作者：張博康

本文為 TiKV 源碼解析系列的第五篇，為大家介紹 TiKV 在測試中使用的周邊庫 fail-rs。

fail-rs 的設計啟發於 FreeBSD 的 failpoints，由 Rust 實現。通過代碼或者環境變數，其允許程序在特定的地方動態地注入錯誤或者其他行為。在 TiKV 中通常在測試中使用 fail point 來構建異常的情況，是一個非常方便的測試工具。

Fail point 需求

在我們的集成測試中，都是簡單的構建一個 KV 實例，然後發送請求，檢查返回值和狀態的改變。這樣的測試可以較為完整地測試功能，但是對於一些需要精細化控制的測試就鞭長莫及了。我們當然可以通過 mock 網路層提供網路的精細模擬控制，但是對於諸如磁碟 IO、系統調度等方面的控制就沒辦法做到了。

同時，在分散式系統中時序的關係是非常關鍵的，可能兩個操作的執行順行相反，就導致了迥然不同的結果。尤其對於資料庫來說，保證數據的一致性是至關重要的，因此需要去做一些相關的測試。

基於以上原因，我們就需要使用 fail point 來複現一些 corner case，比如模擬數據落盤特別慢、raftstore 繁忙、特殊的操作處理順序、錯誤 panic 等等。

基本用法

示例

在詳細介紹之前，先舉一個簡單的例子給大家一個直觀的認識。

還是那個老生常談的 Hello World：

#[macro_use]
extern crate fail;

fn say_hello() {
fail_point!(「before_print」);
println!(「Hello World~」);
}

fn main() {
say_hello();
fail::cfg("before_print", "panic");
say_hello();
}

運行結果如下：

Hello World~
thread main panicked at failpoint before_print panic ...

可以看到最終只列印出一個 Hello World～，而在列印第二個之前就 panic 了。這是因為我們在第一次列印完後才指定了這個 fail point 行為是 panic，因此第一次在 fail point 不做任何事情之後正常輸出，而第二次在執行到 fail point 時就會根據配置的行為 panic 掉！

Fail point 行為

當然 fail point 不僅僅能注入 panic，還可以是其他的操作，並且可以按照一定的概率出現。描述行為的格式如下：

[<pct>%][<cnt>*]<type>[(args...)][-><more terms>]

  • pct：行為被執行時有百分之 pct 的機率觸發
  • cnt：行為總共能被觸發的次數
  • type：行為類型
    • off：不做任何事
    • return(arg)：提前返回，需要 fail point 定義時指定 expr，arg 會作為字元串傳給 expr 計算返回值
    • sleep(arg)：使當前線程睡眠 arg 毫秒
    • panic(arg)：使當前線程崩潰，崩潰消息為 arg
    • print(arg)：列印出 arg
    • pause：暫停當前線程，直到該 fail point 設置為其他行為為止
    • yield：使當前線程放棄剩餘時間片
    • delay(arg)：和 sleep 類似，但是讓 CPU 空轉 arg 毫秒
  • args：行為的參數

比如我們想在 before_print 處先 sleep 1s 然後有 1% 的機率 panic，那麼就可以這麼寫：

"sleep(1000)->1%panic"

定義 fail point

只需要使用宏 fail_point! 就可以在相應代碼中提前定義好 fail point，而具體的行為在之後動態注入。

fail_point!("failpoint_name");
fail_point!("failpoint_name", |_| { // 指定生成自定義返回值的閉包，只有當 fail point 的行為為 return 時，才會調用該閉包並返回結果
return Error
});
fail_point!("failpoint_name", a == b, |_| { // 當滿足條件時，fail point 才被觸發
return Error
})

動態注入

環境變數

通過設置環境變數指定相應 fail point 的行為：

FAILPOINTS="<failpoint_name1>=<action>;<failpoint_name2>=<action>;..."

注意，在實際運行的代碼需要先使用 fail::setup() 以環境變數去設置相應 fail point，否則 FAILPOINTS 並不會起作用。

#[macro_use]
extern crate fail;

fn main() {
fail::setup(); // 初始化 fail point 設置
do_fallible_work();
fail::teardown(); // 清除所有 fail point 設置，並且恢復所有被 fail point 暫停的線程
}

代碼控制

不同於環境變數方式，代碼控制更加靈活，可以在程序中根據情況動態調整 fail point 的行為。這種方式主要應用於集成測試，以此可以很輕鬆地構建出各種異常情況。

fail::cfg("failpoint_name", "actions"); // 設置相應的 fail point 的行為
fail::remove("failpoint_name"); // 解除相應的 fail point 的行為

內部實現

以下我們將以 fail-rs v0.2.1 版本代碼為基礎，從 API 出發來看看其背後的具體實現。

fail-rs 的實現非常簡單，總的來說，就是內部維護了一個全局 map，其保存著相應 fail point 所對應的行為。當程序執行到某個 fail point 時，獲取並執行該全局 map 中所保存的相應的行為。

全局 map 其具體定義在 FailPointRegistry。

struct FailPointRegistry {
registry: RwLock<HashMap<String, Arc<FailPoint>>>,
}

其中 FailPoint 的定義如下：

struct FailPoint {
pause: Mutex<bool>,
pause_notifier: Condvar,
actions: RwLock<Vec<Action>>,
actions_str: RwLock<String>,
}

pause 和 pause_notifier 是用於實現線程的暫停和恢復，感興趣的同學可以去看看代碼，太過細節在此不展開了；actions_str 保存著描述行為的字元串，用於輸出；而 actions 就是保存著 failpoint 的行為，包括概率、次數、以及具體行為。Action 實現了 FromStr 的 trait，可以將滿足格式要求的字元串轉換成 Action。這樣各個 API 的操作也就顯而易見了，實際上就是對於這個全局 map 的增刪查改：

  • fail::setup() 讀取環境變數 FAILPOINTS 的值，以 ; 分割，解析出多個 failpoint name 和相應的 actions 並保存在 registry 中。
  • fail::teardown() 設置 registry 中所有 fail point 對應的 actions 為空。
  • fail::cfg(name, actions) 將 name 和對應解析出的 actions 保存在 registry 中。
  • fail::remove(name) 設置 registry 中 name 對應的 actions 為空。

而代碼到執行到 fail point 的時候到底發生了什麼呢，我們可以展開 fail_point! 宏定義看一下：

macro_rules! fail_point {
($name:expr) => {{
$crate::eval($name, |_| {
panic!("Return is not supported for the fail point "{}"", $name);
});
}};
($name:expr, $e:expr) => {{
if let Some(res) = $crate::eval($name, $e) {
return res;
}
}};
($name:expr, $cond:expr, $e:expr) => {{
if $cond {
fail_point!($name, $e);
}
}};
}

現在一切都變得豁然開朗了，實際上就是對於 eval 函數的調用，當函數返回值為 Some 時則提前返回。而 eval 就是從全局 map 中獲取相應的行為，在 p.eval(name) 中執行相應的動作，比如輸出、等待亦或者 panic。而對於 return 行為的情況會特殊一些，在 p.eval(name) 中並不做實際的動作，而是返回 Some(arg) 並通過 .map(f) 傳參給閉包產生自定義的返回值。

pub fn eval<R, F: FnOnce(Option<String>) -> R>(name: &str, f: F) -> Option<R> {
let p = {
let registry = REGISTRY.registry.read().unwrap();
match registry.get(name) {
None => return None,
Some(p) => p.clone(),
}
};
p.eval(name).map(f)
}

小結

至此，關於 fail-rs 背後的秘密也就清清楚楚了。關於在 TiKV 中使用 fail point 的測試詳見 github.com/tikv/tikv/tree/master/tests/failpoints，大家感興趣可以看看在 TiKV 中是如何來構建異常情況的。

同時，fail-rs 計劃支持 HTTP API，歡迎感興趣的小夥伴提交 PR。

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