Недавно в нашем блоге мы рассказывали об использовании предметно-ориентированных языков для решения конкретных задач разработки с помощью Python. Сегодня речь пойдет о тестировании — в частности, о том, почему стопроцентное покрытие тестами кода это на самом деле плохо.
Материал подготовлен на основе выступления разработчика Positive Technologies Ивана Цыганова на конференции Moscow Python Conf (слайды, видео).
Зачем мы пишем тесты
ИБ-эксперты Positive Technologies проводят более 200 аудитов информационной безопасности в год, но мы прежде всего продуктовая компания. Один из наших продуктов — система контроля защищенности и соответствия стандартам MaxPatrol.
Продукт состоит из трех больших подсистем:
- Pentest отвечает за тестирование на проникновение — система без реквизитов доступа пытается собрать данные о сетевых устройствах. .
- Audit выполняет системные проверки — имея реквизиты доступа система собирает информацию о устройстве.
- Compliance — выполняет проверки на соответствие стандартам.
Размер только лишь одной подсистемы Audit составляет более 50000 строк — без тестов, деклараций, только чистый Python-код. Зачем мы пишем тесты для столь значительного объёма кода?
- Нам важно понимать, что написанный код работает.
- Ревью кода становится проще.
- Так мы получаем гарантию, что ничего не сломалось при изменениях.
Проверка покрытия кода тестами также позволяет решать свои задачи:
- Становится видно, какой код в действительности протестирован.
- Она позволяет увидеть все ветви исполнения кода, которые могут быть не всегда очевидны.
Нужно ли 100% покрытие
Здесь есть интересный момент — многие специалисты считают, что проверка покрытия тестами говорит о качестве тестирования. На самом деле это совершенно не так. Да, это хорошая ачивка («у нас 100% coverage!»), но это не означает того, что проект полностью протестирован. Стопроцентное покрытие говорит лишь о стопроцентном покрытии кода тестами, и ни о чем больше.
Для Python де-факто стандартом проверки покрытия является библиотека coverage.py. Она позволяет проверить покрытие кода тестами, у нее есть плагин для pytest. В основном, библиотека работает, но не всегда.
Пример — код ниже покрыт тестами на 100%. И в этом примере претензий к работе coverage.py нет.
Но на более сложной функции один тест дает 100% покрытие, при этом функция остается не протестированной. Мы не проверяем ситуацию, когда единственный ‘if’ функции обернется в False.
У библиотеки есть еще один режим работы, который позволяет отслеживать покрытие ветвей исполнения кода. Если запустить проверку в этом режиме, то будет видно, что не покрыт переход из третей в пятую строку кода. Это означает, что на всех запусках тестов мы никогда не попадали из третьей строки сразу в пятую, а всегда попадали в четвертую, то есть “if” на всех тестовых данных оборачивался в True.
Как считается покрытие
Существует простая формула для расчета покрытия кода тестами:
Coverage.py работает по такой схеме — сначала библиотека берет все исходники и прогоняет через собственный анализатор для получения списка инструкций. Этот анализатор обходит все токены и отмечает «интересные» с его точки зрения факты, затем компилирует код, обходит получившийся code-object и сохраняет номера строк. При обходе токенов он запоминает определения классов, «сворачивает» многострочные выражения и исключает комментарии.
Переходы между строками считаются примерно так же:
Опять берется исходный код и анализируется классом AstArcAnalyzer для получения пары значений — из какой строки в какую возможен переход. AstArcAnalyzer обходит AST-дерево исходников с корневой ноды, при этом каждый тип нод отрабатывается отдельно.
Далее нужно каким-то образом получить информацию о реально выполненных строках — для этого в coverage.py используется функция settrace. Она позволяет нам установить свою функцию трассировки, которая будет вызываться при наступлении некоторых событий.
Например, при наступлении события “call” мы понимаем, что была вызвана функция или мы вошли в генератор… В этом случае библиотека сохраняет данные предыдущего контекста, начинает собирать данные нового контекста, учитывая особенности генераторов. Еще одно интересующее нас событие — событие “line”. В этом случае запоминается выполняемая строка и переход между строками. Событие return отмечает выход из контекста — тут важно помнить, что yield также вызывает наступление события “return”.
После этого строится отчет. К этому моменту у нас есть данные о том, что выполнялось, а также что должно было выполняться — по этим данным можно сделать выводы о покрытии кода тестами.
Все эти сложности с обходом байткода, AST-деревьев позволяют проверить покрытие очень сложного кода и получить корректный отчет. Казалось бы, вот она серебряная пуля, все просто отлично. Но на самом деле все не так хорошо.
Что может пойти не так
Рассмотрим простой пример — вызов некоторой функции с условием при передаче параметров.
Оператор if будет покрыт всегда. И мы никогда не узнаем, что это условие всегда оборачивалось в false.
Проблема возникнет и при использовании lambda — внутрь этой функции coverage.py не заглядывает и не скажет нам о том, что внутри что-то не покрыто. Не сможет библиотека разобраться и с list, dict, set-comprehensions.
Все эти случаи имеют кое-что общее. Как мы выяснили выше, coverage.py использует парсер и получает список инструкций. В итоге результатом работы библиотеки является покрытие инструкций, а не строк кода.
Делаем мир лучше
Возьмем простой пример непокрываемого кода:
Допустим, мы хотим покрыть его и знать, когда не срабатывало условие “or c”. Ни один режим coverage.py не позволит этого сделать. Что можно попробовать сделать в этом случае?
Можно установить собственную функцию трассировки, посмотреть на результат ее работы и сделать выводы. То есть, фактически, повторить то, что делает coverage.py. Этот вариант не подходит, поскольку мы имеем ограниченное количество событий: call, line, return, exception. Маленькие частички оператора if мы никогда не увидим.
Другой вариант — использовать модуль ast.NodeTransformer. С его помощью мы можем обойти дерево, обернуть в «нечто» каждую ноду, запустить и посмотреть, что выполнялось. Проблема здесь в том, что на уровне AST очень сложно обернуть ноду в “нечто”, не изменив при этом логику исполнения. Да и в целом, далеко не все ноды можно обернуть. Этот метод тоже подходит.
Но можно использовать и другой подход. Что если, во время импорта перехватить контроль, обойти байткод импортируемого модуля, добавить внутрь байткода вызов своей функции трассировки, собрать code-object и посмотрим, что получилось. Именно эта идея реализована в прототипе библиотеки OpTrace.
Как работает OpTrace
Прежде всего нужно установить Import.Hook— здесь все довольно просто. В нем есть Finder, который пропускает неинтересные нам модули, создав для нужных Loader. В свою очередь, этот класс получает байт-код модуля, строки его исходного кода, модифицирует байт-код и возвращает измененный байткод в качестве импортируемого модуля.
Работает все это так. Создается wrapper, внутри которого «пробрасываются» две функции — первая нужна для того, чтобы отметить опкод, как уже посещенный (visitor). Задача второй — просто отметить, что такой опкод существует в исходнике (marker).
В Python есть ряд инструментов для работы с байткодом. Прежде всего, это модуль dis и его одноименный метод позволяет увидеть байткод в красивом виде.
Подобное представление удобно просматривать, но не обрабатывать. Существует и другой метод — get_instructions. Он принимает на вход code-object и возвращает список инструкций.
На этом методе и строится работы прототипа библиотеки. С помощью этого метода обходится весь байткод. Чтобы отметить существование опкода вызывается проброшенная ранее функция marker.
С трассировкой дело обстоит несколько сложнее. Нельзя просто так взять и поместить в байткод вызов каких-то нужных нам методов. У CodeObject есть атрибут consts — это доступные внутри него константы. В них можно поместить lambda-функцию и “замкнуть” в нее текущую инструкцию в качестве параметра по-умолчанию. Таким образом, вызвав эту лямбду из констант без параметров, мы сможем трассировать выполнение конкретных опкодов. Далее нужно лишь сгенерировать код для вызова константы.
Важно не забыть про оригинальный опкод — нужно его тоже добавить — и его параметры, при этом необходимо учитывать смещение в последующих опкодах. После оборачивания байткода он будет выглядеть примерно так:
Болдом на скриншоте подсвечен оригинальный трассируемый байткод. После модификации байткода необходимо запустить тесты. Так мы выясним, какая часть кода выполнялась, а какая нет. Возникает вопрос, а что делать с непокрытыми опкодами? В проекте на 50 000 строк их перечисление может занять несколько страниц.
На самом деле способа однозначно перевести любой опкод к строке кода не существует, но можно попытаться его найти. У некоторых опкодов есть информация о строке, в которой они находятся. Значит при обходе мы можем сохранять текущую строку — до момента пока не встретим упоминания другой строки будем считать, что строка не менялась. Именно эта информация будет включаться в отчет. Теперь он выглядит гораздо лучше, уже понятно что и где произошло.
Допустим, что строки у нас всегда вычисляются корректно. Теперь можно попробовать вычислить позицию в строке для каждого пропущенного опкода. Рассмотрим несложный пример с опкодом LOAD_FAST. Его параметры говорят о том, что мы имеем дело с загрузкой некоей переменной. Мы можем попробовать в известной нам строке найти ее имя.
Покрыв примерно 70 типов опкодов удалось получить вменяемый отчет. Но многие опкоды покрыть невозможно. Новый отчет выглядит так:
Удивительно, но это работает. Например, мы четко видим, что не сработал LOAD_FAST для переменной c.
OpTrace: минусы и плюсы
При работе с прототипом имеется ряд проблем.
- В отчете не всегда верно отмечаются переменные.
- Часть опкодов приходится пропускать.
- Производительность работы, по сути, неизвестна — хотя здесь это не самый важный момент.
С другой стороны, есть и очевидные плюсы. Прежде всего — трассировка работает хорошо, а значит эта идея имеет право на жизнь.
Заключение
Одной из целей этого исследования и разработки была демонстрация факта того, что не существует идеальных библиотек. Coverage.py хорош, но не идеален — слепо верить его отчетам нельзя. Поэтому необходимо всегда разбираться с тем, как работает библиотека и изучать как она работает “изнутри”.
Еще один ключевой тезис — coverage в 100% расслабляет команду. Раз результатам работы библиотек нельзя полностью доверять, то полное покрытие — это просто ачивка, за которой могут скрываться реальные проблемы.
Автор: Positive Technologies
