C代码覆盖率测试工具Gcov

代码覆盖率测试反映了测试的广度与深度，量化了测试和开发质量，是十分有必要的，业界目前有针对各种语言的覆盖率测试工具，本文主要介绍 C/C++相关的覆盖率测试工具 Gcov

介绍

简介

Gcov是一个测试覆盖程序，是集成在GCC中的，随GCC一起发布

基本概念

基本块BB

基本块指一段程序的第一条语句被执行过一次后，这段程序中的每一跳语句都需要执行一次，称为基本块，因此基本块中的所有语句的执行次数是相同的，一般由多个顺序执行语句后边跟一个跳转语句组成

跳转ARC

从一个BB到另外一个BB的跳转叫做一个ARC,要想知道程序中的每个语句和分支的执行次数，就必须知道每个BB和ARC的执行次数

程序流图

如果把BB作为一个节点，这样一个函数中的所有BB就构成了一个有向图，要想知道程序中的每个语句和分支的执行次数，就必须知道每个BB和ARC的执行次数，根据图论可以知道有向图中BB的入度和出度是相同的，所以只要知道了部分的BB或者ARC大小，就可以推断所有的大小，这里选择由ARC的执行次数来推断BB的执行次数，所以对部分ARC插桩，只要满足可以统计出来所有的BB和ARC的执行次数即可

原理

测试程序首先进行编译预处理，生成汇编文件，并完成插桩，插桩的过程中会向源文件的末尾插入一个静态数组，数组的大小就是这个源文件中桩点的个数，数组的值就是桩点的执行次数，每个桩点插入3~4条汇编语句，直接插入生成的*.s文件中，最后汇编文件经过汇编生成目标文件，在程序运行过程中桩点负责收集程序的执行信息

使用

编译

测试代码如下：
say.c:

#include <stdio.h>

int say(char *what) {
    printf("------ %s\n", what);
    return 0;
}

main.c

#include <stdio.h>

extern int say(const char *);

int main(int argc, const char *argv[]) {
    
    if (argv[1]) {
        say("hello");
    } else {
        say("bye");
    }
    return 0;
}

添加-fprofile-arcs -ftest-coverage -fPIC编译参数编译程序，生成可执行程序和*.gcno文件，里面记录了行信息和程序流图信息：

$ gcc -fprofile-arcs -ftest-coverage -fPIC -O0 say.c main.c

$ ls
a.out  main.c  main.gcno  say.c  say.gcno  

数据收集

运行可执行文件，生成*.gcda在默认生成在相应*.o文件目录，里面记录了*.c文件中程序的执行情况，包括跳变次数等:

$ ./a.out
------ bye

$ ls
a.out  main.c  main.gcda  main.gcno  say.c  say.gcda  say.gcno

可以通过设置环境变量GCOV_PREFIX=/xxx/xxx和GCOV_PREFIX_STRIP=x来改变路径，其中GCOV_PREFIX_STRIP表示去掉源代码路径中的前几级，默认为0，比如源代码路径为/a/b/c/d.c，GCOV_PREFIX_STRIP=2，则实际使用的路径是c/d.c，如果GCOV_PREFIX=/e/f，则.gcda实际存放的路径是/e/f/c/d.gcda

报告生成

针对某一个文件的执行情况，可以通过如下命令生成报告，并创建*.gcov文件：

$ gcov -a main.c
File 'main.c'
Lines executed:80.00% of 5
Creating 'main.c.gcov'

常用选项，更多可参考Invoking gcov：

-b：分支覆盖
-a：所有基本块覆盖
-f：函数覆盖

注意事项

1. 在编译时不要加优化选项，否则代码会发生变化，无法准确定位
2. 代码中复杂的宏，比如宏展开后是循环或者其他控制结构，可以用内联函数来代替，因为gcov只统计宏调用出现的那一行
3. 代码每一行最好只有一条语句
4. *.gcno与*.gcda需要匹配，两个文件是有时间戳来记录是不是匹配的
5. 若是编译动态库，需要在链接时-lgcov

图形化展示

gcov生成的报告分散在各个源码文件所对应的*.gcov文件中，难以汇总分析，并且可视化效果较差，所以需要转化成可视图形化报告，有lcov或gcovr两个工具可以完成，两者功能基本相同，本文主要介绍gcovr，是一个用Python编写的开源软件，大小只有几十KB，安装参见官网

列表形式

1. 代码覆盖率

$ gcovr -r .
------------------------------------------------------------------------------
                           GCC Code Coverage Report
Directory: .
------------------------------------------------------------------------------
File                                       Lines    Exec  Cover   Missing
------------------------------------------------------------------------------
main.c                                         5       4    80%   15
say.c                                          3       3   100%   
------------------------------------------------------------------------------
TOTAL                                          8       7    87%
------------------------------------------------------------------------------

报告展示程序运行后覆盖了80%的代码

2. 分支覆盖率

$ gcovr -b -r .
------------------------------------------------------------------------------
                           GCC Code Coverage Report
Directory: .
------------------------------------------------------------------------------
File                                    Branches   Taken  Cover   Missing
------------------------------------------------------------------------------
main.c                                         2       1    50%   14
say.c                                          0       0    --%   
------------------------------------------------------------------------------
TOTAL                                          2       1    50%
------------------------------------------------------------------------------

报告展示了在main.c中有一个分支没有执行到

XML文件形式

$ gcovr --xml-pretty -r .
<?xml version="1.0" ?>
<!DOCTYPE coverage
  SYSTEM 'http://cobertura.sourceforge.net/xml/coverage-04.dtd'>
<coverage branch-rate="0.5" branches-covered="1" branches-valid="2"
 complexity="0.0" line-rate="0.875" lines-covered="7" lines-valid="8"
 timestamp="1537930892" version="gcovr 3.4">
 <sources>
  <source>.</source>
 </sources>
 <packages>
  <package branch-rate="0.5" complexity="0.0" line-rate="0.875" name="">
   <classes>
    <class branch-rate="0.5" complexity="0.0" filename="main.c"
     line-rate="0.8" name="main_c">
     <methods/>
     <lines>
      <line branch="false" hits="1" number="12"/>
      <line branch="true" condition-coverage="50% (1/2)" hits="1" number="14">
       <conditions>
        <condition coverage="50%" number="0" type="jump"/>
       </conditions>
      </line>
      <line branch="false" hits="0" number="15"/>
      <line branch="false" hits="1" number="17"/>
      <line branch="false" hits="1" number="19"/>
     </lines>
    </class>
    <class branch-rate="0.0" complexity="0.0" filename="say.c" line-rate="1.0"
     name="say_c">
     <methods/>
     <lines>
      <line branch="false" hits="1" number="10"/>
      <line branch="false" hits="1" number="11"/>
      <line branch="false" hits="1" number="12"/>
     </lines>
    </class>
   </classes>
  </package>
 </packages>
</coverage>

HTML文件形式

$ gcovr -r . --html -o xxx.html
$ ls
a.out  main.c  main.gcda  main.gcno  say.c  say.gcda  say.gcno  xxx.html

可以发现添加--html参数后，可以生成html文件，用浏览器打开，如下图：

还可以添加--html-details选项，为每个代码文件单独生成html

$ gcovr -r . --html --html-details -o xxx.html
$ ls
a.out  main.c  main.gcda  main.gcno  say.c  say.gcda  say.gcno  xxx.html  xxx.main.c.html  xxx.say.c.html

可以发现多了xxx.main.c.html和xxx.say.c.html，用浏览器打开xxx.html，如下图：

文件名较之前带上了下划线，单击文件名，可以看到具体的代码覆盖情况，如下图：

其它

其它功能，如Filters等，可以参考官方文档

Reference

• gcov—a Test Coverage Program
• 关于C++ code coverage tool 的研究 —GCOV 实现原理
• gcovr官网

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