基于Appium的UI自动化测试

为什么需要UI自动化测试

移动端APP是一个复杂的系统，不同功能之间耦合性很强，很难仅通过单元测试保障整体功能。UI测试是移动应用开发中重要的一环，但是执行速度较慢，有很多重复工作量，为了减少这些工作负担，提高工作效率，需要引入可持续集成的自动化测试方案。

为什么选择Appium

Appium是一款开源测试工具，可以用来测试安卓/iOS/Windows端的原生应用和Web混合应用。

1. 为了应对快速迭代的移动端应用功能，越来越多的App采用混合模式，即将部分功能交给应用内嵌的Web页面实现。Appium能方便的切换测试原生应用或App内嵌的web页面，对于Hybrid App有很好的支持。

2. Appium使用各个平台自身提供的测试框架，因此无需引入第三方代码或重新打包应用。

   平台	测试框架
   Android 4.2+	UiAutomator/UiAutomator2(默认)
   Android 2.3+	Instrumentation(由Selendroid提供)
   iOS 9.3 以上	XCUITest
   iOS 9.3 以下	UIAutomation

3. Appium在GitHub上开源，维护频率很高，社区也有相对较高的活跃度。在社区的不断努力下，Appium能始终保持兼容最新版本的手机操作系统和官方提供的测试框架，功能也越来越完善，包括基本的log收集、录屏、基于opencv的图像识别等，以及最近版本添加的iOS 13/Android 10支持等；

4. Appium支持通过自定义插件寻找元素，GitHub上也有第三方在开发可用插件，例如基于人工智能的icon识别控件示例工程；也可以自定义插件，使用图像识别、OCR等方式查找页面元素。

使用Cucumber组织case

Appium支持多种编程语言，包括Java、Python等，但是直接使用代码维护case可阅读性较差，学习成本也比较高，引入Cucumber可以使用更接近自然语言的方式组织case。 Cucumber是支持BDD(Behaviour-Driven Development，行为驱动开发)的工具，可以自定义语法规则模版，将文本描述的步骤转为使用代码执行的步骤。 由于Cucumber和Java 8均兼容中文文本编码，因此可以自定义中文操作步骤，比起英文代码更易于理解。以定义一个最基本的点击操作为例，预期的语法规则为"当 点击 [元素名称]"，则可以使用如下定义:

   // Cucumber使用正则表达式匹配引号中的内容作为type参数
   @当("^点击 \"([^\"]*)\"$")
   public void findElementAndClick(String type) throws Throwable {
       // driver为Appium对待测设备的抽象，所有测试步骤最终转为对driver对操作
       // type可以传入元素ID对应的字符串，By.id表示通过元素resource-id查找
       driver.findElement(By.id(type)).click();
   }

编写case时，使用UI自动化测试常用的Page Object设计模式，即为APP中需要测试的UI页面定义一个Page对象，该对象中包含页面上的可操作或可校验元素，并添加常用方法。

以花椒首页为例，可以新建一个名为"首页"的对象，该对象中包含"搜索"、"我的"、"开播"等元素对应的查找方式(例如搜索按钮，对应可用来查找元素的resource-id为com.huajiao:id/main_home_top_search)。由于在搜索页输入用户uid进行搜索是一个常用操作，可以为此定义一个"搜索"方法。 所有测试用例、Page对象、元素、方法都使用测试后台网页进行保存和编辑，并且实现了基本关键词补全功能。

如上定义基本的点击、滑动、输入文本等操作，建立好适当的页面和方法后，一条用例就能转化为与自然相近的case描述(#开头行为注释行):

# "$首页.搜索"表示使用"首页"Page中的"搜索"元素
当 点击 $首页.搜索
# "$搜索.搜索()"表示调用搜索页面的搜索方法，括号内为搜索关键词参数
$搜索.搜索(43011080)
当 断言元素出现 $搜索.搜索结果

编写代码进行复杂的自定义操作

通过Cucumber定义常用操作，如点击、滑动、校验文本等，可以降低编写一条测试用例的工作量，提高测试用例可读性，但并非所有功能都可以使用常用操作的方式。尤其是因为Cucumber只支持一步一步顺序执行指令，无法进行分支或循环指令，因此复杂的操作逻辑需要在自定义步骤中编写代码完成操作。 编写代码部分封装参考Android官方提供的Espresso工程，通过链式调用的方式进行"查找-操作-校验"的流程。

以Android客户端退出登陆为例，点击底部"首页-我的"元素，若当前为未登录状态，则会弹出登陆弹出，此时底部"首页-我的"元素不可见，说明已经是未登录状态。

由于Cucumber顺序执行，无法进行"我的"元素可见时退出登陆，不可见时关闭登陆弹窗，因此需要编写代码自定义退出登陆步骤：

  @当("^退出登录$")
    public void logout() throws Throwable {
        // 点击"首页-我的"
        onView(By.id("com.huajiao:id/bottom_tab_user")).perform(click());
        try {
            // 如果当前用户已登陆，不会弹窗提示登陆，"首页-我的"元素可见
            onView(By.id("com.huajiao:id/bottom_tab_user")).check(matches(isDisplayed()));
            // 调用退出登录的方法
            logOut();
        }
        // 未登录状态，"首页-我的"元素不存在，抛出NoSuchElementException
        catch (NoSuchElementException e) {
            // 点击系统back键关闭登陆弹窗
            onActions().pressKeyCode(AndroidKey.BACK, "").perform();
        }
    }

使用Appium查找UI元素

1. 基本查找方式

   • By.id: 通过元素的resource-id进行查找；
   • MobileBy.AndroidUIAutomator(String code): 通过UIAutomator2的代码文本查找。code为符合UIAutomator2规范的代码文本，Appium会解析文本后使用反射的方式调用UIAutomator2进行查找；如下为使用UiSelector查找文本包含text的元素: String code = "new UiSelector().textContains(\"" + text + "\");";

2. xpath查找元素
   xpath可以用来在XML文档中查找元素和属性。Appium和谷歌官方提供的uiautomatorviewer工具获取元素都是xml形式组织的，xpath可以精准定位仅靠By.id、By.className无法定位的元素：

   • 文案是"TEXT"元素的兄弟元素，该兄弟元素的resource-id是"ID"：

     xpath://*[@text='TEXT')]/../android.widget.TextView[@resource-id='ID']

   • resource-id是"ID"且选中状态元素的子元素，该子元素的attr属性为value： xpath://*[@resource-id='ID' and @selected='true']/*[@attr='value']

   虽然xpath方式查找元素更精准，但是元素的路径可能受到布局改动的影响，且在iOS上性能不佳，因此推荐优先使用resource-id等方式组合定位元素

3. 图像识别查找元素
   Appium在By Selector级别支持按照图片查找By by = MobileBy.image(base64ImageString)。目前不支持多元素查找，只返回第一个查找到的元素。
   让Appium支持图片查找，需要一点前期准备工作：

   1. 安装NodeJS版本的OpenCV库：npm install -g opencv4nodejs

   2. Appium中配置相关参数：

      // 设置图片识别阈值，默认0.4。需要尝试在找不到元素和找到不匹配元素间的平衡
      driver.setSetting(Setting.IMAGE_MATCH_THRESHOLD, 0.5);
      // 图片识别耗时较长，可以在操作元素对时候不再次查找图片，以节省时间
      driver.setSetting(Setting.CHECK_IMAGE_ELEMENT_STALENESS, false);

StaleElementReferenceException: Appium查找到元素，之后尝试操作元素时，若元素已经不在当前页面DOM资源上时会抛出StaleElementReferenceException异常。 Appium使用UIAutomator2查找元素时，会保留元素的缓存，对元素进行操作时，会直接把缓存的信息交给UIAutomator2进行点击、滑动等操作。

• 实际测试过程中，可能出现步骤：A页面跳转B页面；在B页面点击元素el。而A、B两个页面都有与el相同ID的元素，在B页面上尝试操作元素el的时候，Appium直接使用了A页面的缓存，此时会出现StaleElementReferenceException；
• 由于Appium采用HTTP请求查找和操作元素，因此查找元素和操作元素实际流程是：POST查找元素->server缓存元素->POST操作缓存的元素，有时间间隔。在网络请求期间如果出现APP端弹窗等元素遮挡，也可能导致StaleElementReferenceException。

整体工作流程

1. htest client客户端获取打包安卓打包服务器下载列表，从中筛选出最新的APK安装包版本。如果有高于手机端的最新版本，则覆盖安装手机端花椒APP，并自动触发BVT测试用例执行(执行单个case时直接从测试平台网页端触发)；
2. 测试平台选出Cucumber描述的BVT用例集，同时查找Page页面，转义用例步骤的元素和方法，替换为客户端可使用的元素定位符(id:开头表示通过resource-id查找，text:开头表示通过文本内容查找)，通过HTTP请求返回给客户端(执行单个case时使用socket方式发送)。

3. 执行测试用例过程中，可能在查找元素时恰好遇到手机端弹窗盖住花椒APP元素等情况，因此在执行测试用例过程中，会检测手机端可能出现的、非测试步骤中预期的弹窗，包括首充弹窗、开播礼物下载弹窗等，关闭弹窗后再次查找元素；

   
4. htest client初始化Appium driver，以Appium作为代理连接手机，并在手机端执行测试用例中的基本操作；
5. 如果执行测试用例失败，会尝试重新执行失败的用例，如果再次失败，会收集手机端日志、保存截图和录屏，并将失败日志返回保存到测试平台中, 执行单个case时使用socket发送执行结果, 结果通过htest Server回传给测试平台进行展示， 如果bvt时，则通过接口回传结果数据

使用测试平台网页端单次执行测试用例:

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按模块划分，整个框架分为：

1. 测试平台: 网页端，用于保存、编辑基于Cucumber的测试用例，管理Page页面，解析用例中的元素，将转义后的用例发送给客户端，展示客户端实际执行结果；

2. htest server: Java中间件，使用的netty框架, 负责转发socket消息，即测试平台通知客户端执行用例消息，和客户端执行结果返回测试平台。 使用：

   • 在htest中server端netty的启动com.htest.server.server.BaseServer

     @Overridepublic void run() {
         if (bossGroup == null) {
             bossGroup = new NioEventLoopGroup();
             model.setBossGroup(bossGroup);
         }
         if (workerGroup == null) {
             workerGroup = new NioEventLoopGroup();
             model.setWorkGroup(workerGroup);
         }
         ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
         b.group(model.getBossGroup(),model.getWorkGroup())
             .channel(NioServerSocketChannel.class)
             .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)
             .option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
             .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
             .childHandler(getChildHandler());
         try {
             future = b.bind(SERVER_IP, getPort()).sync();
             LOGGER.debug("服务启动成功 ip={},port={}",SERVER_IP, getPort());
             future.channel().closeFuture().sync();
         } catch (Exception e) {
             LOGGER.error("Exception{}", e);
         } finally {
             Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread() {
                 @Override public void run() {
                     shutdown();
                 }
             });
         }
     }

   • HttpServer、JarServer、WebsocketServer都是相同的启动方式，区别在于他们监听的端口不同，处理数据的handler不同

   • HttpServer的处理器是com.htest.server.handler.ServerHttpHandler，处理消息是按照http协议处理的

     @Override
     protected void messageReceived(ChannelHandlerContext ctx, HttpRequest request) {
         try {
             this.request = request; headers = request.headers();
             if (request.method() == HttpMethod.GET) {
                 QueryStringDecoder queryDecoder = new
                     QueryStringDecoder(request.uri(), Charset.forName("utf-8"));
                 Map<String, List<String>> uriAttributes = queryDecoder.parameters(); //此处仅打印请求参数（你可以根据业务需求自定义处理）
                 for (Map.Entry<String, List<String>> attr : uriAttributes.entrySet()){
                     for (String attrVal : attr.getValue()) {
                         Logs.HTTP.debug(attr.getKey() + "=" + attrVal);
                     }
                 }
             }
             if (request.method() == HttpMethod.POST) {
                 fullRequest = (FullHttpRequest) request;
                 //根据不同的 Content_Type 处理 body 数据
                 dealWithContentType();
             }
             keepAlive = HttpHeaderUtil.isKeepAlive(request);
             writeResponse(ctx.channel(), HttpResponseStatus.OK, "开始执行", keepAlive);
         } catch (Exception e) {
             writeResponse(ctx.channel(), HttpResponseStatus.INTERNAL_SERVER_ERROR, "启动失败", true);
         }
     }

     JarServer的处理器是com.htest.server.handler.ServerHandler，处理消息是按照protobuf格式处理的

   • @Override
     protected void handleData(ChannelHandlerContext ctx, MessageModel.Message msg) {
         Connection connection = server.getConnectionManager().get(ctx.channel());
         connection.updateLastReadTime();
         server.getMessageReceiver().onReceive(msg, connection);
     }

   • WebsocketServer的处理器是com.htest.server.handler.ServerChannelHandler，它也是按照protobuf格式处理消息的，跟HttpServer不同之处在于他们的ChannelInitializer不同

3. htest client: Java客户端，用于定义Cucumber步骤，更新手机APK，初始化Appium，执行测试用例； 使用方式：在pc端命令行中执行java -jar htest-client.jar，pc端需要有Appium和nodejs opencv环境，通过yaml配置文件控制执行测试过程中端参数。 具体工作方式如下:

   • 功能：该jar支持定时检查最新apk功能，默认是不开启的，通过yaml文件配置是否开启。如果发现有最新apk，会自动安装到手机，并给web服务器（管理自动化case的测试平台）发送一次请求，触发一次指定模块case集执行。
   • 下载策略：该系统默认只下载最新的apk，如果本地yaml配置文件中的apkVersion值比服务器上的apkVersion值。如果比服务器的小，则不下载。
   • 安装策略：下载完成后首先会比对手机中的apk的versionName(通过aapt解析出来的)与下载的apk的versionName大小，如果下载的apk新，则进行安装，否则不安装。也可以配置参数安装到指定的手机，如果只有一台手机则不用配置参数。
   • 安装完成后会自动更新apkVersion的值，用于下次的判断。
   • 安装完成后会向web服务器发送http请求，web服务器收到后会触发一次，派发给当前手机case集任务，具体case集模块由models参数配置，结果邮件接收人通过mails配置。

4. Appium: NodeJS客户/服务端，用于连接手机，通过UIAutomator2/XCUITest，在手机端执行获取元素/点击/滑动等基本操作；
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