はじめに

今読み進めている「関数型プログラミングの基礎 JavaScriptを使って学ぶ」の中で紹介されていた Property based testing に興味がわいたのでJavaScript環境で試した話です。

なお、Property based testing とはなんぞやという話については、本稿では詳しく触れません。そちらを知りたい方は、諸先輩方が投稿しているQiita記事などで調べて見てください。

環境

Node.js : v14.17.0
- https://nodejs.org/ja/
npm : v6.14.13
jest : v27.0.1
- https://jestjs.io/ja/
- Facebook のオープンソース
- フルスタックテスティングフレームワーク
fast-check : v2.14.0
- https://dubzzz.github.io/fast-check.github.com/
- Property based testing のフレームワーク
jest-fast-check : v1.0.2
- https://github.com/dubzzz/jest-fast-check
- jest と fast-check の統合用ライブラリ（記述を簡素化できるだけで必須ではない）

準備

作業ディレクトリを用意

（Node.js はインストール済みの前提です。）

$ mkdir property-based-testing
$ cd property-based-testing
$ npm init --yes

ライブラリをインストール

$ npm install --save-dev jest fast-check jest-fast-check

テスティングフレームワークの使用準備

編集前

package.json

{
  "name": "property-based-testing",
  "version": "1.0.0",
  "description": "",
  "main": "index.js",
  "scripts": {
    "test": "echo \"Error: no test specified\" && exit 1"
  },
  "keywords": [],
  "author": "",
  "license": "ISC",
  "devDependencies": {
    "fast-check": "^2.15.0",
    "jest": "^27.0.3",
    "jest-fast-check": "^1.0.2"
  }
}

"scripts" の "test" を以下のように書き換える

package.json抜粋

  "scripts": {
    "test": "jest"
  },

実践

題材

「関数型プログラミングの基礎 JavaScriptを使って学ぶ」でも使われている後者関数を使って以下の3つのケースに分けて各テスティングフレームワークを使って行きます。

jest のみを使用
jest + fast-check を使用
jest + fast-check + jest-fast-check を使用

テスト対象

const succ = (x) => { return x + 1; };

テスト内容

上記関数において succ(0) + succ(x) = succ(succ(x)) という命題をProperty based testingを使って確認する

共通部分

3つのケースで共通となるテスト対象の関数を作成します。

$ mkdir src
$ touch src/app.js

src/app.js

const succ = (x) => {
  return x + 1;
};

module.exports = {
  succ,
};

jest のみ使用

テストコードを追加します

$ mkdir test
$ touch test/app-jest.test.js

test/app-jest.test.js

const { succ } = require('../src/app');

const iterate = (init) => {
  return (step) => {
    return [init, (_) => {
      return iterate(step(init))(step);
    }];
  };
};

/* 無限の整数列を生成する */
const enumFrom = (n) => {
  return iterate(n)(succ);
};

/* ストリームのmap関数 */
const map = (transform) => {
  return (aStream) => {
    console.log(aStream);
    const head = aStream[0];
    return [transform(head), (_) => {
      return map(transform)(aStream[1]());
    }];
  };
};

/* ストリームの先頭から引数n分だけ取り出す */
const take = (n) => {
  return (aStream) => {
    if (n === 0) {
      return null;
    } else {
      return [aStream[0], (_) => {
        return take(n-1)(aStream[1]());
      }];
    }
  };
};

/* ストリームの全ての要素がtrueであるか判定する */
const all = (aStream) => {
  const allHelper = (aStream, accumulator) => {
    const head = aStream[0];
    const newAccumulator = accumulator && head;
    if (aStream[1]() === null) {
      return newAccumulator;
    } else {
      return allHelper(aStream[1](), newAccumulator);
    }
  };
  return allHelper(aStream, true);
};

/* 検証の対象となる命題 */
const proposition = (n) => {
  return succ(0) + succ(n) === succ(succ(n));
};

/* 100個の整数について命題が正しいか */
test(
  'should succ(0) + succ(x) = succ(succ(x))',
  () => {
    expect(
      all(
        take(100)(
          map(proposition)(enumFrom(0))
        )
      )
    ).toBe(true);
  }
);

テストの実行は以下のコマンドで行います

$ npm test

実行結果

上記のコードでは、1から100の100個の整数で命題が正しいかチェックしています

このようにProperty based testingはフレームワークを使用しないでも実現することができます

ただし、整数をランダムに生成したり、事前条件などを追加したりしようとすると柔軟性にかけます

つまり、検証用のテストデータ生成部分の柔軟性に難がある（手間がかかる）ということです

jest + fast-check を使用

では、Property based testingのフレームワークを使用した場合にどうなるかみてみます

なお、fast-check の詳細は公式を確認してみてください

$ touch test/app-fast-check.test.js

test/app-fast-check.test.js

const { succ } = require('../src/app');
const fc = require('fast-check');

test(
  'should succ(0) + succ(x) = succ(succ(x))',
  () => fc.assert(
    fc.property(
      fc.integer({ min:1 }),
      (x) => {
        // console.log(x);
        expect(succ(0) + succ(x)).toBe(succ(succ(x)));
      }
    )
  )
);

fast-checkの各関数の詳細については、公式およびGithubを参照してください

上記コードではfc.integer()が検証用のテストデータを生成している部分になります

コメントアウトしてる部分を有効にすると、1以上のランダムな整数がテストデータとして使われていることが確認できます

jest + fast-check + jest-fast-check を使用

fast-check を使うことにより、テストデータの生成がとてもシンプルに記述することができました

ただ、fast-check のみ使用した場合だと、fc.assert()やfc.property()など、fast-check独自の記法が必要となり、jestとの記述の差異が生まれます

この差異を埋めるのがjest-fast-checkです

jest-fast-checkの詳細はGithubを参照してください

jest-fast-checkを使ったコードが以下になります

$ touch test/app-jest-fast-check.test.js

test/app-jest-fast-check.test.js

const { succ } = require('../src/app');
const { testProp, fc } = require('jest-fast-check');

testProp(
  'should succ(0) + succ(x) = succ(succ(x))',
  fc.integer({ min:1 }),
  (x) => {
    expect(succ(0) + succ(x)).toBe(succ(succ(x)));
  }
);

jest-fast-checkのソースコードを読むとわかりますが、

testProp()がfc.assert()とfc.property()をtest()内で実行するようなラッパーになっています

testProp()を使うと記述量を抑え、よりjestの記法に近い形でProperty based testingのコードを記述できます

参考記事

今回Property based testingを学習する際にこちらの記事を参考にさせていただきました

Property based testing を試してみよう

Jest + Property based Testing