第
5
章
黑盒测试
本章内容
.黑盒测试方法的基本概念
.等价类划分
.边界值分析
.因果图
.判定表
学习目标

(1)理解黑盒测试方法的基本概念。
(2)了解黑盒测试的常用策略。
(3)掌握黑盒测试中等价类划分、边界值分析、因果图、判定表驱动测试技术。
(4)理解黑盒测试中等价类划分和边界值分析、因果图和判定表之间的区别
和联系。
(5)根据规格说明运用等价类划分和边界值分析方法进行测试用例设计。
(6)根据规格说明运用因果图和判定表方法进行测试用例设计。
..5.1 
黑盒测试基本概念

黑盒测试是一种从软件外部对软件实施的测试,也称功能测试、数据驱动测
试或基于规格说明的测试。其基本观点是:任何程序都可以看作是从输入定义域
到输出值域的映射,将被测程序看作一个打不开的黑盒,黑盒里面的内容(实现)
是完全不知道的,也不关心黑盒里面的结构,只知道软件要做什么,只关心软件的
输入数据和输出结果。

黑盒测试用来检测每个功能是否都能正常使用。在测试中,在完全不考虑程
序内部结构和内部特性的情况下,在程序接口进行测试,它只检查程序功能是否
按照需求规格说明书的规定正常使用,程序是否能适当地接收输入数据而产生正
确的输出信息。因此,黑盒测试着眼于程序外部结构,主要针对软件界面和软件
功能进行测试。如果外部特性本身设计有问题或规格说明的规定有误,用黑盒测
试方法是发现不了的。

黑盒测试是以用户的角度,从输入数据与输出数据的对应关系出发进行测试
的,能更好、更真实地从用户角度来考察被测系统的功能性需求实现情况。黑盒


第5章黑盒测试61
测试方法在软件测试的各个阶段,如单元测试、集成测试、系统测试及验收测试等阶段中都
发挥着重要作用,尤其在系统测试和确认测试中,其作用是其他测试方法无法取代的。
黑盒测试方法把产品软件想象成一个只有出口和入口的黑盒,在测试过程中,只需要知
道向黑盒输入什么,黑盒会产生什么结果。因此,黑盒测试方法是在程序接口上进行的测
试,主要是为了发现以下错误。
(1)是否有功能错误,是否有功能遗漏。
(2)是否能够正确地接收输入数据并产生正确的输出结果。
(3)是否有数据结构错误或外部信息访问错误。
(4)是否有程序初始化和终止方面的错误。
黑盒测试方法主要有等价类划分法、边界值分析法、错误推测法、因果图法、判定表驱动
法、正交实验设计法、功能图法、场景法等。

..5.2 
等价类划分

“黑盒”方法是详尽的输入测试,只有当所有可能的输入都用作测试条件时,才能以这种
方式检测程序中的所有错误。理想的测试,是从所有可能的输入中找出代表性输入数据,力
求使用最少的测试数据,发现尽可能多的缺陷,达到最好的测试质量。

确定这样的输入子集需要借助测试用例的两个特性:测试用例数量达到最少;某个测
试用例要能覆盖大部分其他测试用例。第二个特性就暗示我们,应该尽量将程序输入范围
进行划分,将其划分为有限数量的等价类,这样就可以合理地假设测试每个等价类的代表性
数据等同于测试该类的其他任何数据。这两种特性形成了称为等价类划分的黑盒测试
方法。

等价类是指某个输入测试的子集合,等价类划分就是根据需求规则把输入域划分为不
同的子集合,如图5-1所示。在该子集合中,各个输入数据对于揭露程序中的错误都是等效
的,并合理地假定:测试某等价类的代表值就等于对这一类其他值的测试。因此,可以把全
部输入数据合理划分为若干等价类,在每一个等价类中取一个数据作为测试的输入条件,就
可以用少量代表性的测试数据,取得较好的测试结果。

黑盒测试方法不仅要测试所有合法的输入,还要测试那些非法但可能的输入。因此,等
价类划分可有两种不同的情况:有效等价类和无效等价类。


62软件质量保证与测试(微课版) 
图5-1等价类划分
(1)有效等价类:有效等价类就是有效值的集合,它们是符合程序要求、合理且有意义
的输入数据。
(2)无效等价类:无效等价类就是无效值的集合,它们是不符合程序要求、不合理或无
意义的输入数据。
例如,某需求规格说明书对某功能的规定:红酒单价500 元一瓶,每次最多购买100 
瓶,购买数量在50 瓶以上时450 元一瓶。
此时,决定红酒价格的就是购买数量,50 瓶以内还是50 瓶以上。因此,在限制输入数
据是正整数的前提下,可以划分(0,50 ) 、[50,100]两个有效等价类,以及(100,-)一个无效
等价类。黑盒测试时,可以分别从(0,50 ) 、[50,100]两个数据区间选择代表性数据作为有效
输入数据,例如25,75;从(100,-)数据区间选择代表性数据作为无效输入数据,例如150 。
从上面的简单示例中可以看出,等价类划分法主张从大量的数据中选择一部分数据用
于测试,即尽可能使用最少的测试用例覆盖最多的数据,以发现更多的软件缺陷。该方法背
后的假设是,如果某个等价类中的一个条件/值通过,则所有其他条件/值也将通过。同样, 
如果某个等价类中的一个条件失败,则该等价类中的所有其他条件都将失败。
了解了有效等价类与无效等价类,那么如何划分等价类呢? 

2.等价类划分原则
5.1 

在给定了输入或外部条件之后,等价类的划分原则如下。

(1)按照区间划分:如果程序要求输入值是一个有限区间的值,则可以将输入数据划
分为一个有效等价类和两个无效等价类,有效等价类为指定的取值区间,两个无效等价类分
为有限区间两边的值。
例如,某程序要求输入值
x 
的范围为[1,100], 则有效等价类为1≤x≤100,无效等价类
为x<1 和x>100 。

(2)按照数值集合划分:如果程序要求输入的值是一个“必须成立”的情况,则可以将
输入数据划分为一个有效等价类和一个无效等价类。例如,某程序要求密码正确,则正确的
密码为有效等价类,错误的密码为无效等价类。
例如,某程序要求输入数据
x 
必须属于固定的枚举类型{1,9,15}, 且对这三个值做统
一处理,则可以划分一个有效等价类x=1,9,15 和一个一个无效等价类x≠1,9,15 的输入
值集合。

(3)按照数值划分:如果程序要求输入的值是一组数据,并且程序要对每一个输入值
分别进行处理的情况,则可以将输入数据划分为
n 
个有效等价类(每个输入值确定一个有
效等价类)和一个无效等价类(所有不允许的输入值的集合)。
例如,某程序要求输入数据
x 
必须属于固定的枚举类型{1,9,15}, 且对这三个值分别


第5章黑盒测试63
进行了处理,则可以划分三个有效等价类x=1,x=9,x=15 和一个1个无效等价类x≠1, 
9,15 的输入值集合。
(4)按照规则划分:如果程序要求输入数据是一组可能的值,或者要求输入值必须符
合某个条件,则可以将输入的数据划分为一个有效等价类和一个无效等价类。
例如,某程序要求输入数据必须是以数字开头的字符串,则以数字开头的字符串是有效
等价类,不是以数字开头的字符串是无效等价类。
(5)细分等价类:如果在某一个等价类中,每个输入数据在程序中的处理方式都不相
同,则应将该等价类划分成更小的等价类,并建立等价表。
同一个等价类中的数据发现程序缺陷的能力是相同的,如果使用等价类中的一个数据
不能捕获缺陷,那么使用等价类中的其他数据也不能捕获缺陷;同样,如果等价类中的一个
数据能捕获缺陷,那么该等价类中的其他数据也能捕获缺陷,即等价类中的所有输入数据都
是等效的。
5.2.2多变量的等价类划分组合
正确地划分等价类可以极大地降低测试用例的数量,测试会更准确有效。划分等价类
时,要认真分析、审查划分,过于粗略的划分可能会漏掉软件缺陷。如果错误地将两个不同
的等价类当作一个等价类,则会遗漏测试情况。例如,某程序要求输入取值范围为1~100 
的整数,若一个测试用例输入了数据0.6,则在测试中很可能只检测出非整数错误,而检测不
出取值范围的错误。
在输入域包含多个变量时,首先需要针对每个变量划分等价类,然后根据不同变量等价
类的组合设计测试用例。此时,根据测试用例的完整性可以划分为弱等价类测试和强等价
类测试;根据是否考虑到无效等价类的情况划分为一般等价类和健壮等价类。组合起来,测
试用例的完整性可以分为以下四种情况。

(1)弱一般等价类测试:遵循单缺陷原则,要求用例覆盖每一个变量的一种取值即可, 
取值为有效值。如图5-2所示,图中假设函数y=f(x1,x2)输入变量的取值范围分别为: 
x1∈[x2∈[f] e
b,或x1∈[d],]。

a,b]或x1∈[c] c,g,或x2∈[f,

(2)弱健壮等价类测试:在弱一般等价类的基础上,增加取值为无效值的情况。为每
个变量的每个无效等价类设计一个无效测试用例,其余变量的取值保持在有效范围内,如图
5-3所示,其中,实心小圆圈代表有效等价类用例,空心小圆圈代表无效等价类用例。
(3)强一般等价类测试:遵循多缺陷原则,要求测试用例覆盖每个变量的每种有效取
值之间的笛卡儿积,即所有变量所有有效取值的所有组合,如图5-4所示,变量x1 有3个有效
等价类,变量x2 有2个有效等价类,那么应设计3×2 共6个用例覆盖所有的有效等价类
组合。
图5-
2 
弱一般等价类测试用例图5-
3 
弱健壮等价类测试用例图5-
4 
强一般等价类测试用例


64软件质量保证与测试(微课版) 
图5-5强健壮等价类测试用例
(4)强健壮等价类测试:在强一般等价类的基础上,增
加取值为无效值的情况。要求测试用例覆盖每个变量的每
种等价(有效和无效)取值之间的笛卡儿积,即所有变量所
有等价(有效和无效)取值的所有组合,如图5-5所示,变量
x1 有3个有效等价类和2个无效等价类,变量x2 有2个有
效等价类和2个无效等价类,那么应设计(3+2)×(2+2)
共20 个用例覆盖所有的等价类组合。
5.2.3等价类划分测试
用等价类划分方法进行黑盒测试用例设计时,首先应该根据需求说明进行等价类划分; 
其次为有效等价类设计测试用例;最后为无效等价类设计测试用例。
在设计等价类设计测试用例时,通常遵循以下原则。
(1)为每一个等价类规定一个唯一的编号。
(2)设计一个新的测试用例,使其尽可能多地覆盖尚未被覆盖的有效等价类,重复这一
步,直到所有的有效等价类都被覆盖为止。
(3)设计一个新的测试用例,使其仅覆盖一个尚未被覆盖的无效等价类,重复这一步, 
直到所有的无效等价类都被覆盖为止。
例5-1电话号码问题的等价类划分测试。
某城市电话号码由三部分组成:①地区码,空白或三位数字;②前缀,不能是以1和2 
开头的三位数字;③后缀,4位数字。

解答: 

(1)划分等价类。此例中,可以把输入数据看作由地区码、前缀和后缀3个变量组成。
根据需求说明划分为如表5-1所示的等价类。
表5-
1 
某城市电话号码的等价类划分

输入条件有效等价类无效等价类
(1)空白(5)有非数字字符
地区码(2)3位数(6)少于3位数
(7)多于3位数
(3)200~999 的数字(8)有非数字字符
(9)起始位为0 
前缀(10)起始位为1 
(11)少于3位数
(12)多于3位数
(4)4位数字(13)有非数字字符
后缀(14)少于4位数
(15)多于4位数


第5章黑盒测试65(2)为有效等价类和无效等价类编写测试用例。
根据多变量等价类划分组合,为有效等价类编写测试用例时有以下4种选择。
①弱一般等价类用例。
使用最少测试用例覆盖每个有效等价类。在例5-1中弱一般等价类的用例设计如表5-2 
所示。
表5-2弱一般等价类用例设计
用例编号
输入
地区码前缀后缀
预期输出覆盖有效等价类
1 空白300 1111 有效(1)(3)(4) 
2 232 555 2222 有效(2)(3)(4) 
②弱健壮等价类用例。
在弱一般等价类的基础上,增加取值为无效值的情况。对于无效输入,测试用例将拥有一个
无效值,并保持其余的值是有效的。在例5-1中弱健壮等价类的用例设计如表5-3所示。
表5-3弱健壮等价类用例设计
用例编号
输入
地区码前缀后缀
预期输出覆盖有效等价类
1 空白300 1111 有效(1)(3)(4) 
2 232 555 2222 有效(2)(3)(4) 
3 321 123 4006 无效(5)(3)(4) 
4 11 122 6330 无效(6)(3)(4) 
5 1235 133 6550 无效(7)(3)(4) 
6 空白331 1234 无效(1)(8)(4) 
7 空白033 3344 无效(1)(9)(4) 
8 333 144 3232 无效(2)(10)(4) 
9 444 14 3443 无效(2)(11)(4) 
10 555 1444 5201 无效(2)(12)(4) 
11 空白255 4651 无效(1)(3)(13) 
12 321 456 652 无效(2)(3)(14) 
13 354 965 6422 无效(2)(3)(15) 
③强一般等价类用例。
强一般等价类是基于多缺陷假设,强一般等价类的测试用例是要覆盖每个有效等价类
取值的笛卡儿积,即在有效等价类取值的所有组合。本例中强一般等价类测试用例的组合
个数是2×1×1=2,与弱一般等价类测试用例没有区别。

66软件质量保证与测试(微课版) 
④强健壮等价类用例。
在强一般等价类的基础上,增加取值为无效值的情况,也是运用笛卡儿积思路得出测试
用例。测试用例个数有(2+3)×(1+5)×(1+3)=5×6×4=120(个), 用例数量太多,就不
一一列出来了。
例5-1从四个不同方面来思考怎样设计等价类测试用例,实际工作中应该根据测试项
目需求选择其中一种等价类测试用例进行测试。例如,如果测试的是核心模块,可以选择强
健壮等价类测试用例进行测试;如果测试的是重要非核心模块,可以选择强一般等价类测试
用例进行测试。本书中如果没有特殊说明,默认只进行强一般等价类测试用例设计。
知识拓展
使用等价类划分法设计测试用例的重点在于划分有效等价类和无效等价类粗细的粒
度。粒度越粗,设计测试用例越少,粒度越细,设计测试用例越多。相对来说,粒度越细,越
能发现更多问题。
例5-2-1NextDate函数的等价类划分测试。
NextDate函数包含三个变量:month、day和year,函数的输出为输入日期后一天的日期。
例如,输入为2020 年3月7日,则函数的输出为2020 年3月8日。要求输出变量month、day
和year均为整数值,并且满足下列条件:1≤month≤12,1≤day≤31,1920≤year≤2050 。
解答: 
该函数的主要特点是输入变量之间的逻辑关系比较复杂,变量year和变量month取不
同值时,对应的变量day会有不同的取值范围,或1~30 或1~31 或1~28 或1~29 。

(1)划分等价类。
等价关系的要点是:等价类中的元素要被“同样处理”,此例中月中、月末、年末被“同样
处理”。因此,更详细的有效等价类如下。
变量month:M1={month:month有30 天}、M2={month:month有31 天,除去12 
月}、M3={month:month是2月}、M4={month:month是12 月}。
变量day:D1={day:1≤day≤28 }、D2={day:day=29 }、D3={day:day=30 }、D4= 
{day:day=31 }。
变量day:Y1={year:year是闰年}、Y2={year:year是平年}。

(2)为有效等价类和无效等价类编写测试用例。
本例中只进行强一般等价类测试用例设计。强一般等价类要做独立性假设,以等价类
的笛卡儿积表示。在本问题中,变量month等价类数量为4、变量day等价类数量为4、变
量year等价类数量为2,故强一般等价类测试用例数量为4×4×2=32,如表5-4所示。

从表5-4中可以看到,NextDate函数对输入日期的输出处理主要有以下三种情况。

表5-
4 
NextDate函数的强一般等价类用例设计

用例编号
输入
预期输出覆盖有效等价类
year 
month 
day 
1 1999 4 15 1999-4-16 Y1M1D1 
2 1999 4 29 1999-4-30 Y1M1D2 


续表
第5章黑盒测试67
用例编号
输入
yearmonthday
预期输出覆盖有效等价类
3 1999 4 30 1999-5-1 Y1M1D3 
4 1999 4 31 无效Y1M1D4 
5 1999 1 15 1999-1-16 Y1M2D1 
6 1999 1 29 1999-1-30 Y1M2D2 
7 1999 1 30 1999-1-31 Y1M2D3 
8 1999 1 31 1999-2-1 Y1M2D4 
9 1999 2 15 1999-2-16 Y1M3D1 
10 1999 2 29 无效Y1M3D2 
11 1999 2 30 无效Y1M3D3 
12 1999 2 31 无效Y1M3D4 
13 1999 12 15 1999-12-16 Y1M4D1 
14 1999 12 29 1999-12-30 Y1M4D2 
15 1999 12 30 1999-12-31 Y1M4D3 
16 1999 12 31 2000-1-1 Y1M4D4 
17 2000 4 15 2000-4-16 Y2M1D1 
18 2000 4 29 2000-4-30 Y2M1D2 
19 2000 4 30 2000-5-1 Y2M1D3 
20 2000 4 31 无效Y2M1D4 
21 2000 1 15 2000-1-16 Y2M2D1 
22 2000 1 29 2000-1-30 Y2M2D2 
23 2000 1 30 2000-1-31 Y2M2D3 
24 2000 1 31 2000-2-1 Y2M2D4 
25 2000 2 15 2000-2-16 Y2M3D1 
26 2000 2 29 2000-3-1 Y2M3D2 
27 2000 2 30 无效Y2M3D3 
28 2000 2 31 无效Y2M3D4 
29 2000 12 15 2000-12-16 Y2M4D1 
30 2000 12 29 2000-12-30 Y2M4D2 
31 2000 12 30 2000-12-31 Y2M4D3 
32 2000 12 31 2001-1-1 Y2M4D4 

68 
软件质量保证与测试(微课版) 

非月末:变量day+1 作为输出日期。
月末:变量month+1 、变量day+1 作为输出日期。
年末:变量year+1 、变量month=1、变量day=1作为输出日期。
表5-4中仍然存在不足。
首先,变量day的等价类D1={day:1≤day≤28}划分没有考虑到闰年和平年2月份月

末日期的不同和因此造成的输出处理差别。例如,1999 年2月28 日是月末,NextDate函数
的输出是1999-3-1;而2000 年2月28 不是月末,NextDate函数的输出是1999-2-29 。

其次,变量day的等价类D2={day:day=29}的划分仅对2月份的输出处理有意义,对
于其他月份来说,D2 和D1 的处理无差别,这造成了部分冗余。例如,表5-4中第18 行和第
17 行一样是非月末,NextDate函数的输出处理也是一样的,因此属于冗余。类似地,变量
day的等价类D3={day:day=30}的划分仅对M1={month:month有30 天}的输出处理
有意义,对M2={month:month有31 天,除去12 月}和M4={month:month是12 月}来
说,D3 和D1 的处理无差别,这同样造成了部分冗余。例如,表5-4中第23 行和第22 行一
样是非月末,NextDate函数的输出处理也是一样的,属于冗余。

最后,对于2月份来说,NextDate函数对变量day的等价类D3={day:day=30 }、
D4={day:day=31}划分的输出处理也是一样的,也属于冗余,例如,表5-4中第12 行和第
11 行一样是超过2月份日期范围的非法输入,NextDate函数的输出处理也是一样的,属于
冗余。

针对上述问题,我们增加非闰年和闰年2月28 日的测试用例(第33 和34 行), 并删除
掉表5-4中的10 个冗余用例(第2、6、7、14 、15 、18 、22 、23 、30 和31 行), 最终生成24 个测试
用例,结果如表5-5所示。

表5-
5 
NextDate函数强一般等价类用例设计优化

用例编号
输入
预期输出覆盖有效等价类
year 
month 
day 
1 1999 4 15 1999-4-16 Y1M1D1 
3 1999 4 30 1999-5-1 Y1M1D3 
4 1999 4 31 无效Y1M1D4 
5 1999 1 15 1999-1-16 Y1M2D1 
8 1999 1 31 1999-2-1 Y1M2D4 
9 1999 2 15 1999-2-16 Y1M3D1 
10 1999 2 29 无效Y1M3D2 
11 1999 2 30 无效Y1M3D3 
12 1999 2 31 无效Y1M3D4 
13 1999 12 15 1999-12-16 Y1M4D1 
16 1999 12 31 2000-1-1 Y1M4D4 
17 2000 4 15 2000-4-16 Y2M1D1 


第5章黑盒测试69 

续表

用例编号
输入
预期输出覆盖有效等价类
year 
month 
day 
19 2000 4 30 2000-5-1 Y2M1D3 
20 2000 4 31 无效Y2M1D4 
21 2000 1 15 2000-1-16 Y2M2D1 
24 2000 1 31 2000-2-1 Y2M2D4 
25 2000 2 15 2000-2-16 Y2M3D1 
26 2000 2 29 2000-3-1 Y2M3D2 
27 2000 2 30 无效Y2M3D3 
28 2000 2 31 无效Y2M3D4 
29 2000 12 15 2000-12-16 Y2M4D1 
32 2000 12 31 2001-1-1 Y2M4D4 
33 1999 2 28 1999-3-1 Y1M1D1 
34 2000 2 28 2000-2-29 Y2M1D1 

..5.3 
边界值分析

边界值分析(BoundaryValueAnalysis)是一种通过选择等价类边界值设计测试用例的
方法。边界值分析法不仅重视输入条件边界,而且必须考虑输出域边界。边界值分析方法
是对等价类划分方法的补充。

长期的测试工作经验告诉我们,大量的错误是发生在输入或输出范围的边界上,而不是
发生在输入或输出范围的内部。因此针对各种边界情况设计测试用例,可以查出更多的
错误。

使用边界值分析方法设计测试用例时,应首先确定边界情况。通常输入和输出等价类
的边界,就是应着重测试的边界情况。边界值分析方法通常选取正好等于、刚刚大于或刚刚
小于边界的值作为测试数据,而不是选取等价类中的典型值或任意值作为测试数据。

一般来说,基于边界值分析方法选择测试用例的原则如下。

(1)如果输入条件规定了值的范围,则应取刚达到这个范围的边界的值,以及刚刚超越
这个范围边界的值作为测试输入数据。
例如,两位整数加法器数的范围是[-99,99], 则应测试边界数值-99,-98,-100 和
99,98,100 。

(2)如果输入条件规定了值的个数,则用最大个数、最小个数、比最小个数少1、比最大
个数多1的数作为测试数据。
例如,姓名要求包括1~20 个字符,则需要测试姓名包括1个字符、0个字符、2个字符、
20 个字符、19 个字符、21 个字符的情况作为边界值测试。