linux环境编程(1): 实现一个单元测试框架

写在前面

在开发的过程中，大多数人都需要对代码进行测试。目前对于c/c++项目，可以采用google的gtest框架，除此之外在github上搜索之后可以发现很多其他类似功能的项目。但把别人的轮子直接拿来用，终究比不过自己造一个同样功能的轮子更有成就感。作为“linux环境编程”系列文章的第一篇，本篇文章记录了如何用较少的代码实现一个可用的单元测试框架，这个测试框架将一直在后续系列文章中的代码实例环节使用，并且在使用过程中不断完善和改进。相比于文字说明，我相信有人更喜欢直接看代码实现，所以这里先放一个github传送门。

需求来源

先给项目取个名字吧，毕竟命名是最困难的环节了:P. 这个测试框架一句话可以概括为"a simple unit test framework for c programming language", 所以就叫它"cutest"好了，希望不要有人把前缀"cu"和"cuda"联系起来。

接下来我把自己切换到用户的角度，说说我希望自己如何使用cutest。首先，测试的对象对我来说是一个个独立的函数，我希望框架提供一种让我定义单元测试函数的方法，定义完成之后我作为用户的任务就完成了，至于如何让框架知道有一个新的单元测试加入进来了，那不是我这个用户应该关心的，我甚至不打算写main函数，然后在main函数里告诉cutest去运行所有注册进去的测试。我想要的只是定义单元测试，编译链接，运行得到结果。总结起来，需求有以下3点：

用户只要定义自己的单元测试函数即可。单元测试集的管理，运行，不需要用户额外编写代码，即只要用户定义完单元测试函数，编译之后这个单元测试就自动被测试框架接管了，框架不需要提供额外的单元测试注册接口。
在单元测试函数中支持断言。类似gtest的EXCEPT_EQ等宏的功能。
不需要其他外部依赖。用户只要有一个框架的头文件和编译好的库文件就可以直接使用。

在说明实现原理之前，我先剧透一下最终的用户是如何使用cutest编写单元测试的：

/*test1.c*/

/*include cutest header file*/
#include "cutest.h"

/*define a new test suit with the name 'test_suit1'*/
CUTEST_SUIT(test_suit1)

/*define first test case in test_suit1*/
CUTEST_CASE(test_suit1, test1) {
    int a = 10;
    int b = 10;
    CUT_EXPECT_EQ(a, b);
}

/*define the second test case in test_suit1*/
CUTEST_CASE(test_suit1, test2) {
    int a = 10;
    int b = 20;
    CUT_EXPECT_GT(a, b);
}

编译这个test1.c文件，然后在shell中运行就可以得到结果了：

$ ./test1
 cutest summary:
         [test_suit1] suit result: 1/2
         [test_suit1::test2] case result: Fail
         [test_suit1::test1] case result: Pass

用户的的单元测试可以放在多个文件中，但是定义单元测试函数的步骤是不变的，用户的所有测试都会在运行结束之后得到一个汇总的统计信息。可以看到，cutest使用起来还是很简单方便的。

如何实现

聊完了用户的想法，需要考虑如何实现了。

基本数据结构

在cutest中我定义了两种重要的数据结构：

test_case:

最基本的单元测试。对应用户实现的单元测试函数，test_case中还记录了测试的名字，测试的最终运行结果。
test_suit:

单元测试集合。用于管理一组test_case，理论上应该把一组相关性较大的test_case放在同一个集合中。测试框架中可以同时存在多个test_suit。

为了管理用户定义的多个单元测试, 我采用了链表数据结构。test_case本身是一个链表，通过当前的test_case可以找到下一个test_case；每个test_suit中包含一个test_case的链表，这个链表就是这个test_suit管理的全部单元测试，test_suit自身也是一个链表，通过这个链表指针可以找到下一个test_suit。两个结构体的定义如下：

typedef struct test_case {
    char *test_name;
    test_func test_func;
    struct test_case *test_case_next;
    int test_result;
} test_case;

typedef struct test_suit {
    char *test_suit_name;
    test_case *test_case_list;
    int test_case_total;
    int test_case_passed;
    struct test_suit *test_suit_next;
} test_suit;

在test_case中除了维护链表，还记录了测试名字和结果；同理，test_suit额外记录了当前测试集合的名字，包含的全部单元测试个数，以及测试通过的个数，这些信息将用于最后的测试结果统计。

如何实现单元测试的自动注册

为了管理全部的单元测试，还需要一个test_suit的头节点，当用户代码定义了新的test_suit的时候，会自动的加入到这个头节点上；同时，当用户在新的test_suit上定义新的test_case时，需要能够自动加入到该test_suit的test_case链表上。下面的一个关键问题就是如何在用户定义test_suit或者test_case的同时自动注册到cutest框架中。这里用到的方式是通过编译器给一个函数添加"construtor"属性，这样在程序运行时，具有"constructor"属性的函数会由c库调用，编程者可以定义多个"constructor"函数，这些函数会在main函数开始之前被调用，利用这个特性我们可以在“constructor”函数中实现test_suit以及test_case的注册，这样就实现了让cutest框架管理这些用户数据。下面以CUTEST_SUIT宏的实现为例，说明test_suit的注册是如何完成的：

/* CUTEST_SUIT宏的功能由两个辅助宏实现.
 * __DEFINE_CUTEST_SUIT定义个一个test_suit变量，并对其成员进行了初始化;
 * __REGISTER_CUTEST_SUIT定义了一个"constructor"函数, 在该函数中, 上一步定义的test_suit被添加到了test_suit的链表中;
 */
#define CUTEST_SUIT(suit_name)                                                 \
    __DEFINE_CUTEST_SUIT(suit_name)                                            \
    __REGISTER_CUTEST_SUIT(suit_name)

/*定义test_suit变量*/
#define __DEFINE_CUTEST_SUIT(suit_name)                                        \
    test_suit __CUTEST_SUIT_NAME(suit_name) = __CUTEST_INIT_SUIT(suit_name);

/*定义"constructor函数, 完成test_suit的注册"*/
#define __REGISTER_CUTEST_SUIT(suit_name)                                      \
    void __attribute__((constructor))                                          \
    __cutest_register_test_suit_##suit_name() {                                \
        __CUTEST_INSERT_TEST_SUIT(suit_name);                                  \
    }

上述宏的实现用到的test_suit变量名以及"constructor"函数名是根据用户传递进来的宏参数拼接而成，只要保证用户的参数正确就不会出现变量重复定义的问题。每次用户定义一个新的test_suit就会自动定义出一个不同名字的"constructor"函数，而这些函数运行时的调用顺序是有c库决定的，但不管调用顺序如何只要不会并发调用，对cutest来说就是无关紧要的，因为调用顺序只影响链表节点的顺序，但cutest并未承诺保证单元测试的执行顺序。

对于test_case的注册和管理采用了相同的技术实现，这里不再重复。

如何获取测试结果

对于每个单元测试函数，其函数签名实际上是void (*) (void), 在注册test_case的时候，由宏定义的"constructor"函数默认会将test_case的test_result置为CUTEST_PASS，即默认情况下单元测试的状态是通过。如果用户需要把当前的测试标记为FAIL，可以在单元测试函数中使用CUT_FAIL宏。在代码中可以这样实现：

CUTEST_SUIT(test_suit2)

CUTEST_CASE(test_suit2, test2) {
    CUT_EXPECT_EQ(10, 10);
    CUT_FAIL();
}

当CUT_FAIL宏会设置当前测试的状态，并且让单元测试函数return。除了CUT_FAIL，cutest还提供了其他用于比较的宏，比如CUT_EXPECT_EQ, CUT_EXPECT_NE, CUT_EXPECT_LT等，这样的设计延续了其他测试框架的使用方式，用户的使用成本更低。cutest提供的断言类宏最终的实现都是基于一个宏CUT_EXPECT_TRUE，这个宏的实现如下：

#define CUT_EXPECT_TRUE(c)                                                     \
    do {                                                                       \
        if (!(c)) {                                                            \
            __cutest_current_test_case__->test_result = CUTEST_FAIL;           \
            __cutest_current_test_suit__->test_case_passed -= 1;               \
            return;                                                            \
        }                                                                      \
    } while (0)

如果条件为假，该宏会把当前test_case的结果设为FAIL，把对应test_suit中PASS状态的测试数量减1，最后return。其他宏的实现只需要构造合适的条件c，传递给CUT_EXPECT_TRUE即可。

如何做到可以不写main函数

这是因为在cutest库中已经定义了一个main函数，在main函数中代替用户完成了运行全部单元测试的工作。

int main(int argc, char **argv) {
    cutest_run_all();
    return 0;
}

当用户程序和libcutest.so进行链接之后，生成的可执行程序就有了main函数，当然用户也可以自己重新定义一个main函数，去执行更复杂的功能，如果没有其他需求就可以不必定义main函数。

写在最后

至此，cutest实现过程中用到的一些技术细节都已经介绍完毕。对于我目前的使用，其功能已经足够了，但还是有些需要完善的地方，比如：

在多线程环境下是否能够正常使用？当用户自己定义main函数时，使用多个线程调用cutest_run_all函数会存在哪些问题？
能否做到跨平台？给函数添加"constructor"属性，不知道在WIndows上是否可行，不过这一点目前不是重点。
目前的CUT_EXPECT_XX宏，当条件不成立时处理的逻辑是标记测试为FAIL并从单元测试函数return。这样的逻辑对于用户需要在return之前释放一些资源的情况是不适用的，这个问题需要后续解决。

最后，再放一个代码传送门，期待各位提出的建议。后续会发布系列文章"linux环境编程"，欢迎持续关注。

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