实现无入侵式C++代码mock工具

news2024/12/23 9:25:40

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为了实现真正无侵入式的mock，我们基于开源Hook框架Frida-gum提供的API，利用C++模板进行封装，作者编写了一个简单实用的mock工具，在此开源分享（代码详见附录）。

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背景

在单元测试中，往往需要减少被测函数的外部依赖，如网络访问、数据库访问等。我们希望有一个mock工具能让我们轻松地屏蔽掉外部依赖。

C++的开源mock工具比较少，而且大多是基于多态实现的（如gmock），只支持mock虚函数，需要对原有代码结构进行调整，或编写mock类继承自原有类才能使用，工作量太大，我们的目标是单测代码与原有项目工程隔离，不需要为了单测对线上代码逻辑进行太大修改。为了实现真正无侵入式的mock，我们基于开源Hook框架Frida-gum提供的API，利用C++模板进行封装，编写了一个简单实用的mock工具，在此开源分享，希望能在单测工程的搭建上有所帮助，大家可以根据自己的项目情况，在此基础上扩展自己需要的功能。

Frida是一种动态插桩工具，可以插入一些代码到Win、Mac、Linux、Android或者iOS原生app的内存空间，动态地监视和修改其行为，在安卓逆向工程上应用非常多。

我们的mock工具也正是利用了Frida能动态修改函数执行的功能，在此我们不对其具体原理做过多阐述，有兴趣的同学可以移步附录的参考链接。

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实现的功能

mock工具实现了最实用的函数替换功能，支持所有类型的函数替换，如：成员函数、虚函数、静态函数、系统库的全局函数、链接库的函数，暂时不支持对匿名函数进行替换（需要拿到函数指针才行）。

▐  MOCK宏

MOCK(target, alter)

‍

第一个参数为被mock的函数指针，第二个参数为想要替换的lambda或者函数指针。

▐  MOCK_RETURN宏

MOCK_RETURN(target, alter)

对MOCK宏的封装，替换掉被mock函数的返回值，只支持值类型。

▐  ExpectTimes

被mock函数期望的调用次数。

MOCK_RETURN(&MyTest::testMember, 0)->ExpectTimes(1);    //测试运行次数

测试用例运行完成时，如果被mock的函数运行次数和期望的次数不一样，则测试用例运行失败。

▐  自动回滚mock


TEST(mock, mock脱离作用域自动失效) {
    int input = 10; //入参


    {
        MOCK_RETURN(&globalFunction, 100);
        ASSERT_EQ(globalFunction(input), 100);  //修改了返回值
    }
    ASSERT_EQ(globalFunction(input), input);  //mock析构后失效
}

利用此特性可以使单元测试每个测试用例相对独立，所以在一个测试用例中mock掉的函数，不影响其他用例，如果需要全局性的mock，需要将mock宏写在全局变量区域。

▐  跨平台

在MacOS、Linux、Windows、Android、iOS等平台都能使用。

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使用方式示例

下面的示例都基于这个类来使用mock

/**
 * 被mock的类
 */
class MyTest {
public:
    /**
     * 静态函数
     * @return 
     */
    static int testStatic() {
        return 0;
    }


    /**
     * 普通成员函数
     * @param input 
     * @return 
     */
    int testMember(int input) {
        return input;
    }


    /**
     * const 成员函数
     * @return 
     */
    int constMemberFun() const {
        return 0;
    }


    /**
     * 测试函数重载，输入int
     * @param intInput 
     * @return 
     */
    static int overloadFunction(int intInput) {
        return 0;
    }


    static int overloadFunction(double doubleInput) {
        return 0;
    }
};

▐  mock静态函数

// 将testStatic的返回值改为10
MOCK(&MyTest::testStatic, []() {
    return 10;  // 返回值从0修改为10
});


// 简单写法，效果同上，使用MOCK_RETURN 可以替换函数返回值
MOCK_RETURN(&MyTest::testStatic, 10);

▐  mock成员函数

// 将testMember的返回值改为 input + 1
MOCK(&MyTest::testMember, [](auto && self, auto && input) {
    // 成员函数被mock后，第一个参数为this指针，这里用self替换
    return input + 1;  //mock后返回input + 1（之前是返回input）
});
int input = 10; //入参
ASSERT_EQ(MyTest().testMember(input), input + 1);

‍

▐  mock函数重载

// 使用static_cast指定对应的重载获取函数指针
MOCK(static_cast<int(*)(int)>(&MyTest::overloadFunction), [](auto && ...args) {
    return 100;
});
ASSERT_EQ(MyTest().overloadFunction(10), 100);
ASSERT_EQ(MyTest().overloadFunction(10.0), 0);

▐  小结

  1. 通过MOCK宏来替换整个函数

  2. 通过MOCK_RETURN宏来替换函数返回值

  3. 可以使用 auto&& 简化你的函数入参类型

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什么时候适合使用mock

考虑在以下场景使用mock工具，可以减少你的单元测试成本：

  1. 代码中依赖的某个功能在你本次测试并不关心，如：db数据读取，发请求

  2. 测试用例依赖一些复杂的数据源，如：db数据读取，流水线上游数据，网络请求

  3. 一些非幂等性的函数调用或者结果返回不稳定的函数调用，如：随机数获取，时间获取，db写入

  4. 对象的某些状态难以创建或者重现，如：网络错误或者文件读写错误

  5. 验证一些中间过程值，如：你的函数没有返回值，或者中间过程值不方便验证，可以mock中间某个函数调用来验证中间过程结果是否正确

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注意事项

  1. 成员函数第一个函数入参为this指针

  2. 在新的函数中抛出的异常无法被原有的上层正常catch

  3. 断点调试时行号可能对不上，手动解除宏的封装可以解决，原因未知

  4. 建议单测工程不要开优化，否则会导致一些函数mock失败

  5. Frida会被内存泄漏检测工具报内存泄漏

  6. 对动态库使用mock工具时，库编译时需要加上 -fPIC 参数

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附录

▐  参考文档

  1. 「frida git仓库」https://github.com/frida/frida

  2. 「Frida工作原理学习」https://www.wangan.com/p/7fy7f8bd4ab57950

  3. 「frida-gum代码阅读笔记」https://o0xmuhe.github.io/2019/11/15/frida-gum%E4%BB%A3%E7%A0%81%E9%98%85%E8%AF%BB/

  4. 「FRIDA-GUM源码解读」https://jmpews.github.io/2017/06/27/pwn/frida-gum%E6%BA%90%E7%A0%81%E8%A7%A3%E8%AF%BB/


▐  代码

请自行下载对应平台的frida-gum头文件&链接库：https://github.com/frida/frida/releases

代码中使用了gtest，可以视情况决定需要是否保留 
#pragma once


#include <frida/frida-gum.h>
#include <functional>
#include <memory>
#include <string>
#include <type_traits>
#include "gtest/gtest.h"  // 使用了 EXPECT_EQ， 可以视情况保留


#define _COMBINE_(X, Y) X##Y  // helper macro
#define COMBINE(X, Y) _COMBINE_(X,Y)
#define MOCK(target, alter) auto && COMBINE(mock, __LINE__) = mock::Mock(target, alter)
#define MOCK_RETURN(target, alter) auto && COMBINE(mock, __LINE__) = mock::MockReturn(target, alter)


namespace {
/**
 * 将任意对象转换成void *
 * 用于函数指针的转换
 * @tparam T
 * @param t
 * @return 转换成void * 的函数指针
 */
template<typename T>
void * toVoidPtr(T src) {
    union {
        void * ptr;
        T src;
    } Func{};
    Func.src = src;
    return Func.ptr;
}
}


namespace mock {


/**
 * 一个对象管理一个mock，析构时自动回滚
 * @tparam RET
 * @tparam ARGS
 */
template<typename RET, typename ...ARGS>
class MockHandler : public std::enable_shared_from_this<MockHandler<RET, ARGS...>> {
public:


    /**
     * 这个函数作为回调函数传给frida
     * @param args
     * @return
     */
    static RET _invoke(ARGS... args) {
        auto * context = gum_interceptor_get_current_invocation();
        auto * handler = reinterpret_cast<MockHandler<RET, ARGS...> *>(
                gum_invocation_context_get_replacement_data(context));
        ++handler->mRunTimes;
        return handler->mAlterFun(std::forward<ARGS>(args)...);
    }


    MockHandler(void * target, const std::function<RET(ARGS...)> & fun) : mAlterFun(fun), mTarget(target) {
        gum_init_embedded();
        mInterceptor = gum_interceptor_obtain();
        gum_interceptor_begin_transaction(mInterceptor);
        gum_interceptor_replace(mInterceptor, mTarget, toVoidPtr(_invoke), toVoidPtr(this));
        gum_interceptor_end_transaction(mInterceptor);
    }


    /**
     * 析构时会回滚已经替换掉的函数，实现测试用例隔离
     */
    ~MockHandler() {
        if (mInterceptor == nullptr) {
            return;
        }
        gum_interceptor_begin_transaction(mInterceptor);
        gum_interceptor_revert(mInterceptor, mTarget);
        gum_interceptor_end_transaction(mInterceptor);


        g_object_unref(mInterceptor);


        if (mExpectRunTimes >= 0) {
            EXPECT_EQ(mExpectRunTimes, mRunTimes) << "运行次数和期望不相等";
        }
    }


    MockHandler(const MockHandler &) = delete;


    MockHandler & operator=(const MockHandler &) = delete;


    MockHandler(MockHandler &&) = delete;


    MockHandler & operator=(MockHandler &&) = delete;


    /**
     * 设置期望的运行次数
     * @param times
     * @return this指针
     */
    auto ExpectTimes(int times) {
        mExpectRunTimes = times;
        return std::enable_shared_from_this<MockHandler<RET, ARGS...>>::shared_from_this();
    }


private:
    GumInterceptor * mInterceptor{};


    //目标函数地址
    void * mTarget{};


    //用于替换的函数
    std::function<RET(ARGS...)> mAlterFun;


    //期望的运行次数
    int mExpectRunTimes{-1};


    //被mock函数已经运行的次数
    std::atomic_int mRunTimes{};
};


/**
 * 使用alter替换掉target函数指针，alter可以是lambda，也可以是函数指针
 * @tparam RET
 * @tparam CLS
 * @tparam ARG
 * @tparam T
 * @param target
 * @param alter
 * @return MockHandler
 */
template<typename RET, class CLS, typename ...ARG, typename T>
auto Mock(RET(CLS::* target)(ARG...), T alter) {
    return std::make_shared<MockHandler<RET, CLS *, ARG...>>(toVoidPtr(target), alter);;
}


template<typename RET, class CLS, typename ...ARG, typename T>
auto Mock(RET(CLS::* target)(ARG...) const, T alter) {
    return std::make_shared<MockHandler<RET, CLS *, ARG...>>(toVoidPtr(target), alter);
}


template<typename RET, typename ...ARG, typename T>
auto Mock(RET(* target)(ARG...), T alter) {
    return std::make_shared<MockHandler<RET, ARG...>>(toVoidPtr(target), alter);;
}


/**
 * mock返回值，mock的简便用法
 * @tparam RET
 * @tparam CLS
 * @tparam ARG
 * @param target
 * @param ret
 * @return MockHandler
 */
template<typename RET, class CLS, typename ...ARG>
auto MockReturn(RET(CLS::* target)(ARG...), RET ret) {
    return std::make_shared<MockHandler<RET, CLS *, ARG...>>(toVoidPtr(target), [=](auto && ...) {
        return ret;
    });
}


template<typename RET, class CLS, typename ...ARG>
auto MockReturn(RET(CLS::* target)(ARG...) const, RET ret) {
    return std::make_shared<MockHandler<RET, CLS *, ARG...>>(toVoidPtr(target), [=](auto && ...) {
        return ret;
    });
}


template<typename RET, typename ...ARG>
auto MockReturn(RET(target)(ARG...), RET ret) {
    return std::make_unique<MockHandler<RET, ARG...>>(toVoidPtr(target), [=](auto && ...) {
        return ret;
    });
}
}
# CMakeLists.txt
add_link_options(-lresolv -lpthread -ldl)
target_link_libraries(${YOUR_PROJECT} ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/libfrida-gum.a)

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团队介绍

我们是大淘宝技术全域触达&用户互动客户端团队，负责包含Push、POP弹层和消息沟通三大触达场景。全域触达&用户互动客户端团队追求极致的性能、流畅的交互体验和稳定的触达效率，用智能化的调控策略为用户带来更好的用户体验。



¤ 拓展阅读 ¤

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