有限状态机：如何增强软件测试第一部分：什么是 FSM

确保应用程序可靠性是一项永无止境的任务。有限状态机(FSM) 通过将系统行为建模为状态和转换来提供解决方案，这是一种有用的工具，可以帮助软件工程师了解软件行为并设计有效的测试用例。

本文通过简单示例探讨 FSM 的优缺点。我们还将对 FSM 和程序图在软件测试中的实用性和适用性进行简要比较。

什么是 FSM?

FSM 是一种强大的工具，用于对表现出不同状态和这些状态之间转换的系统进行建模。它们是系统行为的视觉路线图。以下是其核心原则的细分：

· FSM 是一个有向图，其中节点表示状态，边表示状态之间的转换。

· 转换由事件触发，进入或离开某个状态时可能会发生动作。

· 转换上的标签指定触发它们的事件以及转换期间发生的操作。

· FSM 是一种简单而直观的方式，用于表示对各种事件做出不同反应的系统。

让我们探索简单自动售货机的Python代码并演示 FSM 如何帮助设计有效的测试用例。

Python

class VendingMachine:

def __init__(self):

self.state = "idle"

self.inserted_amount = 0

self.product_selected = None

def insert_coin(self, amount):

if self.state == "idle":

self.inserted_amount += amount

print(f"Inserted ${amount}. Current amount: ${self.inserted_amount}")

else:

print("Machine busy, please wait.")

def select_product(self, product):

if self.state == "idle" and self.inserted_amount >= product.price:

self.state = "product_selected"

self.product_selected = product

print(f"Selected {product.name}.")

else:

if self.state != "idle":

print("Please dispense product or return coins first.")

else:

print(f"Insufficient funds for {product.name}.")

def dispense_product(self):

if self.state == "product_selected":

print(f"Dispensing {self.selected_product.name}.")

self.state = "idle"

self.inserted_amount = 0

self.product_selected = None

else:

print("No product selected.")

def return_coins(self):

if self.state == "idle" and self.inserted_amount > 0:

print(f"Returning ${self.inserted_amount}.")

self.inserted_amount = 0

else:

print("No coins to return.")

# Example products

class Product:

def __init__(self, name, price):

self.name = name

self.price = price

product1 = Product("Soda", 1.00)

product2 = Product("Chips", 0.75)

# Example usage

vending_machine = VendingMachine()

vending_machine.insert_coin(1.00)

vending_machine.select_product(product1)

vending_machine.dispense_product()

vending_machine.insert_coin(0.50)

vending_machine.select_product(product2)

vending_machine.dispense_product()

vending_machine.return_coins()

该代码模拟了一台基本的自动售货机，具有投币、选择产品、分配和退币等功能。让我们看看 FSM 如何帮助我们创建强大的测试用例。

自动售货机的 FSM 设计

自动售货机的FSM可能有四种状态：

1. 空闲：机器等待用户输入的初始状态

2. 投币：用户投币后状态激活

3. 产品选择：选择产品并有足够的资金后状态有效

4. 分配：当产品分配完毕并退还零钱(如果有)时，状态为有效

过渡和事件

· 空闲 -> 投币：insert_coin通过方法触发

· 投币 -> 空闲：如果用户在非“空闲”状态下尝试插入硬币则触发(错误场景)

· 空闲 -> 产品选择：select_product如果资金充足，则通过该方法触发

· 产品选择 -> 空闲：如果用户选择的产品没有足够的资金，或者在选择产品时尝试其他操作，则触发

· 产品选择 -> 分配：dispense_product通过方法触发

· 分配 -> 空闲：分配产品并归还零钱后达到最终状态

使用 FSM 生成测试用例

通过分析FSM，我们可以设计全面的测试用例来彻底测试程序：

1. 投币及选择商品

· 插入各种面额的硬币(有效金额和无效金额)。

· 选择资金准确、充足、不足的产品。

· 根据插入的数量和选择验证机器是否转换到正确的状态。

测试用例示例：

1. 从“空闲”状态启动。

2. 投入 1.00 美元(转换至“投币”)。

3. 选择“苏打水”(如果资金足够则转换到“产品选择”，否则保持“空闲”状态)。

4. 验证消息：“选定苏打水。”

5. 投入0.25美元(转换至“投币”)。

6. 选择“筹码”(若总金额足够则转至“产品选择”;否则，仍停留在“产品选择”)。

7. 验证消息：“正在分配芯片。”或“芯片资金不足。”(取决于之前的硬币插入情况)。

预期行为：如果总金额为 1.25 美元(足够购买产品和找零)，机器应发放“筹码”，并退还剩余的 0.25 美元。如果总金额仍然不足，机器应保持“产品选择”状态。

2. 边缘案例测试

· 在“产品选择”或“分配”状态下插入硬币(意外行为)。

· 在投入任何硬币之前，尝试选择产品。

· 尝试在未选择产品的情况下分配产品。

· 当没有硬币投入时退还硬币。

· 验证机器能否正常处理这些情况并提供适当的消息或防止无效操作。

测试用例示例：

1. 从“空闲”状态启动。

2. 投入 1.00 美元(转换至“投币”)。

3. 选择“苏打水”(转换至“产品选择”)。

4. 尝试插入另一枚硬币(在“产品选择”中不应允许)。

5. 验证消息：“机器忙，请稍候。”

预期行为：选择产品时，机器不应接受额外的硬币。

3.状态转换测试

· 验证程序是否根据用户操作(插入硬币、选择产品、分配、返还硬币)正确地在状态之间转换。

· 使用 FSM 作为参考来跟踪不同测试用例中的预期状态转换。