Swift函数式编程五（QuickCheck）

Posted 2021-08-10 酒茶白开水

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QuickCheck是一个用于随机测试的Haskell库，相对于独立的单元测试，QuickCheck描述函数抽象特性并生成测试来验证这些特性。

生成随机数

定义一个表达如何生成随机数的协议：

protocol Arbitrary {
    static func arbitrary() -> Self
}

扩展Int类型，实现Arbitrary协议，在这里使用了arc4random函数来生成随机数然后转换成Int类型，事实上应该要能够生成负整数的：

extension Int: Arbitrary {
    static func arbitrary() -> Int {
        Int(arc4random())
    }
    static func random(from: Int, to: Int) -> Int {
        from + arbitrary()%(to - from)
    }
}

生成随机字符，仅限大写字母：

extension Character: Arbitrary {
    static func arbitrary() -> Character {
        Character(Unicode.Scalar(Int.random(from: 65, to: 90))!)
    }
}

生成随机字符串，在这里只生成长度0~40的随机大写字母的字符串：

extension String: Arbitrary {
    static func arbitrary() -> String {
        let randomLength = Int.random(from: 0, to: 40)
        let randomCharacters = (0..<randomLength).map { _ in Character.arbitrary() }
        
        return String(randomCharacters)
    }
}

实现check函数

实现第一个版本的检验函数：

func check1<A: Arbitrary>(message: String, property: (A) -> Bool) {
    let numberOfIterations = 100
    for _ in 0..<numberOfIterations {
        let value = A.arbitrary()
        guard property(value) else {
            print("\\(message) 没有通过测试：\\(value)")
            return
        }
    }
    print("\\(message) 通过了\\(numberOfIterations)次测试")
}

下面使用check1函数来检查：

extension CGSize: Arbitrary {
    var area: CGFloat { width*height }
    static func arbitrary() -> CGSize {
        CGSize(width: Int.arbitrary(), height: Int.arbitrary())
    }
}
check1(message: "CGSize的面积最小是0") { (size: CGSize) in size.area >= 0 }

缩小范围

通常反例所处的范围越小越容易定位到失败的原因，所以原则上对失败的输入进行不断缩减，并重新测试。

因此需要定义一个Smaller协议用于缩减范围：

protocol Smaller {
    static func smaller() -> Self?
}

由于缩小数据范围本身不是很明确，例如无法对空数组缩小只能返回nil。

对所需数据类型实现Smaller协议：

extension Int: Smaller {
    func smaller() -> Int? {
        self == 0 ? nil : self/2
    }
}
extension String: Smaller {
    func smaller() -> String? {
        isEmpty ? nil : String(dropFirst())
    }
}

为了使check函数中随机生成的数据能够缩小，可以将重新定义Arbitrary协议继承Smaller协议：

protocol Arbitrary: Smaller {
    static func arbitrary() -> Self
}

反复缩小范围

定义一个递归函数iterateWhile，只要条件成了就反复调用自身：

func iterateWhile<A>(condition: (A) -> Bool, inital: A, next: (A) -> A?) -> A {
    guard let vaule = next(inital) else {
        return inital
    }
    
    return iterateWhile(condition: condition, inital: vaule, next: next)
}

通过iterateWhile函数反复缩小检查函数中反例数据的范围：

func check2<A: Arbitrary & Smaller>(message: String, property: (A) -> Bool) {
    let numberOfIterations = 100
    for _ in 0..<numberOfIterations {
        let value = A.arbitrary()
        guard property(value) else {
            let smaller = iterateWhile(condition: { !property($0) }, inital: value, next: { $0.smaller() })
            print("\\(message) 没有通过测试：\\(smaller)")
            return
        }
    }
    print("\\(message) 通过了\\(numberOfIterations)次测试")
}

随机数组

写一个快速排序的函数：

func qsort(array: [Int]) -> [Int] {
    var data = array
    if data.isEmpty {
        return []
    }
    let pivot = data.removeFirst()
    let lesser = data.filter { $0 >= pivot }
    let gretter = data.filter { $0 < pivot }
    
    return qsort(array: lesser) + [pivot] + qsort(array: gretter)
}

现在想要使用check2函数来判断这个快速排序函数与内置的sort函数是否有区别，那么需要让[Int]遵守Arbitrary、Smaller这两个协议：

extension Array: Arbitrary, Smaller where Element: Arbitrary {
    static func arbitrary() -> Array<Element> {
        let randomLength = Int.random(from: 0, to: 50)
        return (0..<randomLength).map { _ in Element.arbitrary() }
    }
    
    func smaller() -> Array<Element>? {
        if self.isEmpty { return nil }
        return Array(self.dropFirst())
    }
}

调用check2函数对前边的快速排序函数进行验证：

check2(message: "qsort函数和Array内置sort函数效果一致") { (array: [Int]) in qsort(array: array) == array.sorted(by: <) }

check2函数需要类型A遵守Arbitrary、Smaller两个协议。换一种方式，可以将必要的smaller、arbitrary函数作为参数传入。

首先定义包含必要的smaller、arbitrary函数的辅助结构体：

struct ArbitraryInstance<T> {
    let arbitrary: () -> T
    let smaller: (T) -> T?
}

接着写一个接受ArbitraryInstance作为参数的辅助函数checkHelper，这个函数的定义参照了check2函数，不同点就是arbitrary和smaller函数定义的位置。check2中被泛型的协议所约束，而checkHelper中则通过ArbitraryInstance结构体显式传递：

func checkHelper<A>(arbitraryInstance: ArbitraryInstance<A>, message: String, property: (A) -> Bool) {
    let numberOfIterations = 100
    for _ in 0..<numberOfIterations {
        let value = arbitraryInstance.arbitrary()
        guard property(value) else {
            let smallerValue = iterateWhile(condition: property, inital: value, next: arbitraryInstance.smaller)
            print("\\(message) 没有通过测试：\\(smallerValue)")
            return
        }
    }
    print("\\(message) 通过了\\(numberOfIterations)次测试")
}

显式将所需信息作为参数传递，而不是定义于协议中。这样做灵活性更高，不依赖Swift推断所需信息，完全自己控制这一切。

可是使用checkHelper函数重新定义check2函数：

func check3<X: Arbitrary>(message: String, property: ([X]) -> Bool) {
    let instance = ArbitraryInstance(arbitrary: Array<X>.arbitrary) { $0.smaller() }
    checkHelper(arbitraryInstance: instance, message: message, property: property)
}

终于可以运行check3函数验证快速排序了：

check3(message: "qsort函数和Array内置sort函数效果一致") { (x: [Int]) -> Bool in qsort(array: x) == x.sorted(by: <) }