005-03: 内核测试基础设施

概述

内核测试直接在 QEMU 模拟的 x86_64 环境中运行，验证代码在真实内核条件下的行为。这类测试不依赖宿主机的标准库，使用与生产内核完全相同的编译选项。

目录结构

kernel/mini/test/
├── CMakeLists.txt          # 内核测试构建配置
├── main_test.cpp           # 测试入口点
└── test_cpp_basic.cpp      # C++ 运行时测试

编译配置

配置文件：kernel/mini/test/CMakeLists.txt

源文件组合

add_executable(mini_kernel_test
    ../arch/x86_64/boot.S       # 引导汇编
    ../arch/x86_64/crt_stub.cpp # C++ 运行时支持
    main_test.cpp                # 测试入口
    ../driver/serial.cpp        # 串口驱动
    ../lib/kprintf.cpp          # 内核 printf
    ../lib/private/format.cpp   # 格式化函数
    test_cpp_basic.cpp          # C++ 测试
)

编译选项

与生产内核完全相同：

target_compile_options(mini_kernel_test PRIVATE ${MINI_KERNEL_COMMON_COMPILE_OPTIONS})

这些选项包括：

• -ffreestanding：自由独立环境，无标准库
• -fno-exceptions：禁用异常
• -fno-rtti：禁用运行时类型信息
• -fno-pie：禁用位置无关可执行文件
• -mcmodel=large：大代码模型
• -mno-red-zone：禁用 red zone

链接配置

target_link_options(mini_kernel_test PRIVATE ${MINI_KERNEL_COMMON_LINK_OPTIONS})

链接特点：

• 使用自定义链接脚本 linker.ld
• 虚拟地址：0xFFFFFFFF80000000 (higher-half kernel)
• 输出格式：扁平二进制 (.bin)

测试入口点

文件：kernel/mini/test/main_test.cpp

mini_kernel_main() 函数

这是内核测试的主入口点（替代生产内核的 kernel_main）：

extern "C" [[noreturn]] void mini_kernel_main(uint64_t boot_info_addr) {
    // 1. kprintf/kdebugf 测试
    kprintf("=== kprintf Test ===\n");
    kprintf("String: %s\n", "Hello, Cinux!");
    kprintf("Decimal: %d\n", -12345);
    // ... 更多格式测试

    // 2. C++ 运行时测试
    run_cpp_tests();

    // 3. 安全退出
    __asm__ volatile("outl %0, $0xf4" : : "a"(0));  // QEMU isa-debug-exit
}

QEMU 安全退出机制

使用 isa-debug-exit 设备实现自动退出：

outl %eax, $0xf4

• 端口 0xf4：QEMU 的 isa-debug-exit 设备
• 退出码计算：(value << 1) | 1
• 写入 0 → QEMU 退出码 1 → 测试成功

C++ 运行时测试

文件：kernel/mini/test/test_cpp_basic.cpp

测试框架适配

内核环境无法使用标准测试框架，因此实现了一套简化版本：

#define TEST_ASSERT(cond) \
    do { \
        if (!(cond)) { \
            kprintf("[FAIL] %s at %s:%d\n", #cond, __FILE__, __LINE__); \
            test::tests_failed++; \
            return; \
        } \
    } while(0)

#define RUN_TEST(fn) \
    do { \
        kprintf("[RUN] %s\n", #fn); \
        fn(); \
        if (test::tests_failed == 0) { \
            test::tests_passed++; \
            kprintf("[PASS] %s\n", #fn); \
        } \
    } while(0)

测试用例

1. 简单类构造/析构 (test1)

class SimpleClass {
    int value;
    char marker;
public:
    SimpleClass(int v) : value(v), marker('S') {
        constructor_calls++;
    }
    ~SimpleClass() {
        destructor_calls++;
    }
};

验证：构造函数和析构函数正确调用

2. 虚函数 (test2)

class Base {
    virtual char getName() = 0;
    virtual int compute() = 0;
};

class Derived : public Base {
    char getName() override { return 'D'; }
    int compute() override { return multiplier * 2; }
};

验证：多态行为、虚函数表

3. 全局对象构造 (test3)

static GlobalCounter global_counter;  // main 前构造

验证：静态初始化、全局构造顺序

4. 多重继承 (test4)

class Multi : public Base1, public Base2 {
    int f1() override { return 11; }
    int f2() override { return 22; }
};

验证：多重继承的方法分派

内核测试支持组件

C++ 运行时 Stub

文件：kernel/mini/arch/x86_64/crt_stub.cpp

// 纯虚函数调用处理
extern "C" void __cxa_pure_virtual() {
    kdebugf("Pure virtual function called!\n");
    while (1) { asm volatile("hlt"); }
}

// 栈保护失败处理
extern "C" void __stack_chk_fail() {
    kdebugf("Stack check failed!\n");
    while (1) { asm volatile("hlt"); }
}

// 全局构造函数初始化
extern "C" void _init_global_ctors() {
    for (void (**func)() = &__init_array_start; func != &__init_array_end; func++) {
        (*func)();
    }
}

串口驱动

文件：kernel/mini/driver/serial.cpp

• NS16550A/8250 UART 兼容
• COM1: 0x3F8 (QEMU 默认)
• 轮询 I/O，无中断支持

运行内核测试

构建测试内核

cd build
cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug ..
make mini_kernel_test

输出：build/kernel/mini/mini_kernel_test.bin

直接运行

qemu-system-x86_64 \
    -kernel build/kernel/mini/mini_kernel_test.bin \
    -nographic \
    -device isa-debug-exit,iobase=0xf4,iosize=0x04

使用 Make 目标

# 自动退出模式
make run-kernel-test

# 交互式模式（Ctrl+C 退出）
make run-kernel-test-interactive

# 调试模式
make run-kernel-test-debug

内核测试 vs Host 测试

特性	内核测试	Host 测试
运行环境	QEMU 内核模式	Linux 用户态
标准库	不可用	可用
输出方式	串口	stdout
调试难度	较高	较低
启动时间	秒级	毫秒级
真实性	高（真实内核环境）	中（模拟环境）

添加新内核测试

1. 在 kernel/mini/test/ 创建 test_<feature>.cpp
2. 使用 kprintf 输出测试结果
3. 在 main_test.cpp 中调用测试函数
4. 更新 CMakeLists.txt 添加新源文件