工程师必备：C/C++单元测试万能插桩工具
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2021-11-04 14:43
来源：腾讯技术工程
研发效能是一个涉及面很广的话题，它涵盖了软件交付的整个生命周期，涉及产品、架构、开发、测试、运维，每个环节都可能影响顺畅、高质量地持续有效交付。在腾讯安全平台部实际研发与测试工作中我们发现，代码插桩隔离是单元测试工作中的一个强需求，然而业界现有 C/C++插桩工具由于使用上的局限性，运行效率和体验仍有很大改善空间。本文介绍了团队基于研效优化实践而自研的动态插桩工具，旨在实现单元测试的轻量化运行，提高代码覆盖率，从而助力研发团队的效能提升。
问题&思路
目前存在的 C/C++插桩工具，基本上都有各种使用上的局限，比如流行的 gmock，只能对 C++的虚函数进行插桩替换，针对非虚函数，则需要先对被测代码进行改造；同时对于系统接口，C 风格的第三方库代码，也无能为力。
如果可以绕开编译器，直接从底层入手，比如做机器指令修改，则可以不受语法及编译器的束缚，直接达到目的，这样在使用中就 几乎不受限制。
原理
C/C++语言编译后的可执行体，其实就是一个个的函数实现，每个函数的开头就是它的入口。一个函数 A 调用另一个函数 B，就是代码在执行过程中，控制流从函数 A 的某处跳到了函数 B 的开头，所以如果想用一个新的函数 C 取代函数 B，可以在函数 B 的开头用机器码的形式写入如下等价逻辑：
MOVQ ADDRESS_OF_C %RAX //将函数C的地址放到寄存器RAX
JMPQ *RAX //无条件跳转到RAX所指向的位置
这样，当控制流从函数 A 进入函数 B 的开始位置的时候，即会执行上述代码，从而直接跳转到 C 的开头处。其最终效果，是所有对函数 B 的调用，都如同直接调用了函数 C。
基于上述原理，被插桩的代码包括第三方库，如 MySql、其他同事未完成的模块、甚至是操作系统的 API 接口，如 read、select 等；
同时，桩函数不仅可以模拟原函数的返回值，实际上它作为一个普通的 C 函数，对原函数有完全的操作能力，比如可以访问传递给原函数调用真实的参数、C++成员变量（针对对成员函数的模拟），给定任意的返回值，访问全局变量、对调用进行计数等。
实际实现中，考虑到不同测试用例间的互不干扰，除了能执行函数替换，还需要在执行完一个测试时还原现场。这些具体细节可以直接参考代码。
使用
对全局函数插桩
原始函数：
int global(int a, int b) {
return a + b;
}
对应的桩函数：
int fake_global(int a, int b) {
//校验参数正确性，确定被测代码传入了正确的值
assert(a == 3);
assert(b == 2);
//给一个返回值，配合被测代码走特定分支
return a - b;
}
插桩示例：
assert(global(3, 2) == 5);
//通过mock调用，完成函数动态替换
assert(0 == mock(&global, &fake_global));
//调用mock后的函数，可以看到返回值变了
assert(global(3, 2) == 1);
//结束mock
reset();
//函数行为恢复
assert(global(3, 2) == 5);
对普通成员函数插桩
被测代码：
class A {
public:
int member(int a) {return ++a;}
static int static_member(int a) {return 200;}
virtual int virtual_member() {return 400;}
};
桩函数：
int fake_member(A *pTihs, int a) {
//由于是对成员函数插桩,这里需要这个this指针参数
return --a;
}
插桩示例：
A a;
assert(a.member(100) == 101);
mock(&A::member, fake_member);
assert(a.member(100) == 99);
reset();
assert(a.member(100) == 101);
对静态成员函数插桩
桩函数：
int fake_static_member() {
//静态函数不需要this指针
return 300;
}
插桩示例：
assert(A::static_member(200) == 200);
mock(&A::static_member, fake_static_member);
assert(A::static_member(100) == 300);
reset();
assert(A::static_member(200) == 200);
对虚函数插桩
桩函数：
int fake_virtual_member(A *pThis) {
//虚函数同普通的成员函数由于,同样需要this指针
return 500;
}
插桩示例：
A a;
assert(a.virtual_member() == 400);
//虚函数mock需要多传一个相关类的对象，任意一个对象即可，跟实际代码中的对象没有关系
A a_obj;
mock(&A::virtual_member, fake_virtual_member, &a_obj);
assert(a.virtual_member() == 500);
reset();
assert(a.virtual_member() == 400);
对系统及第三方库函数插桩
桩函数：
int fake_write(int, char*, int) {
return 100;
}
插桩示例：
//直接写入一个无效的文件描述符，会失败
assert(write(5, "hello", 5) == -1);
//来一个假的wirte
mock(write, fake_write);
//模拟调用成功
assert(write(5, "hello", 5) == 100);
reset();
assert(write(5, "hello", 5) == -1);
可以看到，对系统函数的 mock,其实跟普通的全局函数并无两样，第三方库函数也是同理。
使用限制&注意事项
目前支持 X86_64 平台上的 Linux、MacOS 系统，如有需求，Windows 和其它硬件平台，如 X86_32、ARM，也可在短期内支持。 MacOS 下，需要在执行前对单测可执行文件做以下修改：
printf '\x07' | dd of= bs=1 seek=160 count=1 conv=notrunc
显然，这种方法对内联函数无效，不过对于单元测试来说，可以关闭内联，同时也建议关闭其它编译器优化。 可以使用-fno-access-control 编译你的测试代码，可以使 g++关闭 c++成员的访问控制（即 protected 及 private 不再生效）。
项目地址
https://github.com/wangyongfeng5/lmock
结语
持续改进是研效工具平台发展的必经之路，欢迎感兴趣的同学与我们交流探讨，共同助力测试效能的优化。
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