TiKV 源码解析系列文章（五）fail-rs 介绍

本文为 TiKV 源码解析系列的第五篇，为大家介绍 TiKV 在测试中使用的周边库 fail-rs 。

fail-rs 的设计启发于 FreeBSD 的 failpoints ，由 Rust 实现。通过代码或者环境变量，其允许程序在特定的地方动态地注入错误或者其他行为。在 TiKV 中通常在测试中使用 fail point 来构建异常的情况，是一个非常方便的测试工具。

Fail point 需求

在我们的集成测试中，都是简单的构建一个 KV 实例，然后发送请求，检查返回值和状态的改变。这样的测试可以较为完整地测试功能，但是对于一些需要精细化控制的测试就鞭长莫及了。我们当然可以通过 mock 网络层提供网络的精细模拟控制，但是对于诸如磁盘 IO、系统调度等方面的控制就没办法做到了。

同时，在分布式系统中时序的关系是非常关键的，可能两个操作的执行顺行相反，就导致了迥然不同的结果。尤其对于数据库来说，保证数据的一致性是至关重要的，因此需要去做一些相关的测试。

基于以上原因，我们就需要使用 fail point 来复现一些 corner case，比如模拟数据落盘特别慢、raftstore 繁忙、特殊的操作处理顺序、错误 panic 等等。

基本用法

示例

在详细介绍之前，先举一个简单的例子给大家一个直观的认识。

还是那个老生常谈的 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(); }

运行结果如下：

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

可以看到最终只打印出一个  Hello World～ ，而在打印第二个之前就 panic 了。这是因为我们在第一次打印完后才指定了这个 fail point 行为是 panic，因此第一次在 fail point 不做任何事情之后正常输出，而第二次在执行到 fail point 时就会根据配置的行为 panic 掉！

Fail point 行为

当然 fail point 不仅仅能注入 panic，还可以是其他的操作，并且可以按照一定的概率出现。描述行为的格式如下：

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

• pct：行为被执行时有百分之 pct 的机率触发

• cnt：行为总共能被触发的次数

• type：行为类型

• off：不做任何事

• return(arg)：提前返回，需要 fail point 定义时指定 expr，arg 会作为字符串传给 expr 计算返回值

• sleep(arg)：使当前线程睡眠 arg 毫秒

• panic(arg)：使当前线程崩溃，崩溃消息为 arg

• print(arg)：打印出 arg

• pause：暂停当前线程，直到该 fail point 设置为其他行为为止

• yield：使当前线程放弃剩余时间片

• delay(arg)：和 sleep 类似，但是让 CPU 空转 arg 毫秒

• args：行为的参数

比如我们想在  before_print  处先 sleep 1s 然后有 1% 的机率 panic，那么就可以这么写：

"sleep(1000)->1%panic"

定义 fail point

只需要使用宏  fail_point!  就可以在相应代码中提前定义好 fail point，而具体的行为在之后动态注入。

fail_point!("failpoint_name"); fail_point!("failpoint_name", |_| { // 指定生成自定义返回值的闭包，只有当 fail point 的行为为 return 时，才会调用该闭包并返回结果     return Error }); fail_point!("failpoint_name", a == b, |_| { // 当满足条件时，fail point 才被触发     return Error })

动态注入

1. 环境变量

通过设置环境变量指定相应 fail point 的行为：

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

注意，在实际运行的代码需要先使用  fail::setup()  以环境变量去设置相应 fail point，否则  FAILPOINTS  并不会起作用。

#[macro_use] extern crate fail; fn main() {     fail::setup(); // 初始化 fail point 设置     do_fallible_work();     fail::teardown(); // 清除所有 fail point 设置，并且恢复所有被 fail point 暂停的线程 }

2. 代码控制

不同于环境变量方式，代码控制更加灵活，可以在程序中根据情况动态调整 fail point 的行为。这种方式主要应用于集成测试，以此可以很轻松地构建出各种异常情况。

fail::cfg("failpoint_name", "actions"); // 设置相应的 fail point 的行为 fail::remove("failpoint_name"); // 解除相应的 fail point 的行为

内部实现

以下我们将以 fail-rs v0.2.1 版本代码为基础，从 API 出发来看看其背后的具体实现。

fail-rs 的实现非常简单，总的来说，就是内部维护了一个全局 map，其保存着相应 fail point 所对应的行为。当程序执行到某个 fail point 时，获取并执行该全局 map 中所保存的相应的行为。

全局 map 其具体定义在  FailPointRegistry 。

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

其中  FailPoint  的定义如下：

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

pause  和  pause_notifier  是用于实现线程的暂停和恢复，感兴趣的同学可以去看看代码，太过细节在此不展开了； actions_str  保存着描述行为的字符串，用于输出；而  actions  就是保存着 failpoint 的行为，包括概率、次数、以及具体行为。 Action  实现了  FromStr  的 trait，可以将满足格式要求的字符串转换成  Action 。这样各个 API 的操作也就显而易见了，实际上就是对于这个全局 map 的增删查改：

• fail::setup()  读取环境变量  FAILPOINTS  的值，以  ;  分割，解析出多个  failpoint name  和相应的  actions  并保存在  registry  中。

• fail::teardown()  设置  registry  中所有 fail point 对应的  actions  为空。

• fail::cfg(name, actions)  将  name  和对应解析出的  actions  保存在  registry  中。

• fail::remove(name)  设置  registry  中  name  对应的  actions  为空。

而代码到执行到 fail point 的时候到底发生了什么呢，我们可以展开  fail_point!  宏定义看一下：

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);         }     }}; }

现在一切都变得豁然开朗了，实际上就是对于  eval  函数的调用，当函数返回值为  Some  时则提前返回。而  eval  就是从全局 map 中获取相应的行为，在  p.eval(name)  中执行相应的动作，比如输出、等待亦或者 panic。而对于  return  行为的情况会特殊一些，在  p.eval(name)  中并不做实际的动作，而是返回  Some(arg)  并通过  .map(f)  传参给闭包产生自定义的返回值。

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) }

小结

至此，关于 fail-rs 背后的秘密也就清清楚楚了。关于在 TiKV 中使用 fail point 的测试详见  github.com/tikv/tikv/tree/master/tests/failpoints ，大家感兴趣可以看看在 TiKV 中是如何来构建异常情况的。

同时，fail-rs 计划支持 HTTP API，欢迎感兴趣的小伙伴提交 PR。

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TiKV 源码解析系列文章 

（一）序

（二）raft-rs proposal 示例情景分析

（三）Prometheus（上）

（四）Prometheus（下）