当我们谈论软件测试时，通常会想到手工编写的测试用例、边界条件检查、以及回归测试套件。然而，在面对《超级马里奥》这样拥有海量状态空间的复杂游戏时，传统测试方法显得力不从心。想象一下：每一帧可能有数十种输入组合，而游戏时长可能包含数万帧 —— 这意味着状态空间达到了天文数字级别。TestFlows 博客近期发表的一系列文章，展示了如何利用行为模型（Behavior Model）实现《超级马里奥》的自主测试，为游戏质量保障开辟了一条全新路径。
从手工测试到自主探索的范式转移
传统游戏测试依赖测试工程师逐个设计测试场景：进入某个房间、跳过某个坑洞、击败某个敌人。这种方法有几个根本性局限。首先，人工设计测试用例的速度远远赶不上状态空间的增长速度 —— 即便对于单个关卡，可能的输入序列组合也远超人类能穷举的数量。其次，某些边缘状态只有在特定条件下才会触发，比如连续吃掉多个蘑菇后的碰撞检测，这类情况很容易被人工测试遗漏。最后，游戏逻辑的复杂性使得测试覆盖率的衡量变得极为困难。
自主测试的核心思想是让测试系统自己探索游戏的状态空间，而非由人工预先定义测试路径。这种方法借鉴了进化计算的思想：将每一次游戏运行视为一个 “个体”，其 “基因” 是输入序列（按键组合），而 “适应度” 则是游戏推进的距离。通过持续的选择、变异和淘汰，系统能够自动发现高效的通关路径，同时在这个过程中验证游戏行为的正确性。
遗传算法框架下的状态空间探索
整个自主测试系统的核心是一个遗传算法（Genetic Algorithm）框架。这个框架包含几个关键组件：输入生成器、路径管理、适应度评估、以及选择与变异机制。
输入生成采用位翻转（bit-flip）变异策略。游戏手柄的八个按键状态被编码为一个字节，每一帧随机以约百分之十的概率翻转某个按键位。这种设计有其物理合理性：玩家通常会按住某个键一段时间，然后逐渐添加或切换其他按键，而非每一帧都完全随机。实践中发现，混合使用模糊变异（百分之五位翻转概率）与预定义动作模式效果更佳 —— 预定义模式如「向右长距离行走」「高位跳跃加动作」能够模拟人类玩家的自然操作风格，而模糊变异则能发现意想不到的解法。
路径管理维护一个种群集合，其中每条路径记录了输入序列以及对应的游戏状态。由于《超级马里奥》是确定性游戏，相同的输入序列必然产生相同的结果，这使得路径回放成为可能。系统不必每次都从零开始，而是可以从任意中间状态继续探索，大幅提升了效率。
适应度函数采用层级评分机制：level_num × 10^9 + x_pos × 10^3 + (999 - time)。这种设计的精妙之处在于：完成第一关的分数必然大于第一关内任何位置的分数，同理，第一关的分数必然大于第二关之前所有关卡的分数。清晰的优先级避免了不同目标之间的冲突。
选择机制使用指数加权概率分布：最优路径拥有百分之五十的基础概率，其余概率按指数衰减分配给其他路径。这种设计在 “利用”（exploitation）与 “探索”（exploration）之间取得平衡 —— 我们优先使用已发现的优质路径，但仍然给次优路径一定的机会，以防后者在某些分支点上表现出乎意料。
行为模型：正确性的形式化验证
仅有适应度函数是不够的。适应度只能告诉我们 “走得多远”，却无法验证 “走得是否正确”。一个通过了自主探索的路径，可能隐藏着物理异常、碰撞漏洞或其他未被察觉的缺陷。这正是行为模型发挥作用的地方。
行为模型将游戏正确性形式化为三类属性。因果性属性（Causal）规定马里奥只有在输入驱动或引擎推动时才会移动 —— 不可能凭空瞬移。安全性属性（Safety）确保不会出现非法位置、重叠瓦片、越界或破碎的碰撞检测。活性属性（Liveness）则要求当输入施加后，马里奥最终必然产生响应，且保持在可视范围内。
在自主探索的每一帧，系统都会将当前游戏状态与行为模型进行比对。任何违背模型的行为都会被记录为潜在缺陷。这种密集验证（每帧检查）使得测试覆盖度远超传统测试方法 —— 传统测试往往只在关键节点验证，而自主探索在数万帧的每一次都进行正确性检查。
工程化参数与监控要点
将这套方法投入实际使用需要关注若干工程化参数，以下是经过验证的关键阈值与监控建议。
输入生成层面，位翻转概率建议控制在百分之五至百分之十之间。过高会导致输入过于随机、难以形成连贯动作；过低则会使探索陷入局部最优。建议开启预定义动作库与模糊变异的混合模式，预定义动作权重设为十倍，确保既有结构化探索又有突变可能。
路径选择层面，指数衰减因子建议设为二至三。最优路径的基础概率不应低于百分之四十，以保证足够的利用强度；同时保留至少二十个候选路径构成种群，防止早熟收敛。路径清理操作建议每五个周期执行一次，将位置相近的路径压缩为保留最优者。
时间控制层面，默认探索周期为二十秒（对应游戏时间），每周期尝试三次。由于需要从起点回放路径，实际运行时间约为周期数的十五至三十分钟。对于完整关卡探索，建议总时长不低于三十分钟，以保证找到可行路径的概率。
加速参数层面，游戏帧率可提升至三百帧（默认六十帧的五倍），以显著缩短运行时间。配合层级选择参数（--start-level）可以直接从指定关卡开始，避免重复探索前置内容。这些都是测试工程中的标准实践 —— 加速时间、控制初始状态、注入故障 —— 在自主测试中同样适用。
实践效果与局限
在 TestFlows 的参考实现中，这套系统成功完成了《超级马里奥》全部四个关卡的自主探索。系统发现了隐藏的地下管道捷径、掌握了复杂的平台跳跃节奏、并且在第四关发现了一个有趣的碰撞漏洞 —— 马里奥在与火焰棒碰撞后变为隐形状态，从而穿过了所有剩余障碍。这些发现表明，自主探索不仅能找到正确答案，还能揭示意想不到的边界行为。
然而，当前方法仍有局限。首先，适应度函数仅衡量进度，不直接衡量正确性 —— 虽然行为模型可以补充这一缺陷，但两者的结合尚需进一步优化。其次，系统依赖游戏的确定性假设，如果加入随机元素（如敌人移动的随机性），路径回放将不再可靠。最后，探索耗时仍然可观，即便使用三百帧加速，完整四关的探索也需要数小时。
展望
行为模型与自主探索的结合代表了游戏 QA 的一个新方向：不再是被动地编写测试用例等待缺陷出现，而是主动地、大规模地探索状态空间并实时验证正确性。这种思路同样适用于其他具有大量状态空间的软件系统 —— 数据库引擎、操作系统、网络协议栈等。或许在不久的将来，行为模型驱动的自主测试将成为复杂系统质量保障的标准实践。
参考资料
- TestFlows 博客：《Testing Super Mario Using a Behavior Model Autonomously (Part 1)》
- TestFlows 博客：《Testing Super Mario Using a Behavior Model (Part 1) & (Part 2)》
- Antithesis 博客：相关 autonomous testing 方法论