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[tor.git] / doc / HACKING / WritingTests.md
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1 # Writing tests for Tor: an incomplete guide
3 Tor uses a variety of testing frameworks and methodologies to try to
4 keep from introducing bugs.  The major ones are:
6    1. Unit tests written in C and shipped with the Tor distribution.
8    2. Integration tests written in Python 2 (>= 2.7) or Python 3
9       (>= 3.1) and shipped with the Tor distribution.
11    3. Integration tests written in Python and shipped with the Stem
12       library.  Some of these use the Tor controller protocol.
14    4. System tests written in Python and SH, and shipped with the
15       Chutney package.  These work by running many instances of Tor
16       locally, and sending traffic through them.
18    5. The Shadow network simulator.
20 ## How to run these tests
22 ### The easy version
24 To run all the tests that come bundled with Tor, run `make check`.
26 To run the Stem tests as well, fetch stem from the git repository,
27 set `STEM_SOURCE_DIR` to the checkout, and run `make test-stem`.
29 To run the Chutney tests as well, fetch chutney from the git repository,
30 set `CHUTNEY_PATH` to the checkout, and run `make test-network`.
32 To run all of the above, run `make test-full`.
34 To run all of the above, plus tests that require a working connection to the
35 internet, run `make test-full-online`.
37 ### Running particular subtests
39 The Tor unit tests are divided into separate programs and a couple of
40 bundled unit test programs.
42 Separate programs are easy.  For example, to run the memwipe tests in
43 isolation, you just run `./src/test/test-memwipe`.
45 To run tests within the unit test programs, you can specify the name
46 of the test.  The string ".." can be used as a wildcard at the end of the
47 test name.  For example, to run all the cell format tests, enter
48 `./src/test/test cellfmt/..`.
50 Many tests that need to mess with global state run in forked subprocesses in
51 order to keep from contaminating one another.  But when debugging a failing test,
52 you might want to run it without forking a subprocess.  To do so, use the
53 `--no-fork` option with a single test.  (If you specify it along with
54 multiple tests, they might interfere.)
56 You can turn on logging in the unit tests by passing one of `--debug`,
57 `--info`, `--notice`, or `--warn`.  By default only errors are displayed.
59 Unit tests are divided into `./src/test/test` and `./src/test/test-slow`.
60 The former are those that should finish in a few seconds; the latter tend to
61 take more time, and may include CPU-intensive operations, deliberate delays,
62 and stuff like that.
64 ## Finding test coverage
66 Test coverage is a measurement of which lines your tests actually visit.
68 When you configure Tor with the `--enable-coverage` option, it should
69 build with support for coverage in the unit tests, and in a special
70 `tor-cov` binary.
72 Then, run the tests you'd like to see coverage from.  If you have old
73 coverage output, you may need to run `reset-gcov` first.
75 Now you've got a bunch of files scattered around your build directories
76 called `*.gcda`.  In order to extract the coverage output from them, make a
77 temporary directory for them and run `./scripts/test/coverage ${TMPDIR}`,
78 where `${TMPDIR}` is the temporary directory you made.  This will create a
79 `.gcov` file for each source file under tests, containing that file's source
80 annotated with the number of times the tests hit each line.  (You'll need to
81 have gcov installed.)
83 You can get a summary of the test coverage for each file by running
84 `./scripts/test/cov-display ${TMPDIR}/*` .  Each line lists the file's name,
85 the number of uncovered lines, the number of uncovered lines, and the
86 coverage percentage.
88 For a summary of the test coverage for each _function_, run
89 `./scripts/test/cov-display -f ${TMPDIR}/*`.
91 For more details on using gcov, including the helper scripts in
92 scripts/test, see HelpfulTools.md.
94 ### Comparing test coverage
96 Sometimes it's useful to compare test coverage for a branch you're writing to
97 coverage from another branch (such as git master, for example).  But you
98 can't run `diff` on the two coverage outputs directly, since the actual
99 number of times each line is executed aren't so important, and aren't wholly
100 deterministic.
102 Instead, follow the instructions above for each branch, creating a separate
103 temporary directory for each.  Then, run `./scripts/test/cov-diff ${D1}
104 ${D2}`, where D1 and D2 are the directories you want to compare.  This will
105 produce a diff of the two directories, with all lines normalized to be either
106 covered or uncovered.
108 To count new or modified uncovered lines in D2, you can run:
110 ```console
111 $ ./scripts/test/cov-diff ${D1} ${D2}" | grep '^+ *\#' | wc -l
114 ## Marking lines as unreachable by tests
116 You can mark a specific line as unreachable by using the special
117 string LCOV_EXCL_LINE.  You can mark a range of lines as unreachable
118 with LCOV_EXCL_START... LCOV_EXCL_STOP.  Note that older versions of
119 lcov don't understand these lines.
121 You can post-process .gcov files to make these lines 'unreached' by
122 running ./scripts/test/cov-exclude on them.  It marks excluded
123 unreached lines with 'x', and excluded reached lines with '!!!'.
125 Note: you should never do this unless the line is meant to 100%
126 unreachable by actual code.
128 ## What kinds of test should I write?
130 Integration testing and unit testing are complementary: it's probably a
131 good idea to make sure that your code is hit by both if you can.
133 If your code is very-low level, and its behavior is easily described in
134 terms of a relation between inputs and outputs, or a set of state
135 transitions, then it's a natural fit for unit tests.  (If not, please
136 consider refactoring it until most of it _is_ a good fit for unit
137 tests!)
139 If your code adds new externally visible functionality to Tor, it would
140 be great to have a test for that functionality.  That's where
141 integration tests more usually come in.
143 ## Unit and regression tests: Does this function do what it's supposed to?
145 Most of Tor's unit tests are made using the "tinytest" testing framework.
146 You can see a guide to using it in the tinytest manual at
148     https://github.com/nmathewson/tinytest/blob/master/tinytest-manual.md
150 To add a new test of this kind, either edit an existing C file in `src/test/`,
151 or create a new C file there.  Each test is a single function that must
152 be indexed in the table at the end of the file.  We use the label "done:" as
153 a cleanup point for all test functions.
155 If you have created a new test file, you will need to:
156 1. Add the new test file to include.am
157 2. In `test.h`, include the new test cases (testcase_t)
158 3. In `test.c`, add the new test cases to testgroup_t testgroups
160 (Make sure you read `tinytest-manual.md` before proceeding.)
162 I use the term "unit test" and "regression tests" very sloppily here.
164 ## A simple example
166 Here's an example of a test function for a simple function in util.c:
168 ```c
169 static void
170 test_util_writepid(void *arg)
172     (void) arg;
174     char *contents = NULL;
175     const char *fname = get_fname("tmp_pid");
176     unsigned long pid;
177     char c;
179     write_pidfile(fname);
181     contents = read_file_to_str(fname, 0, NULL);
182     tt_assert(contents);
184     int n = sscanf(contents, "%lu\n%c", &pid, &c);
185     tt_int_op(n, OP_EQ, 1);
186     tt_int_op(pid, OP_EQ, getpid());
188 done:
189     tor_free(contents);
193 This should look pretty familiar to you if you've read the tinytest
194 manual.  One thing to note here is that we use the testing-specific
195 function `get_fname` to generate a file with respect to a temporary
196 directory that the tests use.  You don't need to delete the file;
197 it will get removed when the tests are done.
199 Also note our use of `OP_EQ` instead of `==` in the `tt_int_op()` calls.
200 We define `OP_*` macros to use instead of the binary comparison
201 operators so that analysis tools can more easily parse our code.
202 (Coccinelle really hates to see `==` used as a macro argument.)
204 Finally, remember that by convention, all `*_free()` functions that
205 Tor defines are defined to accept NULL harmlessly.  Thus, you don't
206 need to say `if (contents)` in the cleanup block.
208 ## Exposing static functions for testing
210 Sometimes you need to test a function, but you don't want to expose
211 it outside its usual module.
213 To support this, Tor's build system compiles a testing version of
214 each module, with extra identifiers exposed.  If you want to
215 declare a function as static but available for testing, use the
216 macro `STATIC` instead of `static`.  Then, make sure there's a
217 macro-protected declaration of the function in the module's header.
219 For example, `crypto_curve25519.h` contains:
221 ```c
222 #ifdef CRYPTO_CURVE25519_PRIVATE
223 STATIC int curve25519_impl(uint8_t *output, const uint8_t *secret,
224         const uint8_t *basepoint);
225 #endif
228 The `crypto_curve25519.c` file and the `test_crypto.c` file both define
229 `CRYPTO_CURVE25519_PRIVATE`, so they can see this declaration.
231 ## STOP!  Does this test really test?
233 When writing tests, it's not enough to just generate coverage on all the
234 lines of the code that you're testing:  It's important to make sure that
235 the test _really tests_ the code.
237 For example, here is a _bad_ test for the unlink() function (which is
238 supposed to remove a file).
240 ```c
241 static void
242 test_unlink_badly(void *arg)
244     (void) arg;
245     int r;
247     const char *fname = get_fname("tmpfile");
249     /* If the file isn't there, unlink returns -1 and sets ENOENT */
250     r = unlink(fname);
251     tt_int_op(n, OP_EQ, -1);
252     tt_int_op(errno, OP_EQ, ENOENT);
254     /* If the file DOES exist, unlink returns 0. */
255     write_str_to_file(fname, "hello world", 0);
256     r = unlink(fnme);
257     tt_int_op(r, OP_EQ, 0);
259 done:
260     tor_free(contents);
264 This test might get very high coverage on unlink().  So why is it a
265 bad test? Because it doesn't check that unlink() *actually removes the
266 named file*!
268 Remember, the purpose of a test is to succeed if the code does what
269 it's supposed to do, and fail otherwise.  Try to design your tests so
270 that they check for the code's intended and documented functionality
271 as much as possible.
273 ## Mock functions for testing in isolation
275 Often we want to test that a function works right, but the function to
276 be tested depends on other functions whose behavior is hard to observe,
277 or which require a working Tor network, or something like that.
279 To write tests for this case, you can replace the underlying functions
280 with testing stubs while your unit test is running.  You need to declare
281 the underlying function as 'mockable', as follows:
283 ```c
284 MOCK_DECL(returntype, functionname, (argument list));
287 and then later implement it as:
289 ```c
290 MOCK_IMPL(returntype, functionname, (argument list))
292     /* implementation here */
296 For example, if you had a 'connect to remote server' function, you could
297 declare it as:
299 ```c
300 MOCK_DECL(int, connect_to_remote, (const char *name, status_t *status));
303 When you declare a function this way, it will be declared as normal in
304 regular builds, but when the module is built for testing, it is declared
305 as a function pointer initialized to the actual implementation.
307 In your tests, if you want to override the function with a temporary
308 replacement, you say:
310 ```c
311 MOCK(functionname, replacement_function_name);
314 And later, you can restore the original function with:
316 ```c
317 UNMOCK(functionname);
320 For more information, see the definitions of this mocking logic in
321 `testsupport.h`.
323 ## Okay but what should my tests actually do?
325 We talk above about "test coverage" -- making sure that your tests visit
326 every line of code, or every branch of code.  But visiting the code isn't
327 enough: we want to verify that it's correct.
329 So when writing tests, try to make tests that should pass with any correct
330 implementation of the code, and that should fail if the code doesn't do what
331 it's supposed to do.
333 You can write "black-box" tests or "glass-box" tests.  A black-box test is
334 one that you write without looking at the structure of the function.  A
335 glass-box one is one you implement while looking at how the function is
336 implemented.
338 In either case, make sure to consider common cases *and* edge cases; success
339 cases and failure csaes.
341 For example, consider testing this function:
343 ```c
344 /** Remove all elements E from sl such that E==element.  Preserve
345  * the order of any elements before E, but elements after E can be
346  * rearranged.
347  */
348 void smartlist_remove(smartlist_t *sl, const void *element);
351 In order to test it well, you should write tests for at least all of the
352 following cases.  (These would be black-box tests, since we're only looking
353 at the declared behavior for the function:
355    * Remove an element that is in the smartlist.
356    * Remove an element that is not in the smartlist.
357    * Remove an element that appears in the smartlist more than once.
359 And your tests should verify that it behaves correct.  At minimum, you should
360 test:
362    * That other elements before E are in the same order after you call the
363      functions.
364    * That the target element is really removed.
365    * That _only_ the target element is removed.
367 When you consider edge cases, you might try:
369    * Remove an element from an empty list.
370    * Remove an element from a singleton list containing that element.
371    * Remove an element for a list containing several instances of that
372      element, and nothing else.
374 Now let's look at the implementation:
376 ```c
377 void
378 smartlist_remove(smartlist_t *sl, const void *element)
380     int i;
381     if (element == NULL)
382         return;
383     for (i=0; i < sl->num_used; i++)
384         if (sl->list[i] == element) {
385             sl->list[i] = sl->list[--sl->num_used]; /* swap with the end */
386             i--; /* so we process the new i'th element */
387             sl->list[sl->num_used] = NULL;
388         }
392 Based on the implementation, we now see three more edge cases to test:
394    * Removing NULL from the list.
395    * Removing an element from the end of the list
396    * Removing an element from a position other than the end of the list.
398 ## What should my tests NOT do?
400 Tests shouldn't require a network connection.
402 Whenever possible, tests shouldn't take more than a second.  Put the test
403 into test/slow if it genuinely needs to be run.
405 Tests should not alter global state unless they run with `TT_FORK`: Tests
406 should not require other tests to be run before or after them.
408 Tests should not leak memory or other resources.  To find out if your tests
409 are leaking memory, run them under valgrind (see HelpfulTools.txt for more
410 information on how to do that).
412 When possible, tests should not be over-fit to the implementation.  That is,
413 the test should verify that the documented behavior is implemented, but
414 should not break if other permissible behavior is later implemented.
416 ## Advanced techniques: Namespaces
418 Sometimes, when you're doing a lot of mocking at once, it's convenient to
419 isolate your identifiers within a single namespace.  If this were C++, we'd
420 already have namespaces, but for C, we do the best we can with macros and
421 token-pasting.
423 We have some macros defined for this purpose in `src/test/test.h`.  To use
424 them, you define `NS_MODULE` to a prefix to be used for your identifiers, and
425 then use other macros in place of identifier names.  See `src/test/test.h` for
426 more documentation.
428 ## Integration tests: Calling Tor from the outside
430 Some tests need to invoke Tor from the outside, and shouldn't run from the
431 same process as the Tor test program.  Reasons for doing this might include:
433    * Testing the actual behavior of Tor when run from the command line
434    * Testing that a crash-handler correctly logs a stack trace
435    * Verifying that violating a sandbox or capability requirement will
436      actually crash the program.
437    * Needing to run as root in order to test capability inheritance or
438      user switching.
440 To add one of these, you generally want a new C program in `src/test`.  Add it
441 to `TESTS` and `noinst_PROGRAMS` if it can run on its own and return success or
442 failure.  If it needs to be invoked multiple times, or it needs to be
443 wrapped, add a new shell script to `TESTS`, and the new program to
444 `noinst_PROGRAMS`.  If you need access to any environment variable from the
445 makefile (eg `${PYTHON}` for a python interpreter), then make sure that the
446 makefile exports them.
448 ## Writing integration tests with Stem
450 The 'stem' library includes extensive tests for the Tor controller protocol.
451 You can run stem tests from tor with `make test-stem`, or see
452 `https://stem.torproject.org/faq.html#how-do-i-run-the-tests`.
454 To see what tests are available, have a look around the `test/*` directory in
455 stem. The first thing you'll notice is that there are both `unit` and `integ`
456 tests. The former are for tests of the facilities provided by stem itself that
457 can be tested on their own, without the need to hook up a tor process. These
458 are less relevant, unless you want to develop a new stem feature. The latter,
459 however, are a very useful tool to write tests for controller features. They
460 provide a default environment with a connected tor instance that can be
461 modified and queried. Adding more integration tests is a great way to increase
462 the test coverage inside Tor, especially for controller features.
464 Let's assume you actually want to write a test for a previously untested
465 controller feature. I'm picking the `exit-policy/*` GETINFO queries. Since
466 these are a controller feature that we want to write an integration test for,
467 the right file to modify is
468 `https://gitweb.torproject.org/stem.git/tree/test/integ/control/controller.py`.
470 First off we notice that there is an integration test called
471 `test_get_exit_policy()` that's already written. This exercises the interaction
472 of stem's `Controller.get_exit_policy()` method, and is not relevant for our
473 test since there are no stem methods to make use of all `exit-policy/*`
474 queries (if there were, likely they'd be tested already. Maybe you want to
475 write a stem feature, but I chose to just add tests).
477 Our test requires a tor controller connection, so we'll use the
478 `@require_controller` annotation for our `test_exit_policy()` method. We need a
479 controller instance, which we get from
480 `test.runner.get_runner().get_tor_controller()`. The attached Tor instance is
481 configured as a client, but the exit-policy GETINFO queries need a relay to
482 work, so we have to change the config (using `controller.set_options()`). This
483 is OK for us to do, we just have to remember to set DisableNetwork so we don't
484 actually start an exit relay and also to undo the changes we made (by calling
485 `controller.reset_conf()` at the end of our test). Additionally, we have to
486 configure a static Address for Tor to use, because it refuses to build a
487 descriptor when it can't guess a suitable IP address. Unfortunately, these
488 kinds of tripwires are everywhere. Don't forget to file appropriate tickets if
489 you notice any strange behaviour that seems totally unreasonable.
491 Check out the `test_exit_policy()` function in abovementioned file to see the
492 final implementation for this test.
494 ## System testing with Chutney
496 The 'chutney' program configures and launches a set of Tor relays,
497 authorities, and clients on your local host.  It has a `test network`
498 functionality to send traffic through them and verify that the traffic
499 arrives correctly.
501 You can write new test networks by adding them to `networks`. To add
502 them to Tor's tests, add them to the `test-network` or `test-network-all`
503 targets in `Makefile.am`.
505 (Adding new kinds of program to chutney will still require hacking the
506 code.)
508 ## Other integration tests
510 It's fine to write tests that use a POSIX shell to invoke Tor or test other
511 aspects of the system.  When you do this, have a look at our existing tests
512 of this kind in `src/test/` to make sure that you haven't forgotten anything
513 important.  For example: it can be tricky to make sure you're invoking Tor at
514 the right path in various build scenarios.
516 We use a POSIX shell whenever possible here, and we use the shellcheck tool
517 to make sure that our scripts portable.  We should only require bash for
518 scripts that are developer-only.