向上させるための価値ある技術です。コードの期待される振る舞いを記述するプロパティを定義し、PBTフレームワークに広範な入力を生成させることで、従来の単体テストでは見逃していたかもしれない隠れたバグやエッジケースを発見できます。jsverifyやfast-checkのようなライブラリを使えば、JavaScriptプロジェクトにPBTを簡単に実装できます。テスト戦略の一部としてPBTを取り入れ、テストカバレッジの向上、コード品質の改善、メンテナンスコストの削減という利点を享受してください。有意義なプロパティの定義に集中し、エッジケースを考慮し、失敗した例を注意深く分析して、この強力な技術を最大限に活用することを忘れないでください。練習と経験を積むことで、あなたはプロパティベーステストの達人となり、より堅牢で信頼性の高いJavaScriptアプリケーションを構築できるようになるでしょう。

さらなるリソース

• jsverify ドキュメント
• fast-check ドキュメント
• Hypothesis (Python PBTライブラリ) - コンセプトは言語を越えて適用可能
• JavaScriptにおけるプロパティベーステスト (ビデオ)