]> git.sur5r.net Git - i3/i3/blob - docs/testsuite
Testcases: Use Xephyr instead of XDummy
[i3/i3] / 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 .Example invocation of complete-run.pl+
111 ---------------------------------------
112 $ cd ~/i3/testcases
113
114 $ ./complete-run.pl
115 # output omitted because it is very long
116 All tests successful.
117 Files=78, Tests=734, 27 wallclock secs ( 0.38 usr  0.48 sys + 17.65 cusr  3.21 csys = 21.72 CPU)
118 Result: PASS
119
120 $ ./complete-run.pl t/04-floating.t
121 [:3] i3 startup: took 0.07s, status = 1
122 [: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
123 [:3] t/04-floating.t finished
124 [:3] killing i3
125 output for t/04-floating.t:
126 ok 1 - use X11::XCB::Window;
127 ok 2 - The object isa X11::XCB::Window
128 ok 3 - Window is mapped
129 ok 4 - i3 raised the width to 75
130 ok 5 - i3 raised the height to 50
131 ok 6 - i3 did not map it to (0x0)
132 ok 7 - The object isa X11::XCB::Window
133 ok 8 - i3 let the width at 80
134 ok 9 - i3 let the height at 90
135 ok 10 - i3 mapped it to x=1
136 ok 11 - i3 mapped it to y=18
137 ok 12 - The object isa X11::XCB::Window
138 ok 13 - i3 let the width at 80
139 ok 14 - i3 let the height at 90
140 1..14
141
142 All tests successful.
143 Files=1, Tests=14,  0 wallclock secs ( 0.01 usr  0.00 sys +  0.19 cusr  0.03 csys =  0.23 CPU)
144 Result: PASS
145
146 $ less latest/i3-log-for-04-floating.t
147 ----------------------------------------
148
149 If your attempt to run the tests with a bare call to ./complete-run.pl fails, try this:
150
151 ---------------------------------------------------
152 $ ./complete-run.pl --parallel=1 --keep-xserver-output
153 ---------------------------------------------------
154
155 This will show the output of Xephyr, which is the X server implementation we
156 use for testing.
157
158 ==== IPC interface
159
160 The testsuite makes extensive use of the IPC (Inter-Process Communication)
161 interface which i3 provides. It is used for the startup process of i3, for
162 terminating it cleanly and (most importantly) for modifying and getting the
163 current state (layout tree).
164
165 See [http://i3wm.org/docs/ipc.html] for documentation on the IPC interface.
166
167 ==== X11::XCB
168
169 In order to open new windows, change attributes, get events, etc., the
170 testsuite uses X11::XCB, a new (and quite specific to i3 at the moment) Perl
171 module which uses the XCB protocol description to generate Perl bindings to
172 X11. They work in a very similar way to libxcb (which i3 uses) and provide
173 relatively high-level interfaces (objects such as +X11::XCB::Window+) aswell as
174 access to the low-level interface, which is very useful when testing a window
175 manager.
176
177 === Filesystem structure
178
179 In the git root of i3, the testcases live in the folder +testcases+. This
180 folder contains the +complete-run.pl+ and a base configuration file which will
181 be used for the tests. The different testcases (their file extension is .t, not
182 .pl) themselves can be found in the conventionally named subfolder +t+:
183
184 .Filesystem structure
185 --------------------------------------------
186 ├── testcases
187 │   ├── complete-run.pl
188 │   ├── i3-test.config
189 │   ├── lib
190 │   │   ├── i3test.pm
191 │   │   ├── SocketActivation.pm
192 │   │   └── StartXDummy.pm
193 │   ├── t
194 │   │   ├── 00-load.t
195 │   │   ├── 01-tile.t
196 │   │   ├── 02-fullscreen.t
197 │   │   ├── ...
198 │   │   ├── omitted for brevity
199 │   │   ├── ...
200 │   │   └── 74-regress-focus-toggle.t
201 --------------------------------------------
202
203 == Anatomy of a testcase
204
205 Learning by example is definitely a good strategy when you are wondering how to
206 write a testcase. Let's take +t/11-goto.t+ as an easy example and go through it
207 step by step:
208
209 .t/11-goto.t: Boilerplate
210 ----------------------
211 #!perl
212 # vim:ts=4:sw=4:expandtab
213
214 use i3test;
215 use File::Temp;
216
217 my $x = X11::XCB::Connection->new;
218 -----------------------
219
220 This is what we call boilerplate. It exists at the top of every test file (to
221 some extent). The first line is the shebang, which specifies that this file is
222 a Perl script. The second line contains VIM specific settings on how to
223 edit/format this file (use spaces instead of tabs, indent using 4 spaces).
224 Afterwards, the +i3test+ module is used. This module contains i3 testsuite
225 specific functions which you are strongly encouraged to use. They make writing
226 testcases a lot easier and will make it easier for other people to read your
227 tests.
228
229 The next line uses the +File::Temp+ module. This is specific to this testcase,
230 because it needs to generate a temporary name during the test. Many testcases
231 use only the +i3test+ module.
232
233 The last line opens a connection to X11. You might or might not need this in
234 your testcase, depending on whether you are going to open windows (etc.) or
235 only use i3 commands.
236
237 .t/11-goto.t: Setup
238 ----------------------
239 my $tmp = fresh_workspace;
240
241 cmd 'split h';
242 ----------------------
243
244 The first line calls i3test's +fresh_workspace+ function which looks for a
245 currently unused workspace, switches to it, and returns its name. The variable
246 +$tmp+ will end up having a value such as +"/tmp/87kBVcHbA9"+. Note that this
247 is not (necessarily) a valid path, it's just a random workspace name.
248
249 So, now that we are on a new workspace, we ensure that the workspace uses
250 horizontal orientation by issuing the +split h+ command (see the i3 User's
251 Guide for a list of commands). This is not strictly necessary, but good style.
252 In general, the +cmd+ function executes the specified i3 command by using the
253 IPC interface and returns once i3 acknowledged the command.
254
255 .t/11-goto.t: Setup
256 ----------------------
257 #####################################################################
258 # Create two windows and make sure focus switching works
259 #####################################################################
260
261 my $top = open_window($x);
262 my $mid = open_window($x);
263 my $bottom = open_window($x);
264 ----------------------
265
266 In every major section of a testcase, you should put a comment like the one
267 above. This makes it immediately clear how the file is structured.
268
269 The +open_window+ function opens a standard window, which will then be put into
270 tiling mode by i3. If you want a floating window, use the
271 +open_floating_window+ function. These functions accept the same parameters as
272 +X11::XCB::Window->new+, see the i3test documentation at TODO.
273
274 .t/11-goto.t: Helper function
275 ----------------------
276 #
277 # Returns the input focus after sending the given command to i3 via IPC
278 # and syncing with i3
279 #
280 sub focus_after {
281     my $msg = shift;
282
283     cmd $msg;
284     sync_with_i3 $x;
285     return $x->input_focus;
286 }
287 ----------------------
288
289 This section defines a helper function which will be used over and over in this
290 testcase. If you have code which gets executed more than once or twice
291 (depending on the length of your test, use your best judgement), please put it
292 in a function. Tests should be short, concise and clear.
293
294 The +focus_after+ function executes a command and returns the X11 focus after
295 the command was executed. The +sync_with_i3+ command makes sure that i3 could
296 push its state to X11. See <<i3_sync>> to learn how this works exactly.
297
298 .t/11-goto.t: Test assumptions
299 ----------------------
300 $focus = $x->input_focus;
301 is($focus, $bottom->id, "Latest window focused");
302
303 $focus = focus_after('focus left');
304 is($focus, $mid->id, "Middle window focused");
305 ----------------------
306
307 Now, we run the first two real tests. They use +Test::More+'s +is+ function,
308 which compares two values and prints the differences if they are not the same.
309 After the arguments, we supply a short comment to indicate what we are testing
310 here. This makes it vastly more easy for the developer to spot which testcase
311 is the problem in case one fails.
312
313 The first test checks that the most recently opened window is focused.
314 Afterwards, the command +focus left+ is issued and it is verified that the
315 middle window now has focus.
316
317 Note that this is not a comprehensive test of the +focus+ command -- we would
318 have to test wrapping, focus when using a more complex layout, focusing the
319 parent/child containers, etc. But that is not the point of this testcase.
320 Instead, we just want to know if +$x->input_focus+ corresponds with what we are
321 expecting. If not, something is completely wrong with the test environment and
322 this trivial test will fail.
323
324 .t/11-goto.t: Test that the feature does not work (yet)
325 ----------------------
326 #####################################################################
327 # Now goto a mark which does not exist
328 #####################################################################
329
330 my $random_mark = mktemp('mark.XXXXXX');
331
332 $focus = focus_after(qq|[con_mark="$random_mark"] focus|);
333 is($focus, $mid->id, "focus unchanged");
334 ----------------------
335
336 Syntax hint: The qq keyword is the interpolating quote operator. It lets you
337 chose a quote character (in this case the +|+ character, a pipe). This makes
338 having double quotes in our string easy.
339
340 In this new major section, a random mark (mark is an identifier for a window,
341 see "VIM-like marks" in the i3 User’s Guide) will be generated. Afterwards, we
342 test that trying to focus that mark will not do anything. This is important: Do
343 not only test that using a feature has the expected outcome, but also test that
344 using it without properly initializing it does no harm. This command could for
345 example have changed focus anyways (a bug) or crash i3 (obviously a bug).
346
347 .t/11-goto.t: Test that the feature does work
348 ----------------------
349 cmd "mark $random_mark";
350
351 $focus = focus_after('focus left');
352 is($focus, $top->id, "Top window focused");
353
354 $focus = focus_after(qq|[con_mark="$random_mark"] focus|);
355 is($focus, $mid->id, "goto worked");
356 ----------------------
357
358 Remember: Focus was on the middle window (we verified that earlier in "Test
359 assumptions"). We now mark the middle window with our randomly generated mark.
360 Afterwards, we switch focus away from the middle window to be able to tell if
361 focusing it via its mark will work. If the test works, the goto command seems
362 to be working.
363
364 .t/11-goto.t: Test corner case
365 ----------------------
366 # check that we can specify multiple criteria
367
368 $focus = focus_after('focus left');
369 is($focus, $top->id, "Top window focused");
370
371 $focus = focus_after(qq|[con_mark="$random_mark" con_mark="$random_mark"] focus|);
372 is($focus, $mid->id, "goto worked");
373 ----------------------
374
375 Now we test the same feature, but specifying the mark twice in the command.
376 This should have no effect, but let’s be sure: test it and see if things go
377 wrong.
378
379 .t/11-goto.t: Test second code path
380 ----------------------
381 #####################################################################
382 # Check whether the focus command will switch to a different
383 # workspace if necessary
384 #####################################################################
385
386 my $tmp2 = fresh_workspace;
387
388 is(focused_ws(), $tmp2, 'tmp2 now focused');
389
390 cmd qq|[con_mark="$random_mark"] focus|;
391
392 is(focused_ws(), $tmp, 'tmp now focused');
393 ----------------------
394
395 This part of the test checks that focusing windows by mark works across
396 workspaces. It uses i3test's +focused_ws+ function to get the current
397 workspace.
398
399 .t/11-goto.t: Test second code path
400 ----------------------
401 done_testing;
402 ----------------------
403
404 The end of every testcase has to contain the +done_testing+ line. This tells
405 +complete-run.pl+ that the test was finished successfully. If it does not
406 occur, the test might have crashed during execution -- some of the reasons why
407 that could happen are bugs in the used modules, bugs in the testcase itself or
408 an i3 crash resulting in the testcase being unable to communicate with i3 via
409 IPC anymore.
410
411 [[i3_sync]]
412 == Appendix A: The i3 sync protocol
413
414 Consider the following situation: You open two windows in your testcase, then
415 you use +focus left+ and want to verify that the X11 focus has been updated
416 properly. Sounds simple, right? Let’s assume you use this straight-forward
417 implementation:
418
419 .Racey focus testcase
420 -----------
421 my $left = open_window($x);
422 my $right = open_window($x);
423 cmd 'focus left';
424 is($x->input_focus, $left->id, 'left window focused');
425 ----------
426
427 However, the test fails. Sometimes. Apparantly, there is a race condition in
428 your test. If you think about it, this is because you are using two different
429 pieces of software: You tell i3 to update focus, i3 confirms that, and then you
430 ask X11 to give you the current focus. There is a certain time i3 needs to
431 update the X11 state. If the testcase gets CPU time before X11 processed i3's
432 requests, the test will fail.
433
434 image::i3-sync.png["Diagram of the race condition", title="Diagram of the race condition"]
435
436 One way to "solve" this would be to add +sleep 0.5;+ after the +cmd+ call.
437 After 0.5 seconds it should be safe to assume that focus has been updated,
438 right?
439
440 In practice, this usually works. However, it has several problems:
441
442 1. This is obviously not a clean solution, but a workaround. Ugly.
443 2. On very slow machines, this might not work. Unlikely, but in different
444    situations (a delay to wait for i3 to startup) the necessary time is much
445    harder to guess, even for fast machines.
446 3. This *wastes a lot of time*. Usually, your computer is much faster than 0.5s
447    to update the status. However, sometimes, it might take 0.4s, so we can’t
448    make it +sleep 0.1+.
449
450 To illustrate how grave the problem with wasting time actually is: Before
451 removing all sleeps from the testsuite, a typical run using 4 separate X
452 servers took around 50 seconds on my machine. After removing all the sleeps,
453 we achieved times of about 25 seconds. This is very significant and influences
454 the way you think about tests -- the faster they are, the more likely you are
455 to check whether everything still works quite often (which you should).
456
457 What I am trying to say is: Delays adds up quickly and make the test suite
458 less robust.
459
460 The real solution for this problem is a mechanism which I call "the i3 sync
461 protocol". The idea is to send a request (which does not modify state) via X11
462 to i3 which will then be answered. Due to the request's position in the event
463 queue (*after* all previous events), you can be sure that by the time you
464 receive the reply, all other events have been dealt with by i3 (and, more
465 importantly, X11).
466
467 image::i3-sync-working.png["Diagram of the i3 sync solution", title="Diagram of the i3 sync solution"]
468
469 === Implementation details
470
471 The client which wants to sync with i3 initiates the protocol by sending a
472 ClientMessage to the X11 root window:
473
474 .Send ClientMessage
475 -------------------
476 # Generate a ClientMessage, see xcb_client_message_t
477 my $msg = pack "CCSLLLLLLL",
478     CLIENT_MESSAGE, # response_type
479     32,     # format
480     0,      # sequence
481     $root,  # destination window
482     $x->atom(name => 'I3_SYNC')->id,
483
484     $_sync_window->id,    # data[0]: our own window id
485     $myrnd, # data[1]: a random value to identify the request
486     0,
487     0,
488     0;
489
490 # Send it to the root window -- since i3 uses the SubstructureRedirect
491 # event mask, it will get the ClientMessage.
492 $x->send_event(0, $root, EVENT_MASK_SUBSTRUCTURE_REDIRECT, $msg);
493 -------------------
494
495 i3 will then reply with the same ClientMessage, sent to the window specified in
496 +data[0]+. In the reply, +data[0]+ and +data[1]+ are exactly the same as in the
497 request. You should use a random value in +data[1]+ and check that you received
498 the same one when getting the reply.
499
500 == Appendix B: Socket activation
501
502 Socket activation is a mechanism which was made popular by systemd, an init
503 replacement. It basically describes creating a listening socket before starting
504 a program.  systemd will invoke the program only when an actual connection to
505 the socket is made, hence the term socket activation.
506
507 The interesting part of this (in the i3 context) is that you can very precisely
508 detect when the program is ready (finished its initialization).
509
510 === Preparing the listening socket
511
512 +complete-run.pl+ will create a listening UNIX socket which it will then pass
513 to i3. This socket will be used by i3 as an additional IPC socket, just like
514 the one it will create on its own. Passing the socket happens implicitly
515 because children will inherit the parent’s sockets when fork()ing and sockets
516 will continue to exist after an exec() call (unless CLOEXEC is set of course).
517
518 The only explicit things +complete-run.pl+ has to do is setting the +LISTEN_FDS+
519 environment variable to the number of sockets which exist (1 in our case) and
520 setting the +LISTEN_PID+ environment variable to the current process ID. Both
521 variables are necessary so that the program (i3) knows how many sockets it
522 should use and if the environment variable is actually intended for it. i3 will
523 then start looking for sockets at file descriptor 3 (since 0, 1 and 2 are used
524 for stdin, stdout and stderr, respectively).
525
526 The actual Perl code which sets up the socket, fork()s, makes sure the socket
527 has file descriptor 3 and sets up the environment variables follows (shortened
528 a bit):
529
530
531 .Setup socket and environment
532 -----------------------------
533 my $socket = IO::Socket::UNIX->new(
534     Listen => 1,
535     Local => $args{unix_socket_path},
536 );
537
538 my $pid = fork;
539 if ($pid == 0) {
540     $ENV{LISTEN_PID} = $$;
541     $ENV{LISTEN_FDS} = 1;
542
543     # Only pass file descriptors 0 (stdin), 1 (stdout),
544     # 2 (stderr) and 3 (socket) to the child.
545     $^F = 3;
546
547     # If the socket does not use file descriptor 3 by chance
548     # already, we close fd 3 and dup2() the socket to 3.
549     if (fileno($socket) != 3) {
550         POSIX::close(3);
551         POSIX::dup2(fileno($socket), 3);
552     }
553
554     exec "/usr/bin/i3";
555 }
556 -----------------------------
557
558 === Waiting for a reply
559
560 In the parent process, we want to know when i3 is ready to answer our IPC
561 requests and handle our windows. Therefore, after forking, we immediately close
562 the listening socket (i3 will handle this side of the socket) and connect to it
563 (remember, we are talking about a named UNIX socket) as a client. This connect
564 call will immediately succeed because the kernel buffers it. Then, we send a
565 request (of type GET_TREE, but that is not really relevant). Writing data to
566 the socket will also succeed immediately because, again, the kernel buffers it
567 (only up to a certain amount of data of course).
568
569 Afterwards, we just blockingly wait until we get an answer. In the child
570 process, i3 will setup the listening socket in its event loop. Immediately
571 after actually starting the event loop, it will notice a new client connecting
572 (the parent process) and handle its request. Since all initialization has been
573 completed successfully by the time the event loop is entered, we can now assume
574 that i3 is ready.
575
576 === Timing and conclusion
577
578 A beautiful feature of this mechanism is that it does not depend on timing. It
579 does not matter when the child process gets CPU time or when the parent process
580 gets CPU time. On heavily loaded machines (or machines with multiple CPUs,
581 cores or unreliable schedulers), this makes waiting for i3 much more robust.
582
583 Before using socket activation, we typically used a +sleep(1)+ and hoped that
584 i3 was initialized by that time. Of course, this breaks on some (slow)
585 computers and wastes a lot of time on faster computers. By using socket
586 activation, we decreased the total amount of time necessary to run all tests
587 (72 files at the time of writing) from > 100 seconds to 16 seconds. This makes
588 it significantly more attractive to run the test suite more often (or at all)
589 during development.
590
591 An alternative approach to using socket activation is polling for the existance
592 of the IPC socket and connecting to it. While this might be slightly easier to
593 implement, it wastes CPU time and is considerably uglier than this solution
594 :). After all, +lib/SocketActivation.pm+ contains only 54 SLOC.