Merge tag 'arm64-upstream' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/arm64...
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / dev-tools / kunit / usage.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 ===========
4 Using KUnit
5 ===========
6
7 The purpose of this document is to describe what KUnit is, how it works, how it
8 is intended to be used, and all the concepts and terminology that are needed to
9 understand it. This guide assumes a working knowledge of the Linux kernel and
10 some basic knowledge of testing.
11
12 For a high level introduction to KUnit, including setting up KUnit for your
13 project, see :doc:`start`.
14
15 Organization of this document
16 =============================
17
18 This document is organized into two main sections: Testing and Isolating
19 Behavior. The first covers what a unit test is and how to use KUnit to write
20 them. The second covers how to use KUnit to isolate code and make it possible
21 to unit test code that was otherwise un-unit-testable.
22
23 Testing
24 =======
25
26 What is KUnit?
27 --------------
28
29 "K" is short for "kernel" so "KUnit" is the "(Linux) Kernel Unit Testing
30 Framework." KUnit is intended first and foremost for writing unit tests; it is
31 general enough that it can be used to write integration tests; however, this is
32 a secondary goal. KUnit has no ambition of being the only testing framework for
33 the kernel; for example, it does not intend to be an end-to-end testing
34 framework.
35
36 What is Unit Testing?
37 ---------------------
38
39 A `unit test <https://martinfowler.com/bliki/UnitTest.html>`_ is a test that
40 tests code at the smallest possible scope, a *unit* of code. In the C
41 programming language that's a function.
42
43 Unit tests should be written for all the publicly exposed functions in a
44 compilation unit; so that is all the functions that are exported in either a
45 *class* (defined below) or all functions which are **not** static.
46
47 Writing Tests
48 -------------
49
50 Test Cases
51 ~~~~~~~~~~
52
53 The fundamental unit in KUnit is the test case. A test case is a function with
54 the signature ``void (*)(struct kunit *test)``. It calls a function to be tested
55 and then sets *expectations* for what should happen. For example:
56
57 .. code-block:: c
58
59         void example_test_success(struct kunit *test)
60         {
61         }
62
63         void example_test_failure(struct kunit *test)
64         {
65                 KUNIT_FAIL(test, "This test never passes.");
66         }
67
68 In the above example ``example_test_success`` always passes because it does
69 nothing; no expectations are set, so all expectations pass. On the other hand
70 ``example_test_failure`` always fails because it calls ``KUNIT_FAIL``, which is
71 a special expectation that logs a message and causes the test case to fail.
72
73 Expectations
74 ~~~~~~~~~~~~
75 An *expectation* is a way to specify that you expect a piece of code to do
76 something in a test. An expectation is called like a function. A test is made
77 by setting expectations about the behavior of a piece of code under test; when
78 one or more of the expectations fail, the test case fails and information about
79 the failure is logged. For example:
80
81 .. code-block:: c
82
83         void add_test_basic(struct kunit *test)
84         {
85                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, 1, add(1, 0));
86                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, 2, add(1, 1));
87         }
88
89 In the above example ``add_test_basic`` makes a number of assertions about the
90 behavior of a function called ``add``; the first parameter is always of type
91 ``struct kunit *``, which contains information about the current test context;
92 the second parameter, in this case, is what the value is expected to be; the
93 last value is what the value actually is. If ``add`` passes all of these
94 expectations, the test case, ``add_test_basic`` will pass; if any one of these
95 expectations fail, the test case will fail.
96
97 It is important to understand that a test case *fails* when any expectation is
98 violated; however, the test will continue running, potentially trying other
99 expectations until the test case ends or is otherwise terminated. This is as
100 opposed to *assertions* which are discussed later.
101
102 To learn about more expectations supported by KUnit, see :doc:`api/test`.
103
104 .. note::
105    A single test case should be pretty short, pretty easy to understand,
106    focused on a single behavior.
107
108 For example, if we wanted to properly test the add function above, we would
109 create additional tests cases which would each test a different property that an
110 add function should have like this:
111
112 .. code-block:: c
113
114         void add_test_basic(struct kunit *test)
115         {
116                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, 1, add(1, 0));
117                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, 2, add(1, 1));
118         }
119
120         void add_test_negative(struct kunit *test)
121         {
122                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, 0, add(-1, 1));
123         }
124
125         void add_test_max(struct kunit *test)
126         {
127                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, INT_MAX, add(0, INT_MAX));
128                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, -1, add(INT_MAX, INT_MIN));
129         }
130
131         void add_test_overflow(struct kunit *test)
132         {
133                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, INT_MIN, add(INT_MAX, 1));
134         }
135
136 Notice how it is immediately obvious what all the properties that we are testing
137 for are.
138
139 Assertions
140 ~~~~~~~~~~
141
142 KUnit also has the concept of an *assertion*. An assertion is just like an
143 expectation except the assertion immediately terminates the test case if it is
144 not satisfied.
145
146 For example:
147
148 .. code-block:: c
149
150         static void mock_test_do_expect_default_return(struct kunit *test)
151         {
152                 struct mock_test_context *ctx = test->priv;
153                 struct mock *mock = ctx->mock;
154                 int param0 = 5, param1 = -5;
155                 const char *two_param_types[] = {"int", "int"};
156                 const void *two_params[] = {&param0, &param1};
157                 const void *ret;
158
159                 ret = mock->do_expect(mock,
160                                       "test_printk", test_printk,
161                                       two_param_types, two_params,
162                                       ARRAY_SIZE(two_params));
163                 KUNIT_ASSERT_NOT_ERR_OR_NULL(test, ret);
164                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, -4, *((int *) ret));
165         }
166
167 In this example, the method under test should return a pointer to a value, so
168 if the pointer returned by the method is null or an errno, we don't want to
169 bother continuing the test since the following expectation could crash the test
170 case. `ASSERT_NOT_ERR_OR_NULL(...)` allows us to bail out of the test case if
171 the appropriate conditions have not been satisfied to complete the test.
172
173 Test Suites
174 ~~~~~~~~~~~
175
176 Now obviously one unit test isn't very helpful; the power comes from having
177 many test cases covering all of your behaviors. Consequently it is common to
178 have many *similar* tests; in order to reduce duplication in these closely
179 related tests most unit testing frameworks provide the concept of a *test
180 suite*, in KUnit we call it a *test suite*; all it is is just a collection of
181 test cases for a unit of code with a set up function that gets invoked before
182 every test cases and then a tear down function that gets invoked after every
183 test case completes.
184
185 Example:
186
187 .. code-block:: c
188
189         static struct kunit_case example_test_cases[] = {
190                 KUNIT_CASE(example_test_foo),
191                 KUNIT_CASE(example_test_bar),
192                 KUNIT_CASE(example_test_baz),
193                 {}
194         };
195
196         static struct kunit_suite example_test_suite = {
197                 .name = "example",
198                 .init = example_test_init,
199                 .exit = example_test_exit,
200                 .test_cases = example_test_cases,
201         };
202         kunit_test_suite(example_test_suite);
203
204 In the above example the test suite, ``example_test_suite``, would run the test
205 cases ``example_test_foo``, ``example_test_bar``, and ``example_test_baz``,
206 each would have ``example_test_init`` called immediately before it and would
207 have ``example_test_exit`` called immediately after it.
208 ``kunit_test_suite(example_test_suite)`` registers the test suite with the
209 KUnit test framework.
210
211 .. note::
212    A test case will only be run if it is associated with a test suite.
213
214 For a more information on these types of things see the :doc:`api/test`.
215
216 Isolating Behavior
217 ==================
218
219 The most important aspect of unit testing that other forms of testing do not
220 provide is the ability to limit the amount of code under test to a single unit.
221 In practice, this is only possible by being able to control what code gets run
222 when the unit under test calls a function and this is usually accomplished
223 through some sort of indirection where a function is exposed as part of an API
224 such that the definition of that function can be changed without affecting the
225 rest of the code base. In the kernel this primarily comes from two constructs,
226 classes, structs that contain function pointers that are provided by the
227 implementer, and architecture specific functions which have definitions selected
228 at compile time.
229
230 Classes
231 -------
232
233 Classes are not a construct that is built into the C programming language;
234 however, it is an easily derived concept. Accordingly, pretty much every project
235 that does not use a standardized object oriented library (like GNOME's GObject)
236 has their own slightly different way of doing object oriented programming; the
237 Linux kernel is no exception.
238
239 The central concept in kernel object oriented programming is the class. In the
240 kernel, a *class* is a struct that contains function pointers. This creates a
241 contract between *implementers* and *users* since it forces them to use the
242 same function signature without having to call the function directly. In order
243 for it to truly be a class, the function pointers must specify that a pointer
244 to the class, known as a *class handle*, be one of the parameters; this makes
245 it possible for the member functions (also known as *methods*) to have access
246 to member variables (more commonly known as *fields*) allowing the same
247 implementation to have multiple *instances*.
248
249 Typically a class can be *overridden* by *child classes* by embedding the
250 *parent class* in the child class. Then when a method provided by the child
251 class is called, the child implementation knows that the pointer passed to it is
252 of a parent contained within the child; because of this, the child can compute
253 the pointer to itself because the pointer to the parent is always a fixed offset
254 from the pointer to the child; this offset is the offset of the parent contained
255 in the child struct. For example:
256
257 .. code-block:: c
258
259         struct shape {
260                 int (*area)(struct shape *this);
261         };
262
263         struct rectangle {
264                 struct shape parent;
265                 int length;
266                 int width;
267         };
268
269         int rectangle_area(struct shape *this)
270         {
271                 struct rectangle *self = container_of(this, struct shape, parent);
272
273                 return self->length * self->width;
274         };
275
276         void rectangle_new(struct rectangle *self, int length, int width)
277         {
278                 self->parent.area = rectangle_area;
279                 self->length = length;
280                 self->width = width;
281         }
282
283 In this example (as in most kernel code) the operation of computing the pointer
284 to the child from the pointer to the parent is done by ``container_of``.
285
286 Faking Classes
287 ~~~~~~~~~~~~~~
288
289 In order to unit test a piece of code that calls a method in a class, the
290 behavior of the method must be controllable, otherwise the test ceases to be a
291 unit test and becomes an integration test.
292
293 A fake just provides an implementation of a piece of code that is different than
294 what runs in a production instance, but behaves identically from the standpoint
295 of the callers; this is usually done to replace a dependency that is hard to
296 deal with, or is slow.
297
298 A good example for this might be implementing a fake EEPROM that just stores the
299 "contents" in an internal buffer. For example, let's assume we have a class that
300 represents an EEPROM:
301
302 .. code-block:: c
303
304         struct eeprom {
305                 ssize_t (*read)(struct eeprom *this, size_t offset, char *buffer, size_t count);
306                 ssize_t (*write)(struct eeprom *this, size_t offset, const char *buffer, size_t count);
307         };
308
309 And we want to test some code that buffers writes to the EEPROM:
310
311 .. code-block:: c
312
313         struct eeprom_buffer {
314                 ssize_t (*write)(struct eeprom_buffer *this, const char *buffer, size_t count);
315                 int flush(struct eeprom_buffer *this);
316                 size_t flush_count; /* Flushes when buffer exceeds flush_count. */
317         };
318
319         struct eeprom_buffer *new_eeprom_buffer(struct eeprom *eeprom);
320         void destroy_eeprom_buffer(struct eeprom *eeprom);
321
322 We can easily test this code by *faking out* the underlying EEPROM:
323
324 .. code-block:: c
325
326         struct fake_eeprom {
327                 struct eeprom parent;
328                 char contents[FAKE_EEPROM_CONTENTS_SIZE];
329         };
330
331         ssize_t fake_eeprom_read(struct eeprom *parent, size_t offset, char *buffer, size_t count)
332         {
333                 struct fake_eeprom *this = container_of(parent, struct fake_eeprom, parent);
334
335                 count = min(count, FAKE_EEPROM_CONTENTS_SIZE - offset);
336                 memcpy(buffer, this->contents + offset, count);
337
338                 return count;
339         }
340
341         ssize_t fake_eeprom_write(struct eeprom *this, size_t offset, const char *buffer, size_t count)
342         {
343                 struct fake_eeprom *this = container_of(parent, struct fake_eeprom, parent);
344
345                 count = min(count, FAKE_EEPROM_CONTENTS_SIZE - offset);
346                 memcpy(this->contents + offset, buffer, count);
347
348                 return count;
349         }
350
351         void fake_eeprom_init(struct fake_eeprom *this)
352         {
353                 this->parent.read = fake_eeprom_read;
354                 this->parent.write = fake_eeprom_write;
355                 memset(this->contents, 0, FAKE_EEPROM_CONTENTS_SIZE);
356         }
357
358 We can now use it to test ``struct eeprom_buffer``:
359
360 .. code-block:: c
361
362         struct eeprom_buffer_test {
363                 struct fake_eeprom *fake_eeprom;
364                 struct eeprom_buffer *eeprom_buffer;
365         };
366
367         static void eeprom_buffer_test_does_not_write_until_flush(struct kunit *test)
368         {
369                 struct eeprom_buffer_test *ctx = test->priv;
370                 struct eeprom_buffer *eeprom_buffer = ctx->eeprom_buffer;
371                 struct fake_eeprom *fake_eeprom = ctx->fake_eeprom;
372                 char buffer[] = {0xff};
373
374                 eeprom_buffer->flush_count = SIZE_MAX;
375
376                 eeprom_buffer->write(eeprom_buffer, buffer, 1);
377                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[0], 0);
378
379                 eeprom_buffer->write(eeprom_buffer, buffer, 1);
380                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[1], 0);
381
382                 eeprom_buffer->flush(eeprom_buffer);
383                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[0], 0xff);
384                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[1], 0xff);
385         }
386
387         static void eeprom_buffer_test_flushes_after_flush_count_met(struct kunit *test)
388         {
389                 struct eeprom_buffer_test *ctx = test->priv;
390                 struct eeprom_buffer *eeprom_buffer = ctx->eeprom_buffer;
391                 struct fake_eeprom *fake_eeprom = ctx->fake_eeprom;
392                 char buffer[] = {0xff};
393
394                 eeprom_buffer->flush_count = 2;
395
396                 eeprom_buffer->write(eeprom_buffer, buffer, 1);
397                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[0], 0);
398
399                 eeprom_buffer->write(eeprom_buffer, buffer, 1);
400                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[0], 0xff);
401                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[1], 0xff);
402         }
403
404         static void eeprom_buffer_test_flushes_increments_of_flush_count(struct kunit *test)
405         {
406                 struct eeprom_buffer_test *ctx = test->priv;
407                 struct eeprom_buffer *eeprom_buffer = ctx->eeprom_buffer;
408                 struct fake_eeprom *fake_eeprom = ctx->fake_eeprom;
409                 char buffer[] = {0xff, 0xff};
410
411                 eeprom_buffer->flush_count = 2;
412
413                 eeprom_buffer->write(eeprom_buffer, buffer, 1);
414                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[0], 0);
415
416                 eeprom_buffer->write(eeprom_buffer, buffer, 2);
417                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[0], 0xff);
418                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[1], 0xff);
419                 /* Should have only flushed the first two bytes. */
420                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[2], 0);
421         }
422
423         static int eeprom_buffer_test_init(struct kunit *test)
424         {
425                 struct eeprom_buffer_test *ctx;
426
427                 ctx = kunit_kzalloc(test, sizeof(*ctx), GFP_KERNEL);
428                 KUNIT_ASSERT_NOT_ERR_OR_NULL(test, ctx);
429
430                 ctx->fake_eeprom = kunit_kzalloc(test, sizeof(*ctx->fake_eeprom), GFP_KERNEL);
431                 KUNIT_ASSERT_NOT_ERR_OR_NULL(test, ctx->fake_eeprom);
432                 fake_eeprom_init(ctx->fake_eeprom);
433
434                 ctx->eeprom_buffer = new_eeprom_buffer(&ctx->fake_eeprom->parent);
435                 KUNIT_ASSERT_NOT_ERR_OR_NULL(test, ctx->eeprom_buffer);
436
437                 test->priv = ctx;
438
439                 return 0;
440         }
441
442         static void eeprom_buffer_test_exit(struct kunit *test)
443         {
444                 struct eeprom_buffer_test *ctx = test->priv;
445
446                 destroy_eeprom_buffer(ctx->eeprom_buffer);
447         }
448
449 .. _kunit-on-non-uml:
450
451 KUnit on non-UML architectures
452 ==============================
453
454 By default KUnit uses UML as a way to provide dependencies for code under test.
455 Under most circumstances KUnit's usage of UML should be treated as an
456 implementation detail of how KUnit works under the hood. Nevertheless, there
457 are instances where being able to run architecture specific code, or test
458 against real hardware is desirable. For these reasons KUnit supports running on
459 other architectures.
460
461 Running existing KUnit tests on non-UML architectures
462 -----------------------------------------------------
463
464 There are some special considerations when running existing KUnit tests on
465 non-UML architectures:
466
467 *   Hardware may not be deterministic, so a test that always passes or fails
468     when run under UML may not always do so on real hardware.
469 *   Hardware and VM environments may not be hermetic. KUnit tries its best to
470     provide a hermetic environment to run tests; however, it cannot manage state
471     that it doesn't know about outside of the kernel. Consequently, tests that
472     may be hermetic on UML may not be hermetic on other architectures.
473 *   Some features and tooling may not be supported outside of UML.
474 *   Hardware and VMs are slower than UML.
475
476 None of these are reasons not to run your KUnit tests on real hardware; they are
477 only things to be aware of when doing so.
478
479 The biggest impediment will likely be that certain KUnit features and
480 infrastructure may not support your target environment. For example, at this
481 time the KUnit Wrapper (``tools/testing/kunit/kunit.py``) does not work outside
482 of UML. Unfortunately, there is no way around this. Using UML (or even just a
483 particular architecture) allows us to make a lot of assumptions that make it
484 possible to do things which might otherwise be impossible.
485
486 Nevertheless, all core KUnit framework features are fully supported on all
487 architectures, and using them is straightforward: all you need to do is to take
488 your kunitconfig, your Kconfig options for the tests you would like to run, and
489 merge them into whatever config your are using for your platform. That's it!
490
491 For example, let's say you have the following kunitconfig:
492
493 .. code-block:: none
494
495         CONFIG_KUNIT=y
496         CONFIG_KUNIT_EXAMPLE_TEST=y
497
498 If you wanted to run this test on an x86 VM, you might add the following config
499 options to your ``.config``:
500
501 .. code-block:: none
502
503         CONFIG_KUNIT=y
504         CONFIG_KUNIT_EXAMPLE_TEST=y
505         CONFIG_SERIAL_8250=y
506         CONFIG_SERIAL_8250_CONSOLE=y
507
508 All these new options do is enable support for a common serial console needed
509 for logging.
510
511 Next, you could build a kernel with these tests as follows:
512
513
514 .. code-block:: bash
515
516         make ARCH=x86 olddefconfig
517         make ARCH=x86
518
519 Once you have built a kernel, you could run it on QEMU as follows:
520
521 .. code-block:: bash
522
523         qemu-system-x86_64 -enable-kvm \
524                            -m 1024 \
525                            -kernel arch/x86_64/boot/bzImage \
526                            -append 'console=ttyS0' \
527                            --nographic
528
529 Interspersed in the kernel logs you might see the following:
530
531 .. code-block:: none
532
533         TAP version 14
534                 # Subtest: example
535                 1..1
536                 # example_simple_test: initializing
537                 ok 1 - example_simple_test
538         ok 1 - example
539
540 Congratulations, you just ran a KUnit test on the x86 architecture!
541
542 Writing new tests for other architectures
543 -----------------------------------------
544
545 The first thing you must do is ask yourself whether it is necessary to write a
546 KUnit test for a specific architecture, and then whether it is necessary to
547 write that test for a particular piece of hardware. In general, writing a test
548 that depends on having access to a particular piece of hardware or software (not
549 included in the Linux source repo) should be avoided at all costs.
550
551 Even if you only ever plan on running your KUnit test on your hardware
552 configuration, other people may want to run your tests and may not have access
553 to your hardware. If you write your test to run on UML, then anyone can run your
554 tests without knowing anything about your particular setup, and you can still
555 run your tests on your hardware setup just by compiling for your architecture.
556
557 .. important::
558    Always prefer tests that run on UML to tests that only run under a particular
559    architecture, and always prefer tests that run under QEMU or another easy
560    (and monitarily free) to obtain software environment to a specific piece of
561    hardware.
562
563 Nevertheless, there are still valid reasons to write an architecture or hardware
564 specific test: for example, you might want to test some code that really belongs
565 in ``arch/some-arch/*``. Even so, try your best to write the test so that it
566 does not depend on physical hardware: if some of your test cases don't need the
567 hardware, only require the hardware for tests that actually need it.
568
569 Now that you have narrowed down exactly what bits are hardware specific, the
570 actual procedure for writing and running the tests is pretty much the same as
571 writing normal KUnit tests. One special caveat is that you have to reset
572 hardware state in between test cases; if this is not possible, you may only be
573 able to run one test case per invocation.
574
575 .. TODO(brendanhiggins@google.com): Add an actual example of an architecture
576    dependent KUnit test.