C++ 工程实践(6)：单元测试如何 mock 系统调用
陈硕 (giantchen_AT_gmail)
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摘要：本文讨论了在编写单元测试时 mock 系统调用（以及其他第三方库）的几种做法。
本文只考虑 Linux x86/amd64 平台。
陈硕在《分布式程序的自动化回归测试》 http://blog.csdn.net/Solstice/archive/2011/04/25/6359748.aspx 一文中曾经谈到单元测试在分布式程序开发中的优缺点（好吧，主要是缺点）。但是，在某些情况下，单元测试是很有必要的，在测试 failure 场景的时候尤显重要，比如：
- 在开发存储系统时，模拟 read(2)/write(2) 返回 EIO 错误（有可能是磁盘写满了，有可能是磁盘出坏道读不出数据）。
- 在开发网络库的时候，模拟 write(2) 返回 EPIPE 错误（对方意外断开连接）。
- 在开发网络库的时候，模拟自连接 (self-connection)，网络库应该用 getsockname(2) 和 getpeername(2) 判断是否是自连接，然后断开之。
- 在开发网络库的时候，模拟本地 ephemeral port 用完，connect(2) 返回 EAGAIN 临时错误。
- 让 gethostbyname(2) 返回我们预设的值，防止单元测试给公司的 DNS server 带来太大压力。
这些 test case 恐怕很难用前文提到的 test harness 来测试，该单元测试上场了。现在的问题是，如何 mock 这些系统函数？或者换句话说，如何把对系统函数的依赖注入到被测程序中？
系统函数的依赖注入
在Michael Feathers 的《修改代码的艺术 / Working Effectively with Legacy Code》一书第 4.3.2 节中，作者介绍了链接期接缝(link seam)，正好可以解决我们的问题。另外，在 Stack Overflow 的一个帖子里也总结了几种做法：http://stackoverflow.com/questions/2924440/advice-on-mocking-system-calls
如果程序（库）在编写的时候就考虑了可测试性，那么用不到上面的 hack 手段，我们可以从设计上解决依赖注入的问题。这里提供两个思路。
其一，采用传统的面向对象的手法，借助运行期的迟绑定实现注入与替换。自己写一个 System interface，把程序里用到的 open、close、read、write、connect、bind、listen、accept、gethostname、getpeername、getsockname 等等函数统统用虚函数封装一层。然后在代码里不要直接调用 open()，而是调用 System::instance().open()。
这样代码主动把控制权交给了 System interface，我们可以在这里动动手脚。在写单元测试的时候，把这个 singleton instance 替换为我们的 mock object，这样就能模拟各种 error code。
其二，采用编译期或链接期的迟绑定。注意到在第一种做法中，运行期多态是不必要的，因为程序从生到死只会用到一个 implementation object。为此付出虚函数调用的代价似乎有些不值。（其实，跟系统调用比起来，虚函数这点开销可忽略不计。）
我们可以写一个 system namespace 头文件，在其中声明 read() 和 write() 等普通函数，然后在 .cc 文件里转发给对应系统的系统函数 ::read() 和 ::write() 等。
// SocketsOps.h
namespace sockets
{
int connect(int sockfd, const struct sockaddr_in& addr);
}
// SocketsOps.cc
int sockets::connect(int sockfd, const struct sockaddr_in& addr)
{
return ::connect(sockfd, sockaddr_cast(&addr), sizeof addr);
}
此处的代码来自 muduo 网络库
http://code.google.com/p/muduo/source/browse/trunk/muduo/net/SocketsOps.h
http://code.google.com/p/muduo/source/browse/trunk/muduo/net/SocketsOps.cc
有了这么一层间接性，就可以在编写单元测试的时候动动手脚，链接我们的 stub 实现，以达到替换实现的目的：
// MockSocketsOps.cc
int sockets::connect(int sockfd, const struct sockaddr_in& addr)
{
errno = EAGAIN;
return -1;
}
C++ 一个程序只能有一个 main() 入口，所以要先把程序做成 library，再用单元测试代码链接这个 library。假设有一个 mynetcat 程序，为了编写 C++ 单元测试，我们把它拆成两部分，library 和 main()，源文件分别是 mynetcat.cc 和 main.cc。
在编译普通程序的时候：
g++ main.cc mynetcat.cc SocketsOps.cc -o mynetcat
在编译单元测试时这么写：
g++ test.cc mynetcat.cc MockSocketsOps.cc -o test
以上是最简单的例子，在实际开发中可以让 stub 功能更强大一些，比如根据不同的 test case 返回不同的错误。这么做无需用到虚函数，代码写起来也比较简洁，只用前缀 sockets:: 即可。例如应用程序的代码里写 sockets::connect(fd, addr)。
muduo 目前还没有单元测试，只是预留了这些 stubs。
namespace 的好处在于它不是封闭的，我们可以随时打开往里添加新的函数，而不用改动原来的头文件（该文件的控制权可能不在我们手里）。这也是以 non-member non-friend 函数为接口的优点。
以上两种做法还有一个好处，即只 mock 我们关心的部分代码。如果程序用到了 SQLite 或 Berkeley DB 这些会访问本地文件系统的第三方库，那么我们的 System interface 或 system namespace 不会拦截这些第三方库的 open(2)、close(2)、read(2)、write(2) 等系统调用。
链接期垫片 (link seams)
如果程序在一开始编码的时候没有考虑单元测试，那么又该如何注入 mock 系统调用呢？上面第二种做法已经给出了答案，那就是使用 link seam （链接期垫片）。
比方说要 mock connect(2) 函数，那么我们自己在单元测试程序里实现一个 connect() 函数，在链接的时候，会优先采用我们自己定义的函数。（这对动态链接是成立的，如果是静态链接，会报 multiple definition 错误。好在绝大多数情况下 libc 是动态链接的。）
typedef int (*connect_func_t)(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
connect_func_t connect_func = dlsym(RTDL_NEXT, "connect");
bool mock_connect;
int mock_connect_errno;
// mock connect
extern "C" int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)
{
if (mock_connect) {
errno = mock_connect_errno;
return errno == 0 ? 0 : -1;
} else {
return connect_func(sockfd, addr, addrlen);
}
}
如果程序真的要调用 connect(2) 怎么办？在我们自己的 mock connect(2) 里不能再调用 connect() 了，否则会出现无限递归。为了防止这种情况，我们用 dlsym(RTDL_NEXT, "connect") 获得 connect(2) 系统函数的真实地址，然后通过函数指针 connect_func 来调用它。
例子：ZooKeeper 的 C client library
ZooKeeper 的 C client library 正是采用了 link seams 来编写单元测试，代码见：
http://svn.apache.org/repos/asf/zookeeper/tags/release-3.3.3/src/c/tests/LibCMocks.h
http://svn.apache.org/repos/asf/zookeeper/tags/release-3.3.3/src/c/tests/LibCMocks.cc
其他手法
Stack Overflow 的帖子里还提到一个做法，可以方便地替换动态库里的函数，即使用 ld 的 --wrap 参数，
文档里说得很清楚，这里不再赘述。
--wrap=symbol
Use a wrapper function for symbol. Any undefined reference to
symbol will be resolved to "__wrap_symbol". Any undefined
reference to "__real_symbol" will be resolved to symbol.
This can be used to provide a wrapper for a system function. The
wrapper function should be called "__wrap_symbol". If it wishes to
call the system function, it should call "__real_symbol".
Here is a trivial example:
void *
__wrap_malloc (size_t c)
{
printf ("malloc called with %zu\n", c);
return __real_malloc (c);
}
If you link other code with this file using --wrap malloc, then all
calls to "malloc" will call the function "__wrap_malloc" instead.
The call to "__real_malloc" in "__wrap_malloc" will call the real
"malloc" function.
You may wish to provide a "__real_malloc" function as well, so that
links without the --wrap option will succeed. If you do this, you
should not put the definition of "__real_malloc" in the same file
as "__wrap_malloc"; if you do, the assembler may resolve the call
before the linker has a chance to wrap it to "malloc".
第三方 C++ 库
link seam 同样适用于第三方 C++ 库
比方说公司某个基础库团队提供了了 File class，但是这个 class 没有使用虚函数，我们无法通过 sub-classing 的办法来实现 mock object。
class File : boost::noncopyable
{
public:
File(const char* filename);
~File();
int readn(void* data, int len);
int writen(const void* data, int len);
size_t getSize() const;
private:
};
如果需要为用到 File class 的程序编写单元测试，那么我们可以自己定义其成员函数的实现，这样可以注入任何我们想要的结果。
// MockFile.cc
int File::readn(void* data, int len)
{
return -1;
}
（这个做法对动态库是可行的，静态库会报错。我们要么让对方提供专供单元测试的动态库，要么拿过源码来自己编译一个。）
Java 也有类似的做法，在 class path 里替换我们自己的 stub jar 文件，以实现 link seam。不过 Java 有动态代理，很少用得着 link seam 来实现依赖注入。
