开源应用架构之​Selenium WebDriver(中)

Selenium团队最近发布了Selenium 2(又 名Selenium WebDriver)​。主要新功能是集成了WebDriver​——曾经是Selenium 1(又名Selenium RC)的竞争对手。Selenium RC在浏览器中运行JavaScript应用,而WebDriver通过原生浏览器支持或者浏览器扩展直接控制浏览器:

WebDriver针对各个浏览器而开发,取代了嵌入到被测Web应用中的JavaScript。与浏览器的紧密集成支持创建更高级的测试,避免了 JavaScript安全模型导致的限制。除了来自浏览器厂商的支持,WebDriver还利用操作系统级的调用模拟用户输入。WebDriver支持 Firefox (FirefoxDriver)、IE (InternetExplorerDriver)、Opera (OperaDriver) 和Chrome (ChromeDriver)。对Safari的支持由于技术限制在本版本中未包含,但是可以使用SeleneseCommandExecutor模拟。它还支持Android (AndroidDriver)和iPhone (IPhoneDriver) 的移动应用测试。它还包括一个基于HtmlUnit的无界面实现,称为HtmlUnitDriver。WebDriver API可以通过Python、Ruby、Java和C#访问,支持开发人员使用他们偏爱的编程语言来创建测试。

WebDriver的创建者​Simon Stewart早在2009年八月的一份邮件中解释了项目合并的原因。

为何把两个项目合并?部分原因是WebDriver解决了Selenium存在的缺点(比如,能够绕过JS沙箱。我们有出色的API),部分原因是 Selenium解决了WebDriver存在的问题(例如支持广泛的浏览器),部分原因是因为Selenium的主要贡献者和我都觉得合并项目是为用户 提供最优秀框架的最佳途径。

在两个项目合并中出现了哪些架构方面的问题?学到了哪些经验和教训?​Simon Stewart在《开源应用架构》中做了详细的描述,本文是Selenium WebDriver架构系列文章的第二篇,对复杂性设计的优劣做了深入实际的分析。

处理复杂性

软件是模块构造起来的。这些模块很复杂​,作为API的设计人员,我们可以选择如何处理这种复杂性。极端情况下,​我们可能会传播这种复杂性,这意 味着​API的每一位用户都需要牵涉其中。另一个​极端情况是承担尽可能多的复杂性并将其隔离在某个地方。这个地方对于许多想一探究竟的API用户来说​ 黑暗而恐怖。折中方案则是API的用户,如果无须深入了解实现​细节,那么只需面对当前所遇到的复杂性​即可。​

WebDriver的开发人员更倾向于发现并在少数地方隔离这些复杂性,而不是传播它。这么做的原因之一是为了用户。看看我们的bug列表就​会知 道,​他们特别善于发现问题和缺陷,但是因为许多用户不是开发人员,复杂的API不会受欢迎。我们试图让API正确地引导大家。例如,​考虑下面来自早期 Selenium API的方法,每一个都用于设置输入元素的值:​

  • type
  • typeKeys
  • typeKeysNative
  • keydown
  • keypress
  • keyup
  • keydownNative
  • keypressNative
  • keyupNative
  • attachFile

下面是WebDriver API中的等价方法:​

  • sendKeys

如前所述,这凸显了RC和WebDriver之间的主要思想差异——WebDriver在努力模拟用户,而RC在较低层次提供的API​让用户难以 或者无法使用。typeKeys和typeKeysNative之间的​区别在于前者总是使用合成事件(synthetic event)​,而后者则尝试利用AWT Robot输入键值。​令人失望的是,AWT Robot发送按键事件给具有焦点的任意窗口,也就是说可能不是浏览器。相比之下,WebDriver的原生事件,直接把事件发送给窗口处理函数,避免了 浏览器窗口必须具有焦点的要求。​

WebDriver设计​

团队将WebDriver的API定位为“基于对象的”。接口被明确定义并努力坚持只包含一个角色或者责任,而不是将每一个可能的HTML标记模块 化为单独的类,我们只有一个WebElement接口。​通过这种方式,开发人员使用支持自动补全的IDE即可被提示下一步工作。其结果类似于下面的代码 片段(Java语言):

WebDriver driver = new FirefoxDriver();
driver.<user hits space>

此时,包含13个方法的短列表显示出来,用户选择其中一个:

driver.findElement(<user hits space>)

大多数IDE现在显示预期参数的类型提示,在这个例子中是“By”。By包含许多预定义的静态工厂方法。我们的用户可以快速地完成刚才的代码:

driver.findElement(By.id(“some_id”));

基于角色的接口 

考虑一下简化的Shop类。每天,它需要进货,并与Stockist合作发布新的货单。每月,它需要付工资和税。为了描述清楚,我们假设它通过使用Accountant完成这些事情。一种建模结果如下所示:

public interface Shop {
void addStock(StockItem item, int quantity);
Money getSalesTotal(Date startDate, Date endDate);
}

我们有两种选择来定义Shop、Accountant和Stockist之间的接口的边界。图1显示了一种理论上的选择。

这意味着Accountant和Stockist将把Shop作为各自方法的参数。缺点是,Accountant不可能真的想要处理货架,而让Stockist了解Shop添加的大量价签也不合适。因此,更好的一种思路如图2所示。

我们将需要两个Shop必须实现的接口,但是这些接口清晰的定义了Shop为Accountant和Stockist承担的角色。它们都是介于角色的接口:

public interface HasBalance {
Money getSalesTotal(Date startDate, Date endDate);
}

public interface Stockable {
void addStock(StockItem item, int quantity);
}

public interface Shop extends HasBalance, Stockable {
}

我发现UnsupportedOperationExceptions等让人非常不适,但是我们需要某些东西以支持对部分用户暴漏部分功能而不会影 响API的其他部分。为此,WebDriver广泛使用了基于角色的接口。例如,有一个JavascriptExecutor接口提供了在当前页面环境中 执行任意Javascript语句块的功能。WebDriver实例对该接口的成功映射可以提示你利用该方法完成自己的工作。

图1:Accountant 和Stockist依赖Shop

图2:Shop实现了HasBalance和Stockable

处理组合爆炸​

考虑到WebDriver​支持广泛的浏览器和语言,我们首先想到稍有不慎,就会面临维护成本的大量攀升。​假设X种浏览器和Y种语言​,我们很容易就会掉进X×Y种实现中。

减少WebDriver支持的编程语言种类是降低成本的途径之一,但是我们基于两种原因不想这样做。首先,从一种语言切换到另一种时人们会承受认知 负荷,因此对用户来说如果测试框架(WebDriver)能够允许他们采用在日常开发中使用的编程语言来编写测试,那么这是巨大的优势。其次,在单一项目 中混合多种语言可能会让团队感觉不舒服,而且公司的编码规范和需求通常要求技术单一纯正性(虽然我们愉快的看到,第二点理由随着时间推移越来越淡化),因 此,减少支持语言的种类不是可选项。

减少支持浏览器的数量也不是一种选择——想想看,当我们决定在WebDriver中淘汰对Firefox 2的支持时,就遇到了强烈的抗议,而事实上当我们作出这个决定时,Firefox 2只占了浏览器市场份额不到1%。

我们唯一的选择是努力使所有浏览器对语言绑定的外观相同:它们应该提供统一的接口,可以轻松地通过各种语言解决。更重要的是,我们希望语言绑定本身 尽可能的易于编写,这意味着需要尽可能的使它们保持简洁。我们在底层driver中放入了尽可能多的逻辑来支持这种设计:我们无法放入dirver的每一 块功能都意味着需要通过我们支持的每一种语言实现,而这代表了一大块工作量。

这里举一个例子,IE driver成功地把定位和启动IE的功能放入了主要驱动逻辑中。虽然这会导致在dirver中编写惊人数量的代码,但是用于创建新实例的语言绑定只需对 driver的单一方法调用。相比之下,Firefox无法做这种改动。在Java语言中,这意味着我们有三个主要的类来处理配置和启动Firefox, 大约1300行代码。这些类在每一种支持FirefoxDriver的语言绑定中都是重复的,无须依赖Java服务器。这会有大量的多余代码需要维护。

WebDriver设计中的缺陷

通过这种方式发布功能的缺陷在于除非有人知道某个特定的接口存在,否则他们可能不会意识到WebDriver支持这种功能,在API的可发掘性上存 在缺憾。当然在WebDriver刚发布的时候,我们会投入大量时间来指导人们找到合适的接口。现在我们已经花费大量精力来编写文档,随着API获得广泛 应用,用户会越来越容易的找到所需的文档。

我认为API有一个地方设计的非常差。我们有一个接口称为RenderedWebElement,其中包含一些奇怪的方法来查询元素的渲染状态 (isDisplayed、getSize和getLocation),执行操作(hover和拖拽方法),而且还提供方法获取特定CSS属性的值。创建 它的原因是HtmlUnit驱动没有提供所需的信息,但是Firefox和IE驱动提供了。它最初只有一部分方法,后来我经过苦苦思索又增加了其他方法。 这个接口目前众所周知,艰难的选择在于是否保持API的丑陋之处,或者删除它。我更倾向于不要遭遇“破窗”理论,因此,在Selenium 2.0发布之前修补它非常重要。结果就是,在你读到这些文字时,RenderedWebElement可能已经消失了。

从实现者的观点来看,紧密绑定浏览器也是一种设计缺陷,虽然无法避免。支持新浏览器时需要投入巨大的努力,经常需要数次尝试才能找到正确方法。具体的例子就是,Chrome驱动经过了四次完全重写,IE驱动也有三种关键重写。紧密绑定浏览器的优点在于它提供了更多控制权。

布局和Javascript

浏览器自动化工具基本上由三部分构成:

  • 与DOM交互的方法
  • 执行Javascript的机制
  • 一些模拟用户输入的办法

本节重点介绍第一部分:提供与DOM交互的机制。浏览器的办法是通过Javascript,所以看起来与DOM交互的理想语言也是它。虽然这种选择似乎显而易见,但是在考虑Javascript时需要平衡一些有趣的挑战和需求。

像多数大型项目一样,Selenium使用了分层的库结构。底层是Google的Closure库,提供原语和模块化机制来协助源文件保持精简。在 此之上,有一个实用工具库,提供的函数包括简单的任务,如获取某个属性值、判断某个元素是否对用户可见,还包括更加复杂的操作,如通过合成事件模拟用户点 击。在项目中,这些被视为提供最小单元的浏览器自动化,因此称之为浏览器自动化原子(Browser Automation Atom)。最后,还有适配层来组合这些原子单元以满足WebDriver和Core的API协议。

图 3:Selenium Javascript库的层次结构

选择Closure库基于几种原因。主要理由是Closure编译器理解库使用的模块化技术。Closure编译器的目标是输出 Javascript。“编译”可以简单到按照依赖顺序查找输入文件、串联并漂亮的打印出来,也可能复杂到进行精细的改动和删除死代码。另一种不可否认的 优势是团队中采用Javascript编程的几位成员对Closure库非常熟悉。

当需要与DOM交互时,“原子”库的代码会被用于项目中的各个角落。对于RC和那些大部分由Javascript编写而成的driver来说,这些 库被直接使用,通常编译为单个巨大的脚本。对于采用Java编写的driver,来自WebDriver适配层的各个函数在编译的时候会启用完整优化,生 成的Javascript在JAR中作为资源包含进来。对于采用C语言编写的driver,如iPhone IE驱动,不仅各个函数被通过完整优化来编译,而且生成的输出文件被转换成定义在头文件中的常量,通过driver的正常Javascript执行机制来 执行。虽然这看起来有些奇怪,但是这种做法使Javascript放在底层驱动中,无须在各处暴露原始的代码。

因为原子库应用广泛,所以在不同浏览器之间确保一致的行为是可行的,因为库采用Javascript编写,而且无需提升权限来执行开发周期,所以方 便、快捷。Closure库可以动态加载依赖,因此Selenium开发人员只需编写测试并在浏览器中加载,修改代码并在需要时点击刷新按钮。一旦测试在 浏览器中通过,很容易在另一个浏览器中加载并确保通过。因为Closure库在抽象屏蔽浏览器之间的差异方面做得很好,这就足够在持续构建中在每一种支持 的浏览器中运行测试集以衡量是否通过。

最初Core和WebDriver存在许多相同的代码——通过略微不同的方式执行相同的功能。当我们开始关注原子库时,这些代码被重新梳理,我们努 力找出最合适的功能。毕竟,两个项目都被广泛应用,它们的代码非常健壮,因此把一切都丢掉从零开始不仅浪费而且愚蠢。通过对每个原子库的分析,我们找出了 可以使用的部分。例如,Firefox driver的getAttribute方法从大约50行缩减到几行,包括空白行在内:

FirefoxDriver.prototype.getElementAttribute =
function(respond, parameters) {
var element = Utils.getElementAt(parameters.id, respond.session.getDocument());
var attributeName = parameters.name;
respond.value = webdriver.element.getAttribute(element, attributeName);
respond.send();
};

倒数第二行中,respond.value的赋值调用了原子级的WebDriver库。

原子库是本项目若干架构思想的实际演示。当然,它们满足了API的实现应该倾向于Javascript的需求。更出色的是,用一个库在代码库中分 享,以前一个缺陷需要在多种实现中验证和修复,现在只需在一个地方修改即可,这种做法降低了变化的成本,同时提高了稳定性和有效性。原子库也使项目的“巴 士”因素更优化。因为通常的Javascript单元测试可以用于验证缺陷是否修复,所以参与到开源项目中的障碍要比之前需要了解每一个driver如何 实现的时候更低。

使用原子库还有另外一个好处。模拟现有RC实现但由WebDriver支持的分层对团队尝试以可控的方式迁移到更新的WebDriver API是一种重要的工具。因为Selenium Core是原子化的,所以单独编译每一个函数是可行的,使得编写这种模拟层易于实现而且更准确。

当然,这种做法也存在缺点。最重要的是,把Javascript编译成C常量是一种非常奇怪的事情,它总是阻碍那些想参与C语言编程的项目贡献者。 而且很少有开发人员能够了解所有浏览器并致力于每一种浏览器上运行所有测试——很可能有人会不小心在某处引入回归问题,我们需要花时间找到问题,如果持续 构建很多的话则更需精力。

因为原子库规范了浏览器之间的返回值,所以可能存在意想不到的返回值。例如,考虑如下HTML:

<input name=”example” checked>

checked属性值依赖于使用的浏览器。原子库规范了该值和HTML 5标准中定义的其他Boolean属性为“true”或者“false”。当该原子量被引入代码库后,我们发现有许多地方大家都做了依赖于浏览器的假设 (觉得返回值应该是什么样的)。虽然这些值现在都一致了,但是我们花了很长时间来向社区解释发生了哪些变化以及这样做的原因。

下篇文章将继续深入分析特定浏览器驱动的架构设计,感兴趣的读者可以阅读本书的在线版本和系列文章的上篇

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