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[i3/i3.github.io] / _docs / testsuite
1 i3 testsuite
2 ============
3 Michael Stapelberg <michael@i3wm.org>
4 September 2012
5
6 This document explains how the i3 testsuite works, how to use it and extend it.
7 It is targeted at developers who not necessarily have been doing testing before
8 or have not been testing in Perl before. In general, the testsuite is not of
9 interest for end users.
10
11
12 == Introduction
13
14 The i3 testsuite is a collection of files which contain testcases for various
15 i3 features. Some of them test if a certain workflow works correctly (moving
16 windows, focus behaviour, …). Others are regression tests and contain code
17 which previously made i3 crash or lead to unexpected behaviour. They then check
18 if i3 still runs (meaning it did not crash) and if it handled everything
19 correctly.
20
21 The goal of having these tests is to automatically find problems and to
22 automatically get a feel for whether a change in the source code breaks any
23 existing feature. After every modification of the i3 sourcecode, the developer
24 should run the full testsuite. If one of the tests fails, the corresponding
25 problem should be fixed (or, in some cases, the testcase has to be modified).
26 For every bugreport, a testcase should be written to test the correct
27 behaviour. Initially, it will fail, but after fixing the bug, it will pass.
28 This ensures (or increases the chance) that bugs which have been fixed once
29 will never be found again.
30
31 Also, when implementing a new feature, a testcase might be a good way to be
32 able to easily test if the feature is working correctly. Many developers will
33 test manually if everything works. Having a testcase not only helps you with
34 that, but it will also be useful for every future change.
35
36 == Relevant documentation
37
38 Apart from this document, you should also have a look at:
39
40 1. The "Modern Perl" book, which can be found at
41    http://onyxneon.com/books/modern_perl/modern_perl_a4.pdf
42 2. The latest Perl documentation of the "i3test" (general testcase setup) and
43    "i3test::Test" (additional test instructions) modules:
44    http://build.i3wm.org/docs/lib-i3test.html respectively
45    http://build.i3wm.org/docs/lib-i3test-test.html
46 3. The latest documentation on i3’s IPC interface:
47    http://build.i3wm.org/docs/ipc.html
48
49 == Implementation
50
51 For several reasons, the i3 testsuite has been implemented in Perl:
52
53 1. Perl has a long tradition of testing. Every popular/bigger Perl module which
54    you can find on CPAN will not only come with documentation, but also with
55    tests. Therefore, the available infrastructure for tests is comprehensive.
56    See for example the excellent http://search.cpan.org/perldoc?Test::More
57    and the referenced http://search.cpan.org/perldoc?Test::Tutorial.
58
59 2. Perl is widely available and has a well-working package infrastructure.
60 3. The author is familiar with Perl :).
61 4. It is a good idea to use a different language for the tests than the
62    implementation itself.
63
64 Please do not start programming language flamewars at this point.
65
66 === Installing the dependencies
67
68 As usual with Perl programs, the testsuite ships with a +Makefile.PL+.
69 This file specifies which Perl modules the testsuite depends on and can be used
70 to install all of them.
71
72 Perl modules are distributed via CPAN, and there is the official, standard CPAN
73 client, simply called +cpan+. It comes with every Perl installation and can be
74 used to install the testsuite. Many users prefer to use the more modern
75 +cpanminus+ instead, though (because it asks no questions and just works):
76
77 The tests additionally require +Xephyr(1)+ to run a nested X server. Install
78 +xserver-xephyr+ on Debian or +xorg-xserver-xephyr+ on Arch Linux.
79
80 .Installing testsuite dependencies using cpanminus (preferred)
81 --------------------------------------------------------------------------------
82 $ cd ~/i3/testcases
83 $ sudo apt-get install cpanminus
84 $ sudo cpanm .
85 --------------------------------------------------------------------------------
86
87 If you don’t want to use cpanminus for some reason, the same works with cpan:
88
89 .Installing testsuite dependencies using cpan
90 --------------------------------------------------------------------------------
91 $ cd ~/i3/testcases
92 $ sudo cpan .
93 --------------------------------------------------------------------------------
94
95 In case you don’t have root permissions, you can also install into your home
96 directory, see http://michael.stapelberg.de/cpan/
97
98 === Mechanisms
99
100 ==== Script: complete-run
101
102 The testcases are run by a script called +complete-run.pl+. It runs all
103 testcases by default, but you can be more specific and let it only run one or
104 more testcases. Also, it takes care of starting up a separate instance of i3
105 with an appropriate configuration file and creates a folder for each run
106 containing the appropriate i3 logfile for each testcase. The latest folder can
107 always be found under the symlink +latest/+. Unless told differently, it will
108 run the tests on a separate X server instance (using Xephyr).
109
110 Xephyr will open a window where you can inspect the running test. You can run
111 the tests without an X session with Xvfb, such as with +xvfb-run
112 ./complete-run+. This will also speed up the tests signficantly especially on
113 machines without a powerful video card.
114
115 .Example invocation of complete-run.pl+
116 ---------------------------------------
117 $ cd ~/i3/testcases
118
119 $ ./complete-run.pl
120 # output omitted because it is very long
121 All tests successful.
122 Files=78, Tests=734, 27 wallclock secs ( 0.38 usr  0.48 sys + 17.65 cusr  3.21 csys = 21.72 CPU)
123 Result: PASS
124
125 $ ./complete-run.pl t/04-floating.t
126 [:3] i3 startup: took 0.07s, status = 1
127 [:3] Running t/04-floating.t with logfile testsuite-2011-09-24-16-06-04-4.0.2-226-g1eb011a/i3-log-for-04-floating.t
128 [:3] t/04-floating.t finished
129 [:3] killing i3
130 output for t/04-floating.t:
131 ok 1 - use X11::XCB::Window;
132 ok 2 - The object isa X11::XCB::Window
133 ok 3 - Window is mapped
134 ok 4 - i3 raised the width to 75
135 ok 5 - i3 raised the height to 50
136 ok 6 - i3 did not map it to (0x0)
137 ok 7 - The object isa X11::XCB::Window
138 ok 8 - i3 let the width at 80
139 ok 9 - i3 let the height at 90
140 ok 10 - i3 mapped it to x=1
141 ok 11 - i3 mapped it to y=18
142 ok 12 - The object isa X11::XCB::Window
143 ok 13 - i3 let the width at 80
144 ok 14 - i3 let the height at 90
145 1..14
146
147 All tests successful.
148 Files=1, Tests=14,  0 wallclock secs ( 0.01 usr  0.00 sys +  0.19 cusr  0.03 csys =  0.23 CPU)
149 Result: PASS
150
151 $ less latest/i3-log-for-04-floating.t
152 ----------------------------------------
153
154 If your attempt to run the tests with a bare call to ./complete-run.pl fails, try this:
155
156 ---------------------------------------------------
157 $ ./complete-run.pl --parallel=1 --keep-xserver-output
158 ---------------------------------------------------
159
160 This will show the output of Xephyr, which is the X server implementation we
161 use for testing.
162
163 ==== IPC interface
164
165 The testsuite makes extensive use of the IPC (Inter-Process Communication)
166 interface which i3 provides. It is used for the startup process of i3, for
167 terminating it cleanly and (most importantly) for modifying and getting the
168 current state (layout tree).
169
170 See [http://i3wm.org/docs/ipc.html] for documentation on the IPC interface.
171
172 ==== X11::XCB
173
174 In order to open new windows, change attributes, get events, etc., the
175 testsuite uses X11::XCB, a new (and quite specific to i3 at the moment) Perl
176 module which uses the XCB protocol description to generate Perl bindings to
177 X11. They work in a very similar way to libxcb (which i3 uses) and provide
178 relatively high-level interfaces (objects such as +X11::XCB::Window+) aswell as
179 access to the low-level interface, which is very useful when testing a window
180 manager.
181
182 === Filesystem structure
183
184 In the git root of i3, the testcases live in the folder +testcases+. This
185 folder contains the +complete-run.pl+ and a base configuration file which will
186 be used for the tests. The different testcases (their file extension is .t, not
187 .pl) themselves can be found in the conventionally named subfolder +t+:
188
189 .Filesystem structure
190 --------------------------------------------
191 ├── testcases
192 │   ├── complete-run.pl
193 │   ├── i3-test.config
194 │   ├── lib
195 │   │   ├── i3test.pm
196 │   │   ├── SocketActivation.pm
197 │   │   └── StartXDummy.pm
198 │   ├── t
199 │   │   ├── 00-load.t
200 │   │   ├── 01-tile.t
201 │   │   ├── 02-fullscreen.t
202 │   │   ├── ...
203 │   │   ├── omitted for brevity
204 │   │   ├── ...
205 │   │   └── 74-regress-focus-toggle.t
206 --------------------------------------------
207
208 == Anatomy of a testcase
209
210 Learning by example is definitely a good strategy when you are wondering how to
211 write a testcase. Let's take +t/11-goto.t+ as an easy example and go through it
212 step by step:
213
214 .t/11-goto.t: Boilerplate
215 ----------------------
216 #!perl
217 # vim:ts=4:sw=4:expandtab
218
219 use i3test;
220 use File::Temp;
221
222 my $x = X11::XCB::Connection->new;
223 -----------------------
224
225 This is what we call boilerplate. It exists at the top of every test file (to
226 some extent). The first line is the shebang, which specifies that this file is
227 a Perl script. The second line contains VIM specific settings on how to
228 edit/format this file (use spaces instead of tabs, indent using 4 spaces).
229 Afterwards, the +i3test+ module is used. This module contains i3 testsuite
230 specific functions which you are strongly encouraged to use. They make writing
231 testcases a lot easier and will make it easier for other people to read your
232 tests.
233
234 The next line uses the +File::Temp+ module. This is specific to this testcase,
235 because it needs to generate a temporary name during the test. Many testcases
236 use only the +i3test+ module.
237
238 The last line opens a connection to X11. You might or might not need this in
239 your testcase, depending on whether you are going to open windows (etc.) or
240 only use i3 commands.
241
242 .t/11-goto.t: Setup
243 ----------------------
244 my $tmp = fresh_workspace;
245
246 cmd 'split h';
247 ----------------------
248
249 The first line calls i3test's +fresh_workspace+ function which looks for a
250 currently unused workspace, switches to it, and returns its name. The variable
251 +$tmp+ will end up having a value such as +"/tmp/87kBVcHbA9"+. Note that this
252 is not (necessarily) a valid path, it's just a random workspace name.
253
254 So, now that we are on a new workspace, we ensure that the workspace uses
255 horizontal orientation by issuing the +split h+ command (see the i3 User's
256 Guide for a list of commands). This is not strictly necessary, but good style.
257 In general, the +cmd+ function executes the specified i3 command by using the
258 IPC interface and returns once i3 acknowledged the command.
259
260 .t/11-goto.t: Setup
261 ----------------------
262 #####################################################################
263 # Create two windows and make sure focus switching works
264 #####################################################################
265
266 my $top = open_window($x);
267 my $mid = open_window($x);
268 my $bottom = open_window($x);
269 ----------------------
270
271 In every major section of a testcase, you should put a comment like the one
272 above. This makes it immediately clear how the file is structured.
273
274 The +open_window+ function opens a standard window, which will then be put into
275 tiling mode by i3. If you want a floating window, use the
276 +open_floating_window+ function. These functions accept the same parameters as
277 +X11::XCB::Window->new+, see the i3test documentation at TODO.
278
279 .t/11-goto.t: Helper function
280 ----------------------
281 #
282 # Returns the input focus after sending the given command to i3 via IPC
283 # and syncing with i3
284 #
285 sub focus_after {
286     my $msg = shift;
287
288     cmd $msg;
289     sync_with_i3 $x;
290     return $x->input_focus;
291 }
292 ----------------------
293
294 This section defines a helper function which will be used over and over in this
295 testcase. If you have code which gets executed more than once or twice
296 (depending on the length of your test, use your best judgement), please put it
297 in a function. Tests should be short, concise and clear.
298
299 The +focus_after+ function executes a command and returns the X11 focus after
300 the command was executed. The +sync_with_i3+ command makes sure that i3 could
301 push its state to X11. See <<i3_sync>> to learn how this works exactly.
302
303 .t/11-goto.t: Test assumptions
304 ----------------------
305 $focus = $x->input_focus;
306 is($focus, $bottom->id, "Latest window focused");
307
308 $focus = focus_after('focus left');
309 is($focus, $mid->id, "Middle window focused");
310 ----------------------
311
312 Now, we run the first two real tests. They use +Test::More+'s +is+ function,
313 which compares two values and prints the differences if they are not the same.
314 After the arguments, we supply a short comment to indicate what we are testing
315 here. This makes it vastly more easy for the developer to spot which testcase
316 is the problem in case one fails.
317
318 The first test checks that the most recently opened window is focused.
319 Afterwards, the command +focus left+ is issued and it is verified that the
320 middle window now has focus.
321
322 Note that this is not a comprehensive test of the +focus+ command -- we would
323 have to test wrapping, focus when using a more complex layout, focusing the
324 parent/child containers, etc. But that is not the point of this testcase.
325 Instead, we just want to know if +$x->input_focus+ corresponds with what we are
326 expecting. If not, something is completely wrong with the test environment and
327 this trivial test will fail.
328
329 .t/11-goto.t: Test that the feature does not work (yet)
330 ----------------------
331 #####################################################################
332 # Now goto a mark which does not exist
333 #####################################################################
334
335 my $random_mark = mktemp('mark.XXXXXX');
336
337 $focus = focus_after(qq|[con_mark="$random_mark"] focus|);
338 is($focus, $mid->id, "focus unchanged");
339 ----------------------
340
341 Syntax hint: The qq keyword is the interpolating quote operator. It lets you
342 chose a quote character (in this case the +|+ character, a pipe). This makes
343 having double quotes in our string easy.
344
345 In this new major section, a random mark (mark is an identifier for a window,
346 see "VIM-like marks" in the i3 User’s Guide) will be generated. Afterwards, we
347 test that trying to focus that mark will not do anything. This is important: Do
348 not only test that using a feature has the expected outcome, but also test that
349 using it without properly initializing it does no harm. This command could for
350 example have changed focus anyways (a bug) or crash i3 (obviously a bug).
351
352 .t/11-goto.t: Test that the feature does work
353 ----------------------
354 cmd "mark $random_mark";
355
356 $focus = focus_after('focus left');
357 is($focus, $top->id, "Top window focused");
358
359 $focus = focus_after(qq|[con_mark="$random_mark"] focus|);
360 is($focus, $mid->id, "goto worked");
361 ----------------------
362
363 Remember: Focus was on the middle window (we verified that earlier in "Test
364 assumptions"). We now mark the middle window with our randomly generated mark.
365 Afterwards, we switch focus away from the middle window to be able to tell if
366 focusing it via its mark will work. If the test works, the goto command seems
367 to be working.
368
369 .t/11-goto.t: Test corner case
370 ----------------------
371 # check that we can specify multiple criteria
372
373 $focus = focus_after('focus left');
374 is($focus, $top->id, "Top window focused");
375
376 $focus = focus_after(qq|[con_mark="$random_mark" con_mark="$random_mark"] focus|);
377 is($focus, $mid->id, "goto worked");
378 ----------------------
379
380 Now we test the same feature, but specifying the mark twice in the command.
381 This should have no effect, but let’s be sure: test it and see if things go
382 wrong.
383
384 .t/11-goto.t: Test second code path
385 ----------------------
386 #####################################################################
387 # Check whether the focus command will switch to a different
388 # workspace if necessary
389 #####################################################################
390
391 my $tmp2 = fresh_workspace;
392
393 is(focused_ws(), $tmp2, 'tmp2 now focused');
394
395 cmd qq|[con_mark="$random_mark"] focus|;
396
397 is(focused_ws(), $tmp, 'tmp now focused');
398 ----------------------
399
400 This part of the test checks that focusing windows by mark works across
401 workspaces. It uses i3test's +focused_ws+ function to get the current
402 workspace.
403
404 .t/11-goto.t: Test second code path
405 ----------------------
406 done_testing;
407 ----------------------
408
409 The end of every testcase has to contain the +done_testing+ line. This tells
410 +complete-run.pl+ that the test was finished successfully. If it does not
411 occur, the test might have crashed during execution -- some of the reasons why
412 that could happen are bugs in the used modules, bugs in the testcase itself or
413 an i3 crash resulting in the testcase being unable to communicate with i3 via
414 IPC anymore.
415
416 [[i3_sync]]
417 == Appendix A: The i3 sync protocol
418
419 Consider the following situation: You open two windows in your testcase, then
420 you use +focus left+ and want to verify that the X11 focus has been updated
421 properly. Sounds simple, right? Let’s assume you use this straight-forward
422 implementation:
423
424 .Racey focus testcase
425 -----------
426 my $left = open_window($x);
427 my $right = open_window($x);
428 cmd 'focus left';
429 is($x->input_focus, $left->id, 'left window focused');
430 ----------
431
432 However, the test fails. Sometimes. Apparantly, there is a race condition in
433 your test. If you think about it, this is because you are using two different
434 pieces of software: You tell i3 to update focus, i3 confirms that, and then you
435 ask X11 to give you the current focus. There is a certain time i3 needs to
436 update the X11 state. If the testcase gets CPU time before X11 processed i3's
437 requests, the test will fail.
438
439 image::i3-sync.png["Diagram of the race condition", title="Diagram of the race condition"]
440
441 One way to "solve" this would be to add +sleep 0.5;+ after the +cmd+ call.
442 After 0.5 seconds it should be safe to assume that focus has been updated,
443 right?
444
445 In practice, this usually works. However, it has several problems:
446
447 1. This is obviously not a clean solution, but a workaround. Ugly.
448 2. On very slow machines, this might not work. Unlikely, but in different
449    situations (a delay to wait for i3 to startup) the necessary time is much
450    harder to guess, even for fast machines.
451 3. This *wastes a lot of time*. Usually, your computer is much faster than 0.5s
452    to update the status. However, sometimes, it might take 0.4s, so we can’t
453    make it +sleep 0.1+.
454
455 To illustrate how grave the problem with wasting time actually is: Before
456 removing all sleeps from the testsuite, a typical run using 4 separate X
457 servers took around 50 seconds on my machine. After removing all the sleeps,
458 we achieved times of about 25 seconds. This is very significant and influences
459 the way you think about tests -- the faster they are, the more likely you are
460 to check whether everything still works quite often (which you should).
461
462 What I am trying to say is: Delays adds up quickly and make the test suite
463 less robust.
464
465 The real solution for this problem is a mechanism which I call "the i3 sync
466 protocol". The idea is to send a request (which does not modify state) via X11
467 to i3 which will then be answered. Due to the request's position in the event
468 queue (*after* all previous events), you can be sure that by the time you
469 receive the reply, all other events have been dealt with by i3 (and, more
470 importantly, X11).
471
472 image::i3-sync-working.png["Diagram of the i3 sync solution", title="Diagram of the i3 sync solution"]
473
474 === Implementation details
475
476 The client which wants to sync with i3 initiates the protocol by sending a
477 ClientMessage to the X11 root window:
478
479 .Send ClientMessage
480 -------------------
481 # Generate a ClientMessage, see xcb_client_message_t
482 my $msg = pack "CCSLLLLLLL",
483     CLIENT_MESSAGE, # response_type
484     32,     # format
485     0,      # sequence
486     $root,  # destination window
487     $x->atom(name => 'I3_SYNC')->id,
488
489     $_sync_window->id,    # data[0]: our own window id
490     $myrnd, # data[1]: a random value to identify the request
491     0,
492     0,
493     0;
494
495 # Send it to the root window -- since i3 uses the SubstructureRedirect
496 # event mask, it will get the ClientMessage.
497 $x->send_event(0, $root, EVENT_MASK_SUBSTRUCTURE_REDIRECT, $msg);
498 -------------------
499
500 i3 will then reply with the same ClientMessage, sent to the window specified in
501 +data[0]+. In the reply, +data[0]+ and +data[1]+ are exactly the same as in the
502 request. You should use a random value in +data[1]+ and check that you received
503 the same one when getting the reply.
504
505 == Appendix B: Socket activation
506
507 Socket activation is a mechanism which was made popular by systemd, an init
508 replacement. It basically describes creating a listening socket before starting
509 a program.  systemd will invoke the program only when an actual connection to
510 the socket is made, hence the term socket activation.
511
512 The interesting part of this (in the i3 context) is that you can very precisely
513 detect when the program is ready (finished its initialization).
514
515 === Preparing the listening socket
516
517 +complete-run.pl+ will create a listening UNIX socket which it will then pass
518 to i3. This socket will be used by i3 as an additional IPC socket, just like
519 the one it will create on its own. Passing the socket happens implicitly
520 because children will inherit the parent’s sockets when fork()ing and sockets
521 will continue to exist after an exec() call (unless CLOEXEC is set of course).
522
523 The only explicit things +complete-run.pl+ has to do is setting the +LISTEN_FDS+
524 environment variable to the number of sockets which exist (1 in our case) and
525 setting the +LISTEN_PID+ environment variable to the current process ID. Both
526 variables are necessary so that the program (i3) knows how many sockets it
527 should use and if the environment variable is actually intended for it. i3 will
528 then start looking for sockets at file descriptor 3 (since 0, 1 and 2 are used
529 for stdin, stdout and stderr, respectively).
530
531 The actual Perl code which sets up the socket, fork()s, makes sure the socket
532 has file descriptor 3 and sets up the environment variables follows (shortened
533 a bit):
534
535
536 .Setup socket and environment
537 -----------------------------
538 my $socket = IO::Socket::UNIX->new(
539     Listen => 1,
540     Local => $args{unix_socket_path},
541 );
542
543 my $pid = fork;
544 if ($pid == 0) {
545     $ENV{LISTEN_PID} = $$;
546     $ENV{LISTEN_FDS} = 1;
547
548     # Only pass file descriptors 0 (stdin), 1 (stdout),
549     # 2 (stderr) and 3 (socket) to the child.
550     $^F = 3;
551
552     # If the socket does not use file descriptor 3 by chance
553     # already, we close fd 3 and dup2() the socket to 3.
554     if (fileno($socket) != 3) {
555         POSIX::close(3);
556         POSIX::dup2(fileno($socket), 3);
557     }
558
559     exec "/usr/bin/i3";
560 }
561 -----------------------------
562
563 === Waiting for a reply
564
565 In the parent process, we want to know when i3 is ready to answer our IPC
566 requests and handle our windows. Therefore, after forking, we immediately close
567 the listening socket (i3 will handle this side of the socket) and connect to it
568 (remember, we are talking about a named UNIX socket) as a client. This connect
569 call will immediately succeed because the kernel buffers it. Then, we send a
570 request (of type GET_TREE, but that is not really relevant). Writing data to
571 the socket will also succeed immediately because, again, the kernel buffers it
572 (only up to a certain amount of data of course).
573
574 Afterwards, we just blockingly wait until we get an answer. In the child
575 process, i3 will setup the listening socket in its event loop. Immediately
576 after actually starting the event loop, it will notice a new client connecting
577 (the parent process) and handle its request. Since all initialization has been
578 completed successfully by the time the event loop is entered, we can now assume
579 that i3 is ready.
580
581 === Timing and conclusion
582
583 A beautiful feature of this mechanism is that it does not depend on timing. It
584 does not matter when the child process gets CPU time or when the parent process
585 gets CPU time. On heavily loaded machines (or machines with multiple CPUs,
586 cores or unreliable schedulers), this makes waiting for i3 much more robust.
587
588 Before using socket activation, we typically used a +sleep(1)+ and hoped that
589 i3 was initialized by that time. Of course, this breaks on some (slow)
590 computers and wastes a lot of time on faster computers. By using socket
591 activation, we decreased the total amount of time necessary to run all tests
592 (72 files at the time of writing) from > 100 seconds to 16 seconds. This makes
593 it significantly more attractive to run the test suite more often (or at all)
594 during development.
595
596 An alternative approach to using socket activation is polling for the existance
597 of the IPC socket and connecting to it. While this might be slightly easier to
598 implement, it wastes CPU time and is considerably uglier than this solution
599 :). After all, +lib/SocketActivation.pm+ contains only 54 SLOC.