NSubstitute 測試替身指南

為什麼需要測試替身？

真實世界的程式碼通常依賴外部資源，這些依賴會讓測試變得：

1. 緩慢 - 需要實際操作資料庫、檔案系統、網路
2. 不穩定 - 外部服務異常導致測試失敗
3. 難以重複 - 時間、隨機數導致結果不一致
4. 環境依賴 - 需要特定的外部環境設定
5. 開發阻塞 - 必須等待外部系統準備就緒

測試替身（Test Double）讓我們能夠隔離這些依賴，專注測試業務邏輯。

前置需求

套件安裝

<PackageReference Include="NSubstitute" Version="5.3.0" />
<PackageReference Include="xunit" Version="2.9.3" />
<PackageReference Include="Microsoft.Extensions.Logging" Version="9.0.0" />
<PackageReference Include="AwesomeAssertions" Version="9.4.0" />

基本 using 指令

using NSubstitute;
using NSubstitute.ExceptionExtensions;
using Xunit;
using AwesomeAssertions;
using Microsoft.Extensions.Logging;

Test Double 五大類型

根據 Gerard Meszaros 在《xUnit Test Patterns》中的定義，測試替身分為五種類型：

類型	用途	NSubstitute 對應
Dummy	填充物件，僅滿足方法簽章	Substitute.For<T>() 不設定任何行為
Stub	提供預設回傳值，設定測試情境	.Returns(value)
Fake	簡化實作，有真實邏輯	手動實作介面（如 FakeUserRepository）
Spy	記錄呼叫，事後驗證	.Received() 驗證
Mock	預設期望互動，未滿足則測試失敗	.Received(n) 嚴格驗證

各類型的完整程式碼範例請參閱 references/test-double-types.md

NSubstitute 核心功能

基本替代語法

// 建立介面替代
var substitute = Substitute.For<IUserRepository>();

// 建立類別替代（需要虛擬成員）
var classSubstitute = Substitute.For<BaseService>();

// 建立多重介面替代
var multiSubstitute = Substitute.For<IService, IDisposable>();

回傳值設定

基本回傳值

// 精確參數匹配
_repository.GetById(1).Returns(new User { Id = 1, Name = "John" });

// 任意參數匹配
_service.Process(Arg.Any<string>()).Returns("processed");

// 回傳序列值
_generator.GetNext().Returns(1, 2, 3, 4, 5);

條件回傳值

// 使用委派計算回傳值
_calculator.Add(Arg.Any<int>(), Arg.Any<int>())
           .Returns(x => (int)x[0] + (int)x[1]);

// 條件匹配
_service.Process(Arg.Is<string>(x => x.StartsWith("test")))
        .Returns("test-result");

拋出例外

// 同步方法拋出例外
_service.RiskyOperation()
        .Throws(new InvalidOperationException("Something went wrong"));

// 非同步方法拋出例外
_service.RiskyOperationAsync()
        .Throws(new InvalidOperationException("Async operation failed"));

引數匹配器

// 任意值
_service.Process(Arg.Any<string>()).Returns("result");

// 特定條件
_service.Process(Arg.Is<string>(x => x.Length > 5)).Returns("long-result");

// 引數擷取
string capturedArg = null;
_service.Process(Arg.Do<string>(x => capturedArg = x)).Returns("result");
_service.Process("test");
capturedArg.Should().Be("test");

// 引數檢查
_service.Process(Arg.Is<string>(x =>
{
    x.Should().StartWith("prefix");
    return true;
})).Returns("result");

呼叫驗證

// 驗證被呼叫（至少一次）
_service.Received().Process("test");

// 驗證呼叫次數
_service.Received(2).Process(Arg.Any<string>());

// 驗證未被呼叫
_service.DidNotReceive().Delete(Arg.Any<int>());

// 驗證任意參數呼叫
_service.ReceivedWithAnyArgs().Process(default);

// 驗證呼叫順序
Received.InOrder(() =>
{
    _service.Start();
    _service.Process();
    _service.Stop();
});

實戰模式

涵蓋五種常見的 NSubstitute 實戰模式，包含完整程式碼範例：

模式	說明
模式 1：依賴注入與測試設定	FileBackupService 完整範例，含建構式注入與 SUT 設定
模式 2：Mock vs Stub 差異	Stub 關注狀態回傳值 vs Mock 關注互動行為驗證
模式 3：非同步方法測試	Returns(Task.FromResult(...)) 與 .Throws() 模式
模式 4：ILogger 驗證	驗證底層 Log 方法繞過擴展方法限制
模式 5：複雜設定管理	基底測試類別管理共用 Substitute 設定

完整程式碼範例請參閱 references/practical-patterns.md

引數匹配進階技巧

複雜物件匹配

[Fact]
public void CreateOrder_建立訂單_應儲存正確的訂單資料()
{
    var repository = Substitute.For<IOrderRepository>();
    var service = new OrderService(repository);

    service.CreateOrder("Product A", 5, 100);

    // 驗證物件屬性
    repository.Received(1).Save(Arg.Is<Order>(o =>
        o.ProductName == "Product A" &&
        o.Quantity == 5 &&
        o.Price == 100));
}

引數擷取與驗證

[Fact]
public void RegisterUser_註冊使用者_應產生正確的雜湊密碼()
{
    var repository = Substitute.For<IUserRepository>();
    var service = new UserService(repository);

    User capturedUser = null;
    repository.Save(Arg.Do<User>(u => capturedUser = u));

    service.RegisterUser("john@example.com", "password123");

    capturedUser.Should().NotBeNull();
    capturedUser.Email.Should().Be("john@example.com");
    capturedUser.PasswordHash.Should().NotBe("password123"); // 應該被雜湊
    capturedUser.PasswordHash.Length.Should().BeGreaterThan(20);
}

常見陷阱與最佳實踐

推薦做法

1. 針對介面而非實作建立 Substitute

   // 正確：針對介面
   var repository = Substitute.For<IUserRepository>();
   
   // 錯誤：針對具體類別（除非有虛擬成員）
   var repository = Substitute.For<UserRepository>();
   

2. 使用有意義的測試資料

   // 正確：清楚表達意圖
   var user = new User { Id = 123, Name = "John Doe", Email = "john@example.com" };
   
   // 錯誤：無意義的資料
   var user = new User { Id = 1, Name = "test", Email = "a@b.c" };
   

3. 避免過度驗證

   // 正確：只驗證重要的行為
   _emailService.Received(1).SendWelcomeEmail(Arg.Any<string>());
   
   // 錯誤：驗證所有內部實作細節
   _repository.Received(1).GetById(123);
   _repository.Received(1).Update(Arg.Any<User>());
   _validator.Received(1).Validate(Arg.Any<User>());
   

4. Mock 與 Stub 的明確區分

   // 正確：Stub 用於設定情境，Mock 用於驗證行為
   var stubRepository = Substitute.For<IUserRepository>(); // Stub
   var mockLogger = Substitute.For<ILogger>(); // Mock
   
   stubRepository.GetById(123).Returns(user);
   service.ProcessUser(123);
   mockLogger.Received(1).LogInformation(Arg.Any<string>());
   

避免做法

1. 避免模擬值類型

   // 錯誤：DateTime 是值類型
   var badDate = Substitute.For<DateTime>();
   
   // 正確：抽象時間提供者
   var dateTimeProvider = Substitute.For<IDateTimeProvider>();
   dateTimeProvider.Now.Returns(new DateTime(2024, 1, 1));
   

2. 避免測試與實作強耦合

   // 錯誤：測試實作細節
   _repository.Received(1).Query(Arg.Any<string>());
   _repository.Received(1).Filter(Arg.Any<Expression<Func<User, bool>>>());
   
   // 正確：測試行為結果
   var users = service.GetActiveUsers();
   users.Should().HaveCount(2);
   

3. 避免設定過於複雜

   // 錯誤：過多的 Substitute（可能違反 SRP）
   var sub1 = Substitute.For<IService1>();
   var sub2 = Substitute.For<IService2>();
   var sub3 = Substitute.For<IService3>();
   var sub4 = Substitute.For<IService4>();
   
   // 正確：重新思考類別職責
   // 考慮是否違反單一職責原則，需要重構
   

識別需要替代的相依性

應該替代的

• 外部 API 呼叫（IHttpClient、IApiClient）
• 資料庫操作（IRepository、IDbContext）
• 檔案系統操作（IFileSystem）
• 網路通訊（IEmailService、IMessageQueue）
• 時間依賴（IDateTimeProvider、TimeProvider）
• 隨機數產生（IRandom）
• 昂貴的計算（IComplexCalculator）
• 記錄服務（ILogger）

不應該替代的

• 值物件（DateTime、string、int）
• 簡單的資料傳輸物件（DTO）
• 純函數工具（如 AutoMapper 的 IMapper，考慮使用真實實例）
• 框架核心類別（除非有明確需求）

疑難排解

Q1: 如何測試沒有介面的類別？

A: 確保要模擬的成員是 virtual：

public class BaseService
{
    public virtual string GetData() => "real data";
}

var substitute = Substitute.For<BaseService>();
substitute.GetData().Returns("test data");

Q2: 如何驗證方法被呼叫的順序？

A: 使用 Received.InOrder()：

Received.InOrder(() =>
{
    _service.Start();
    _service.Process();
    _service.Stop();
});

Q3: 如何處理 out 參數？

A: 使用 Returns() 配合委派：

_service.TryGetValue("key", out Arg.Any<string>())
        .Returns(x =>
        {
            x[1] = "value";
            return true;
        });

Q4: NSubstitute 與 Moq 該如何選擇？

A: NSubstitute 優勢：

• 語法更簡潔直觀
• 學習曲線平緩
• 沒有隱私爭議
• 對多數測試場景足夠

選擇 NSubstitute，除非：

• 專案已使用 Moq
• 需要 Moq 特有的進階功能
• 團隊已熟悉 Moq 語法

與其他技能整合

此技能可與以下技能組合使用：

• unit-test-fundamentals: 單元測試基礎與 3A 模式
• dependency-injection-testing: 依賴注入測試策略
• test-naming-conventions: 測試命名規範
• test-output-logging: ITestOutputHelper 與 ILogger 整合
• datetime-testing-timeprovider: TimeProvider 抽象化時間依賴
• filesystem-testing-abstractions: 檔案系統依賴抽象化

範本檔案參考

本技能提供以下範本檔案：

• templates/mock-patterns.cs: 完整的 Mock/Stub/Spy 模式範例
• templates/verification-examples.cs: 行為驗證與引數匹配範例
• references/practical-patterns.md: 五種實戰模式完整程式碼
• references/test-double-types.md: Test Double 五大類型詳細範例

輸出格式

• 產生使用 NSubstitute 的 xUnit 測試類別檔案（*Tests.cs）
• 測試方法遵循 3A（Arrange-Act-Assert）模式
• Substitute 設定集中於測試建構函式或 Arrange 區段
• 驗證呼叫使用 Received() / DidNotReceive() 明確斷言
• 搭配 AwesomeAssertions 進行狀態驗證

參考資源

原始文章

本技能內容提煉自「老派軟體工程師的測試修練 - 30 天挑戰」系列文章：

• Day 07 - 依賴替代入門：使用 NSubstitute
  • 鐵人賽文章：https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10374593
  • 範例程式碼：https://github.com/kevintsengtw/30Days_in_Testing_Samples/tree/main/day07

NSubstitute 官方

• NSubstitute 官方網站
• NSubstitute GitHub
• NSubstitute NuGet

Test Double 理論

• XUnit Test Patterns
• Martin Fowler - Test Double