Systematic Test Design

ユニットテストとPBT（Property-Based Testing）を組み合わせた成果物ベースのテスト設計スキル。 「脳を使う場所」を原因推理からプロパティとジェネレータの設計へ移動させる。

核心思想: ユニットテストとPBTの役割分担

ユニットテスト	PBT
仕様の杭	仕様の周辺と盲点の探索
具体例で「これが正しい」を固定	例示しにくい入力空間を広く探索
期待値が明確なケース	反例が出たらshrinkして理解可能に
失敗したら即座に意味が分かる	見つけた反例はユニットテストへ回収

重要: PBTが見つけた反例をユニットテストへ回収しないと、運用が"浪費"になる。

ELDとの関係

ELD Loop: Sense → Model → Predict → Change → Ground → Record
                                              ↑
                      test-design-audit + systematic-test-design
                                              ↑
                      Law/Term → ユニットテスト + プロパティ → 反例回収

本スキルはELDのGroundフェーズで/test-design-auditと連携し、 Law/Termをユニットテストとプロパティに変換する。

4つの成果物

成果物	役割	ファイル
ユニットテスト	仕様の杭（例ベース）	tests/unit/
プロパティカタログ	探索の骨格（性質列挙）	tests/pbt/properties.yaml
ジェネレータ群	探索のエンジン	tests/pbt/generators/
反例コーパス	反例の資産化	tests/pbt/counterexamples/

ワークフロー

Phase 1: Law/Termからテスト対象を特定
    ↓
Phase 2: ユニットテスト設計（典型例・境界例・回帰例）
    ↓
Phase 3: プロパティ分類（7カテゴリ）
    ↓
Phase 4: ジェネレータ設計（意地悪レベル）
    ↓
Phase 5: PBT実行＋反例収集
    ↓
Phase 6: 反例の回帰テスト化（ユニットテストへ回収）
    ↓
Phase 7: 意地悪レベル上昇（ループ）

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Phase 1: Law/Termからテスト対象を特定

ELDのLaw/Termをテスト対象として整理する。

Law種別とテスト対応

Law種別	ユニットテスト	PBTプロパティ
Invariant	代表例で確認	不変条件プロパティ
Pre	違反時の拒否を確認	堅牢性プロパティ
Post	出力の正しさを確認	不変条件/参照モデル
Policy	ルール適用例を確認	代数的性質/メタモルフィック

Term要素とテスト対応

Term要素	ユニットテスト	PBTプロパティ
境界	min/max/空の具体例	境界ジェネレータ
観測写像	encode/decode例	ラウンドトリップ
状態遷移	遷移パス具体例	状態機械プロパティ

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Phase 2: ユニットテスト設計

ユニットテストは3種類に分類して設計する。

2-1. 典型例（Representative Examples）

目的: 仕様の「これが正しい」を杭として固定

# LAW-auth-valid-credential の典型例
def test_login_success_with_valid_credentials():
    """正しい認証情報でログイン成功"""
    result = auth.login(username="valid_user", password="correct_password")
    assert result.success is True
    assert result.session_token is not None

def test_login_failure_with_wrong_password():
    """誤ったパスワードでログイン失敗"""
    result = auth.login(username="valid_user", password="wrong_password")
    assert result.success is False
    assert result.error_code == "INVALID_CREDENTIALS"

選定基準:

• 最も一般的なユースケース
• ドキュメントに記載されている例
• ユーザーが最初に試すであろう操作

2-2. 境界例（Boundary Examples）

目的: 境界条件での正しさを固定

# TERM-password (8-256文字) の境界例
def test_password_min_length():
    """最小長（8文字）のパスワードは有効"""
    assert validate_password("a" * 8) is True

def test_password_max_length():
    """最大長（256文字）のパスワードは有効"""
    assert validate_password("a" * 256) is True

def test_password_too_short():
    """7文字のパスワードは無効"""
    with pytest.raises(ValidationError):
        validate_password("a" * 7)

def test_password_too_long():
    """257文字のパスワードは無効"""
    with pytest.raises(ValidationError):
        validate_password("a" * 257)

選定基準:

• Termで定義された境界値
• 0, 1, -1, max, min, max-1, min+1
• 空、1要素、最大要素数

2-3. 回帰例（Regression Examples）

目的: 過去のバグを再発防止

# Issue #123 で発見されたバグの回帰テスト
def test_session_expiry_boundary_regression():
    """
    回帰テスト: セッション期限境界（Issue #123）

    発見日: 2024-01-15
    原因: 期限チェックで < ではなく <= を使用していた
    """
    token = create_token(expires_at=3600000)  # ちょうど1時間
    # 期限ちょうどは有効
    assert validate_token(token, at=3600000) is True
    # 期限1ms超過は無効
    assert validate_token(token, at=3600001) is False

選定基準:

• PBTで発見された反例（shrink後）
• 過去のバグ報告
• ヒヤリハット

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Phase 3: プロパティ分類（7カテゴリ）

PBTのプロパティを「型」で分類し、穴を減らす。

詳細は references/property-catalog.md を参照。

#	分類	定義	例
1	不変条件	出力が満たすべき構造・制約	「残高は常に0以上」
2	代数的性質	冪等性・可換性・結合性	normalize(normalize(x)) == normalize(x)
3	ラウンドトリップ	encode↔decode整合性	decode(encode(x)) == x
4	参照モデル	正しいが遅い実装との一致	fast_sort(x) == sorted(x)
5	メタモルフィック	入力変形時の出力変化	空白追加でパース結果不変
6	堅牢性	例外・エラーの一貫性	クラッシュしない
7	状態機械	操作列に対する整合性	push→popで元に戻る

PBTプロパティ実装例

# 1. 不変条件
@given(st.integers(min_value=0, max_value=1000000))
def test_balance_always_non_negative(amount):
    account = Account(balance=amount)
    assert account.balance >= 0

# 2. 代数的性質（冪等性）
@given(st.text())
def test_normalize_idempotent(s):
    assert normalize(normalize(s)) == normalize(s)

# 3. ラウンドトリップ
@given(st.from_type(PayloadSchema))
def test_json_roundtrip(payload):
    assert decode(encode(payload)) == payload

# 6. 堅牢性
@given(st.text())
def test_invalid_input_no_crash(s):
    try:
        parse(s)
    except ParseError:
        pass  # 期待される例外

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Phase 4: ジェネレータ設計（意地悪レベル）

詳細は references/generator-ladder.md を参照。

意地悪さの4軸

1. 妥当性軸: 有効→無効→境界ぎりぎり
2. サイズ軸: 小→大→病的構造
3. 状態軸: 単発→長い操作列→競合
4. 環境軸: 理想→部分失敗→遅延・中断

意地悪レベル（L0-L8）

Level	内容	CI運用
L0	スモール・バリッド（小さい有効入力）	PR時
L1	境界バリッド（min/max/空/1要素）	PR時
L2	ニア・インバリッド（ほぼ正しいが一部欠損）	PR時
L3	サイズ増大（長文、巨大配列）	夜間
L4	病的構造（偏った分布、循環参照風）	夜間
L5	操作列（ランダムAPI呼び出し列）	夜間
L6	並行・タイミング（同時実行、順序競合）	週末
L7	環境フォールト注入（I/O失敗、権限失敗）	週末
L8	カバレッジ誘導（分布調整）	週末

ジェネレータテンプレート

# L0: スモール・バリッド
valid_small = st.integers(min_value=0, max_value=100)

# L1: 境界バリッド
valid_boundary = st.sampled_from([0, 1, 99, 100, MIN_VALUE, MAX_VALUE])

# L2: ニア・インバリッド
near_invalid = st.one_of(
    st.just(-1),           # 境界ちょうど外
    st.just(101),
    st.text(min_size=0, max_size=0),  # 空
)

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Phase 5: PBT実行＋反例収集

実行コマンド

# PR時（L0-L2、短時間）
pytest tests/pbt/ -k "level_0 or level_1 or level_2" --hypothesis-seed=fixed

# 夜間（L3-L5、重い探索）
pytest tests/pbt/ -k "level_3 or level_4 or level_5" --hypothesis-seed=random

空疎プロパティ検出

ルール: assumeで80%以上捨てる場合は失敗扱い。ジェネレータを改善する。

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Phase 6: 反例の回帰テスト化

見つかった反例を即座にユニットテスト（回帰例）へ回収する。

詳細は references/counterexample-workflow.md を参照。

回収プロセス

1. PBT失敗 → shrinkで最小反例取得
2. 最小反例をユニットテスト（回帰例）に追加
3. 反例コーパス（YAML）に記録
4. (任意) @example としてPBTにも戻す

反例コーパス形式

# tests/pbt/counterexamples/auth.yaml
LAW-session-expiry:
  - description: "セッション有効期限切れの境界"
    input:
      token: "valid-token"
      timestamp: 3600001  # 1時間+1ms
    expected: SessionExpiredError
    discovered: "2024-01-15"
    test_file: "tests/unit/test_auth_regression.py::test_session_expiry_boundary"

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Phase 7: 運用ループ

1モジュールの標準ループ

1. ベースラインのユニットテスト（典型例・境界例を固定）
2. プロパティを1〜3個だけ定義（最初は少なく強く）
3. L0〜L2のジェネレータでPBT実行
4. 失敗したら：
   - shrinkして最小反例を得る
   - 回帰ユニットテストに落とす ← 重要！
   - 修正
5. 通ったら：
   - 意地悪レベルを1段上げる（L3→L4→…）
   - 必要ならプロパティ追加（増やしすぎない）
6. 定期的に：
   - 反例コーパスをseedとして固定
   - カバレッジ/失敗率/時間をモニタして分布調整

CI運用規約

PR時:
  unit_tests: 全実行
  pbt_levels: [L0, L1, L2]
  time_budget: 30秒
  seed: fixed

夜間:
  unit_tests: 全実行
  pbt_levels: [L3, L4, L5]
  time_budget: 10分
  seed: random

週末:
  unit_tests: 全実行
  pbt_levels: [L6, L7, L8]
  time_budget: 1時間
  seed: random + 反例コーパス

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ELD統合: Evidence Ladder対応

テスト種別	Evidence Ladder	対応
ユニットテスト（典型例）	L1	基本動作確認
ユニットテスト（境界例）	L1	境界条件確認
PBT L0-L2	L1	プロパティ検証
PBT L3-L5（状態機械）	L2	状態・操作列検証
PBT L6-L7（並行・フォールト）	L3	環境・並行検証
ユニットテスト（回帰例）	L1	バグ再発防止

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テストディレクトリ構成

tests/
├── unit/
│   ├── test_auth.py              # 典型例・境界例
│   ├── test_auth_regression.py   # 回帰例（PBTから回収）
│   └── ...
├── pbt/
│   ├── properties.yaml           # プロパティカタログ
│   ├── conftest.py               # ジェネレータ共通設定
│   ├── generators/
│   │   ├── valid.py              # 有効入力ジェネレータ
│   │   ├── invalid.py            # 無効入力ジェネレータ
│   │   ├── boundary.py           # 境界ジェネレータ
│   │   └── state.py              # 状態遷移ジェネレータ
│   ├── test_properties.py        # プロパティテスト
│   └── counterexamples/          # 反例コーパス
│       └── seeds/                # シードファイル
└── integration/

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楽観バイアス排除チェックリスト

チェック	対策
典型例の不足	Law/Termから漏れなく導出
境界例の不足	Termの境界を網羅
空疎プロパティ	assume比率80%超で失敗扱い
再現不能フレーク	seed必須ログ、固定seed併用
反例の放置	即座に回帰テスト化

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完了条件

• 全S0/S1 Lawにユニットテスト（典型例）が存在
• 全Termの境界にユニットテスト（境界例）が存在
• プロパティカタログが7分類で整理されている
• 全S0/S1 Lawに対応するプロパティが存在
• ジェネレータがL0-L2まで設計されている
• assume比率が80%未満
• 反例が回帰テストに回収されている
• CI運用規約が設定されている

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使用例

User: 認証機能のテストを体系的に設計して

Claude: 体系的テスト設計を開始します。

## Phase 1: Law/Termの特定

対象Law:
- LAW-session-valid (S0): セッショントークンは有効期限内で有効
- LAW-auth-idempotent (S1): 同じ認証情報で同じ結果

対象Term:
- TERM-token: JWT形式、256bit、1時間有効
- TERM-password: 8-256文字、英数字記号

## Phase 2: ユニットテスト設計

### 典型例
- test_login_success_with_valid_credentials
- test_login_failure_with_wrong_password
- test_logout_invalidates_session

### 境界例
- test_password_min_length_8_chars
- test_password_max_length_256_chars
- test_session_expiry_at_exactly_1_hour

## Phase 3: プロパティ分類

| プロパティ | 分類 | Law/Term |
|-----------|------|----------|
| セッション期限内で認証成功 | 不変条件 | LAW-session-valid |
| encode→decodeで復元 | ラウンドトリップ | TERM-token |
| 同一入力で同一結果 | 冪等性 | LAW-auth-idempotent |

## Phase 4: ジェネレータ設計

L0: valid_token, valid_credentials
L1: 期限ちょうど切れ、空文字トークン、最大長パスワード
L2: 署名不正JWT、期限1ms超過

テストコードを生成しますか？

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リファレンス

• references/property-catalog.md - プロパティ7分類の詳細
• references/generator-ladder.md - 意地悪レベルL0-L8の詳細
• references/counterexample-workflow.md - 反例回収ワークフロー
• references/ci-config.md - CI運用設定例

関連スキル

スキル	用途
/test-design-audit	テスト設計の全体フレームワーク（要求→テスト条件）
/eld-ground-tdd-enforcer	TDDサイクル強制
/eld-ground-verify	Law/Term接地検証
/boundary-observation	境界条件の観測