Merge branches 'acpi-scan', 'acpi-pnp' and 'acpi-sleep'
[linux-2.6-microblaze.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 unit tests are 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 fails, 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 a unit's behaviors. Consequently it is common
178 to have many *similar* tests; in order to reduce duplication in these closely
179 related tests most unit testing frameworks - including KUnit - provide the
180 concept of a *test suite*. A *test suite* is just a collection of test cases
181 for a unit of code with a set up function that gets invoked before every test
182 case and then a tear down function that gets invoked after every test case
183 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 ``kunit_test_suite(...)`` is a macro which tells the linker to put the specified
215 test suite in a special linker section so that it can be run by KUnit either
216 after late_init, or when the test module is loaded (depending on whether the
217 test was built in or not).
218
219 For more information on these types of things see the :doc:`api/test`.
220
221 Isolating Behavior
222 ==================
223
224 The most important aspect of unit testing that other forms of testing do not
225 provide is the ability to limit the amount of code under test to a single unit.
226 In practice, this is only possible by being able to control what code gets run
227 when the unit under test calls a function and this is usually accomplished
228 through some sort of indirection where a function is exposed as part of an API
229 such that the definition of that function can be changed without affecting the
230 rest of the code base. In the kernel this primarily comes from two constructs,
231 classes, structs that contain function pointers that are provided by the
232 implementer, and architecture-specific functions which have definitions selected
233 at compile time.
234
235 Classes
236 -------
237
238 Classes are not a construct that is built into the C programming language;
239 however, it is an easily derived concept. Accordingly, pretty much every project
240 that does not use a standardized object oriented library (like GNOME's GObject)
241 has their own slightly different way of doing object oriented programming; the
242 Linux kernel is no exception.
243
244 The central concept in kernel object oriented programming is the class. In the
245 kernel, a *class* is a struct that contains function pointers. This creates a
246 contract between *implementers* and *users* since it forces them to use the
247 same function signature without having to call the function directly. In order
248 for it to truly be a class, the function pointers must specify that a pointer
249 to the class, known as a *class handle*, be one of the parameters; this makes
250 it possible for the member functions (also known as *methods*) to have access
251 to member variables (more commonly known as *fields*) allowing the same
252 implementation to have multiple *instances*.
253
254 Typically a class can be *overridden* by *child classes* by embedding the
255 *parent class* in the child class. Then when a method provided by the child
256 class is called, the child implementation knows that the pointer passed to it is
257 of a parent contained within the child; because of this, the child can compute
258 the pointer to itself because the pointer to the parent is always a fixed offset
259 from the pointer to the child; this offset is the offset of the parent contained
260 in the child struct. For example:
261
262 .. code-block:: c
263
264         struct shape {
265                 int (*area)(struct shape *this);
266         };
267
268         struct rectangle {
269                 struct shape parent;
270                 int length;
271                 int width;
272         };
273
274         int rectangle_area(struct shape *this)
275         {
276                 struct rectangle *self = container_of(this, struct shape, parent);
277
278                 return self->length * self->width;
279         };
280
281         void rectangle_new(struct rectangle *self, int length, int width)
282         {
283                 self->parent.area = rectangle_area;
284                 self->length = length;
285                 self->width = width;
286         }
287
288 In this example (as in most kernel code) the operation of computing the pointer
289 to the child from the pointer to the parent is done by ``container_of``.
290
291 Faking Classes
292 ~~~~~~~~~~~~~~
293
294 In order to unit test a piece of code that calls a method in a class, the
295 behavior of the method must be controllable, otherwise the test ceases to be a
296 unit test and becomes an integration test.
297
298 A fake just provides an implementation of a piece of code that is different than
299 what runs in a production instance, but behaves identically from the standpoint
300 of the callers; this is usually done to replace a dependency that is hard to
301 deal with, or is slow.
302
303 A good example for this might be implementing a fake EEPROM that just stores the
304 "contents" in an internal buffer. For example, let's assume we have a class that
305 represents an EEPROM:
306
307 .. code-block:: c
308
309         struct eeprom {
310                 ssize_t (*read)(struct eeprom *this, size_t offset, char *buffer, size_t count);
311                 ssize_t (*write)(struct eeprom *this, size_t offset, const char *buffer, size_t count);
312         };
313
314 And we want to test some code that buffers writes to the EEPROM:
315
316 .. code-block:: c
317
318         struct eeprom_buffer {
319                 ssize_t (*write)(struct eeprom_buffer *this, const char *buffer, size_t count);
320                 int flush(struct eeprom_buffer *this);
321                 size_t flush_count; /* Flushes when buffer exceeds flush_count. */
322         };
323
324         struct eeprom_buffer *new_eeprom_buffer(struct eeprom *eeprom);
325         void destroy_eeprom_buffer(struct eeprom *eeprom);
326
327 We can easily test this code by *faking out* the underlying EEPROM:
328
329 .. code-block:: c
330
331         struct fake_eeprom {
332                 struct eeprom parent;
333                 char contents[FAKE_EEPROM_CONTENTS_SIZE];
334         };
335
336         ssize_t fake_eeprom_read(struct eeprom *parent, size_t offset, char *buffer, size_t count)
337         {
338                 struct fake_eeprom *this = container_of(parent, struct fake_eeprom, parent);
339
340                 count = min(count, FAKE_EEPROM_CONTENTS_SIZE - offset);
341                 memcpy(buffer, this->contents + offset, count);
342
343                 return count;
344         }
345
346         ssize_t fake_eeprom_write(struct eeprom *parent, size_t offset, const char *buffer, size_t count)
347         {
348                 struct fake_eeprom *this = container_of(parent, struct fake_eeprom, parent);
349
350                 count = min(count, FAKE_EEPROM_CONTENTS_SIZE - offset);
351                 memcpy(this->contents + offset, buffer, count);
352
353                 return count;
354         }
355
356         void fake_eeprom_init(struct fake_eeprom *this)
357         {
358                 this->parent.read = fake_eeprom_read;
359                 this->parent.write = fake_eeprom_write;
360                 memset(this->contents, 0, FAKE_EEPROM_CONTENTS_SIZE);
361         }
362
363 We can now use it to test ``struct eeprom_buffer``:
364
365 .. code-block:: c
366
367         struct eeprom_buffer_test {
368                 struct fake_eeprom *fake_eeprom;
369                 struct eeprom_buffer *eeprom_buffer;
370         };
371
372         static void eeprom_buffer_test_does_not_write_until_flush(struct kunit *test)
373         {
374                 struct eeprom_buffer_test *ctx = test->priv;
375                 struct eeprom_buffer *eeprom_buffer = ctx->eeprom_buffer;
376                 struct fake_eeprom *fake_eeprom = ctx->fake_eeprom;
377                 char buffer[] = {0xff};
378
379                 eeprom_buffer->flush_count = SIZE_MAX;
380
381                 eeprom_buffer->write(eeprom_buffer, buffer, 1);
382                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[0], 0);
383
384                 eeprom_buffer->write(eeprom_buffer, buffer, 1);
385                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[1], 0);
386
387                 eeprom_buffer->flush(eeprom_buffer);
388                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[0], 0xff);
389                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[1], 0xff);
390         }
391
392         static void eeprom_buffer_test_flushes_after_flush_count_met(struct kunit *test)
393         {
394                 struct eeprom_buffer_test *ctx = test->priv;
395                 struct eeprom_buffer *eeprom_buffer = ctx->eeprom_buffer;
396                 struct fake_eeprom *fake_eeprom = ctx->fake_eeprom;
397                 char buffer[] = {0xff};
398
399                 eeprom_buffer->flush_count = 2;
400
401                 eeprom_buffer->write(eeprom_buffer, buffer, 1);
402                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[0], 0);
403
404                 eeprom_buffer->write(eeprom_buffer, buffer, 1);
405                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[0], 0xff);
406                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[1], 0xff);
407         }
408
409         static void eeprom_buffer_test_flushes_increments_of_flush_count(struct kunit *test)
410         {
411                 struct eeprom_buffer_test *ctx = test->priv;
412                 struct eeprom_buffer *eeprom_buffer = ctx->eeprom_buffer;
413                 struct fake_eeprom *fake_eeprom = ctx->fake_eeprom;
414                 char buffer[] = {0xff, 0xff};
415
416                 eeprom_buffer->flush_count = 2;
417
418                 eeprom_buffer->write(eeprom_buffer, buffer, 1);
419                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[0], 0);
420
421                 eeprom_buffer->write(eeprom_buffer, buffer, 2);
422                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[0], 0xff);
423                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[1], 0xff);
424                 /* Should have only flushed the first two bytes. */
425                 KUNIT_EXPECT_EQ(test, fake_eeprom->contents[2], 0);
426         }
427
428         static int eeprom_buffer_test_init(struct kunit *test)
429         {
430                 struct eeprom_buffer_test *ctx;
431
432                 ctx = kunit_kzalloc(test, sizeof(*ctx), GFP_KERNEL);
433                 KUNIT_ASSERT_NOT_ERR_OR_NULL(test, ctx);
434
435                 ctx->fake_eeprom = kunit_kzalloc(test, sizeof(*ctx->fake_eeprom), GFP_KERNEL);
436                 KUNIT_ASSERT_NOT_ERR_OR_NULL(test, ctx->fake_eeprom);
437                 fake_eeprom_init(ctx->fake_eeprom);
438
439                 ctx->eeprom_buffer = new_eeprom_buffer(&ctx->fake_eeprom->parent);
440                 KUNIT_ASSERT_NOT_ERR_OR_NULL(test, ctx->eeprom_buffer);
441
442                 test->priv = ctx;
443
444                 return 0;
445         }
446
447         static void eeprom_buffer_test_exit(struct kunit *test)
448         {
449                 struct eeprom_buffer_test *ctx = test->priv;
450
451                 destroy_eeprom_buffer(ctx->eeprom_buffer);
452         }
453
454 .. _kunit-on-non-uml:
455
456 KUnit on non-UML architectures
457 ==============================
458
459 By default KUnit uses UML as a way to provide dependencies for code under test.
460 Under most circumstances KUnit's usage of UML should be treated as an
461 implementation detail of how KUnit works under the hood. Nevertheless, there
462 are instances where being able to run architecture-specific code or test
463 against real hardware is desirable. For these reasons KUnit supports running on
464 other architectures.
465
466 Running existing KUnit tests on non-UML architectures
467 -----------------------------------------------------
468
469 There are some special considerations when running existing KUnit tests on
470 non-UML architectures:
471
472 *   Hardware may not be deterministic, so a test that always passes or fails
473     when run under UML may not always do so on real hardware.
474 *   Hardware and VM environments may not be hermetic. KUnit tries its best to
475     provide a hermetic environment to run tests; however, it cannot manage state
476     that it doesn't know about outside of the kernel. Consequently, tests that
477     may be hermetic on UML may not be hermetic on other architectures.
478 *   Some features and tooling may not be supported outside of UML.
479 *   Hardware and VMs are slower than UML.
480
481 None of these are reasons not to run your KUnit tests on real hardware; they are
482 only things to be aware of when doing so.
483
484 The biggest impediment will likely be that certain KUnit features and
485 infrastructure may not support your target environment. For example, at this
486 time the KUnit Wrapper (``tools/testing/kunit/kunit.py``) does not work outside
487 of UML. Unfortunately, there is no way around this. Using UML (or even just a
488 particular architecture) allows us to make a lot of assumptions that make it
489 possible to do things which might otherwise be impossible.
490
491 Nevertheless, all core KUnit framework features are fully supported on all
492 architectures, and using them is straightforward: all you need to do is to take
493 your kunitconfig, your Kconfig options for the tests you would like to run, and
494 merge them into whatever config your are using for your platform. That's it!
495
496 For example, let's say you have the following kunitconfig:
497
498 .. code-block:: none
499
500         CONFIG_KUNIT=y
501         CONFIG_KUNIT_EXAMPLE_TEST=y
502
503 If you wanted to run this test on an x86 VM, you might add the following config
504 options to your ``.config``:
505
506 .. code-block:: none
507
508         CONFIG_KUNIT=y
509         CONFIG_KUNIT_EXAMPLE_TEST=y
510         CONFIG_SERIAL_8250=y
511         CONFIG_SERIAL_8250_CONSOLE=y
512
513 All these new options do is enable support for a common serial console needed
514 for logging.
515
516 Next, you could build a kernel with these tests as follows:
517
518
519 .. code-block:: bash
520
521         make ARCH=x86 olddefconfig
522         make ARCH=x86
523
524 Once you have built a kernel, you could run it on QEMU as follows:
525
526 .. code-block:: bash
527
528         qemu-system-x86_64 -enable-kvm \
529                            -m 1024 \
530                            -kernel arch/x86_64/boot/bzImage \
531                            -append 'console=ttyS0' \
532                            --nographic
533
534 Interspersed in the kernel logs you might see the following:
535
536 .. code-block:: none
537
538         TAP version 14
539                 # Subtest: example
540                 1..1
541                 # example_simple_test: initializing
542                 ok 1 - example_simple_test
543         ok 1 - example
544
545 Congratulations, you just ran a KUnit test on the x86 architecture!
546
547 In a similar manner, kunit and kunit tests can also be built as modules,
548 so if you wanted to run tests in this way you might add the following config
549 options to your ``.config``:
550
551 .. code-block:: none
552
553         CONFIG_KUNIT=m
554         CONFIG_KUNIT_EXAMPLE_TEST=m
555
556 Once the kernel is built and installed, a simple
557
558 .. code-block:: bash
559
560         modprobe example-test
561
562 ...will run the tests.
563
564 .. note::
565    Note that you should make sure your test depends on ``KUNIT=y`` in Kconfig
566    if the test does not support module build.  Otherwise, it will trigger
567    compile errors if ``CONFIG_KUNIT`` is ``m``.
568
569 Writing new tests for other architectures
570 -----------------------------------------
571
572 The first thing you must do is ask yourself whether it is necessary to write a
573 KUnit test for a specific architecture, and then whether it is necessary to
574 write that test for a particular piece of hardware. In general, writing a test
575 that depends on having access to a particular piece of hardware or software (not
576 included in the Linux source repo) should be avoided at all costs.
577
578 Even if you only ever plan on running your KUnit test on your hardware
579 configuration, other people may want to run your tests and may not have access
580 to your hardware. If you write your test to run on UML, then anyone can run your
581 tests without knowing anything about your particular setup, and you can still
582 run your tests on your hardware setup just by compiling for your architecture.
583
584 .. important::
585    Always prefer tests that run on UML to tests that only run under a particular
586    architecture, and always prefer tests that run under QEMU or another easy
587    (and monetarily free) to obtain software environment to a specific piece of
588    hardware.
589
590 Nevertheless, there are still valid reasons to write an architecture or hardware
591 specific test: for example, you might want to test some code that really belongs
592 in ``arch/some-arch/*``. Even so, try your best to write the test so that it
593 does not depend on physical hardware: if some of your test cases don't need the
594 hardware, only require the hardware for tests that actually need it.
595
596 Now that you have narrowed down exactly what bits are hardware specific, the
597 actual procedure for writing and running the tests is pretty much the same as
598 writing normal KUnit tests. One special caveat is that you have to reset
599 hardware state in between test cases; if this is not possible, you may only be
600 able to run one test case per invocation.
601
602 .. TODO(brendanhiggins@google.com): Add an actual example of an architecture-
603    dependent KUnit test.
604
605 KUnit debugfs representation
606 ============================
607 When kunit test suites are initialized, they create an associated directory
608 in ``/sys/kernel/debug/kunit/<test-suite>``.  The directory contains one file
609
610 - results: "cat results" displays results of each test case and the results
611   of the entire suite for the last test run.
612
613 The debugfs representation is primarily of use when kunit test suites are
614 run in a native environment, either as modules or builtin.  Having a way
615 to display results like this is valuable as otherwise results can be
616 intermixed with other events in dmesg output.  The maximum size of each
617 results file is KUNIT_LOG_SIZE bytes (defined in ``include/kunit/test.h``).