陳碩 (giantchen_AT_gmail)
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摘要：本文討論了在編寫單元測試時 mock 系統調用（以及其他第三方庫）的幾種做法。
本文只考慮 Linux x86/amd64 平臺。
陳碩在《分布式程序的自動化回歸測試》 http://blog.csdn.net/Solstice/archive/2011/04/25/6359748.aspx 一文中曾經談到單元測試在分布式程序開發中的優缺點（好吧，主要是缺點）。但是，在某些情況下，單元測試是很有必要的，在測試 failure 場景的時候尤顯重要，比如：
- 在開發存儲系統時，模擬 read(2)/write(2) 返回 EIO 錯誤（有可能是磁盤寫滿了，有可能是磁盤出壞道讀不出數據）。
- 在開發網絡庫的時候，模擬 write(2) 返回 EPIPE 錯誤（對方意外斷開連接）。
- 在開發網絡庫的時候，模擬自連接 (self-connection)，網絡庫應該用 getsockname(2) 和 getpeername(2) 判斷是否是自連接，然后斷開之。
- 在開發網絡庫的時候，模擬本地 ephemeral port 用完，connect(2) 返回 EAGAIN 臨時錯誤。
- 讓 gethostbyname(2) 返回我們預設的值，防止單元測試給公司的 DNS server 帶來太大壓力。
這些 test case 恐怕很難用前文提到的 test harness 來測試，該單元測試上場了。現在的問題是，如何 mock 這些系統函數？或者換句話說，如何把對系統函數的依賴注入到被測程序中？
系統函數的依賴注入
在Michael Feathers 的《修改代碼的藝術 / Working Effectively with Legacy Code》一書第 4.3.2 節中，作者介紹了鏈接期接縫(link seam)，正好可以解決我們的問題。另外，在 Stack Overflow 的一個帖子里也總結了幾種做法：http://stackoverflow.com/questions/2924440/advice-on-mocking-system-calls
如果程序（庫）在編寫的時候就考慮了可測試性，那么用不到上面的 hack 手段，我們可以從設計上解決依賴注入的問題。這里提供兩個思路。
其一，采用傳統的面向對象的手法，借助運行期的遲綁定實現注入與替換。自己寫一個 System interface，把程序里用到的 open、close、read、write、connect、bind、listen、accept、gethostname、getpeername、getsockname 等等函數統統用虛函數封裝一層。然后在代碼里不要直接調用 open()，而是調用 System::instance().open()。
這樣代碼主動把控制權交給了 System interface，我們可以在這里動動手腳。在寫單元測試的時候，把這個 singleton instance 替換為我們的 mock object，這樣就能模擬各種 error code。
其二，采用編譯期或鏈接期的遲綁定。注意到在第一種做法中，運行期多態是不必要的，因為程序從生到死只會用到一個 implementation object。為此付出虛函數調用的代價似乎有些不值。（其實，跟系統調用比起來，虛函數這點開銷可忽略不計。）
我們可以寫一個 system namespace 頭文件，在其中聲明 read() 和 write() 等普通函數，然后在 .cc 文件里轉發給對應系統的系統函數 ::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);
}
此處的代碼來自 muduo 網絡庫
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
有了這么一層間接性，就可以在編寫單元測試的時候動動手腳，鏈接我們的 stub 實現，以達到替換實現的目的：
// MockSocketsOps.cc
int sockets::connect(int sockfd, const struct sockaddr_in& addr)
{
errno = EAGAIN;
return -1;
}
C++ 一個程序只能有一個 main() 入口，所以要先把程序做成 library，再用單元測試代碼鏈接這個 library。假設有一個 mynetcat 程序，為了編寫 C++ 單元測試，我們把它拆成兩部分，library 和 main()，源文件分別是 mynetcat.cc 和 main.cc。
在編譯普通程序的時候：
g++ main.cc mynetcat.cc SocketsOps.cc -o mynetcat
在編譯單元測試時這么寫：
g++ test.cc mynetcat.cc MockSocketsOps.cc -o test
以上是最簡單的例子，在實際開發中可以讓 stub 功能更強大一些，比如根據不同的 test case 返回不同的錯誤。這么做無需用到虛函數，代碼寫起來也比較簡潔，只用前綴 sockets:: 即可。例如應用程序的代碼里寫 sockets::connect(fd, addr)。
muduo 目前還沒有單元測試，只是預留了這些 stubs。
namespace 的好處在于它不是封閉的，我們可以隨時打開往里添加新的函數，而不用改動原來的頭文件（該文件的控制權可能不在我們手里）。這也是以 non-member non-friend 函數為接口的優點。
以上兩種做法還有一個好處，即只 mock 我們關心的部分代碼。如果程序用到了 SQLite 或 Berkeley DB 這些會訪問本地文件系統的第三方庫，那么我們的 System interface 或 system namespace 不會攔截這些第三方庫的 open(2)、close(2)、read(2)、write(2) 等系統調用。
鏈接期墊片 (link seams)
如果程序在一開始編碼的時候沒有考慮單元測試，那么又該如何注入 mock 系統調用呢？上面第二種做法已經給出了答案，那就是使用 link seam （鏈接期墊片）。
比方說要 mock connect(2) 函數，那么我們自己在單元測試程序里實現一個 connect() 函數，在鏈接的時候，會優先采用我們自己定義的函數。（這對動態鏈接是成立的，如果是靜態鏈接，會報 multiple definition 錯誤。好在絕大多數情況下 libc 是動態鏈接的。）
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);
}
}
如果程序真的要調用 connect(2) 怎么辦？在我們自己的 mock connect(2) 里不能再調用 connect() 了，否則會出現無限遞歸。為了防止這種情況，我們用 dlsym(RTDL_NEXT, "connect") 獲得 connect(2) 系統函數的真實地址，然后通過函數指針 connect_func 來調用它。
例子：ZooKeeper 的 C client library
ZooKeeper 的 C client library 正是采用了 link seams 來編寫單元測試，代碼見：
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 的帖子里還提到一個做法，可以方便地替換動態庫里的函數，即使用 ld 的 --wrap 參數，
文檔里說得很清楚，這里不再贅述。
--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++ 庫
link seam 同樣適用于第三方 C++ 庫
比方說公司某個基礎庫團隊提供了了 File class，但是這個 class 沒有使用虛函數，我們無法通過 sub-classing 的辦法來實現 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:
};
如果需要為用到 File class 的程序編寫單元測試，那么我們可以自己定義其成員函數的實現，這樣可以注入任何我們想要的結果。
// MockFile.cc
int File::readn(void* data, int len)
{
return -1;
}
（這個做法對動態庫是可行的，靜態庫會報錯。我們要么讓對方提供專供單元測試的動態庫，要么拿過源碼來自己編譯一個。）
Java 也有類似的做法，在 class path 里替換我們自己的 stub jar 文件，以實現 link seam。不過 Java 有動態代理，很少用得著 link seam 來實現依賴注入。