[論文レビュー] Testing by C++ template metaprograms

Norbert Pataki|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2010

Software Testing and Debugging Techniques参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

この論文では、外部ツールを必要とせず、C++のテンプレートメタプログラミングに基づくコンパイル時検証が可能なテストフレームワークを提案する。テンプレートメタプログラミングを活用して、コンパイル時にテストアサーションを評価することで、実行時オーバーヘッドを排除し、カスタマイズ可能な仕様言語のサポートも可能にし、ユニットテストにおける欠陥の早期検出を実現する。

ABSTRACT

Testing is one of the most indispensable tasks in software engineering. The role of testing in software development has grown significantly because testing is able to reveal defects in the code in an early stage of development. Many unit test frameworks compatible with C/C++ code exist, but a standard one is missing. Unfortunately, many unsolved problems can be mentioned with the existing methods, for example usually external tools are necessary for testing C++ programs. In this paper we present a new approach for testing C++ programs. Our solution is based on C++ template metaprogramming facilities, so it can work with the standard-compliant compilers. The metaprogramming approach ensures that the overhead of testing is minimal at runtime. This approach also supports that the specification language can be customized among other advantages. Nevertheless, the only necessary tool is the compiler itself.

研究の動機と目的

• 外部ツールを必要としない標準的で軽量なC++ユニットテストフレームワークの欠如を解消すること。
• C++テンプレートメタプログラミングを用いてテスト評価をコンパイル時へ移行させることで、実行時オーバーヘッドを低減すること。
• C++内でのドメイン固有の仕様言語の作成を可能にすること。
• リファクタリングを伴わずに、レガシーや既存のC++コードベースのテストを可能にすること。
• コンパイル時に自動的にテストケースを生成する可能性を検討すること。

提案手法

• テストケースとアサーションをコンパイル時の計算として表現するため、C++テンプレートメタプログラミングを用いる。
• テンプレートパラメータを介して、実行時値（例：整数、浮動小数点数）をコンパイル時定数にマッピングする。浮動小数点値の処理には、仮数部と指数部の表現を用いる。
• 期待される結果と比較関係をテンプレートパラメータでエンコードしたテストクラスを定義し、拡張性を確保するためにファンクタを活用する。
• 再帰的テンプレートインスタンシエーションと部分特殊化を用いて、コンパイル時にテスト結果を計算する。失敗はコンパイル時にスローされる例外で示される。
• デフォルトテンプレートパラメータや関数オブジェクトといった標準C++構文を統合することで、柔軟性と再利用性を向上させる。
• 実行時依存のコンポonent（例：ファイルI/Oやデータベースアクセス）を避ける一方で、ビジネスロジックや型安全な操作のテストを可能にするために、フレームワークを拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 C++テンプレートメタプログラミングを用いて、外部ツールを一切必要としない完全に自己完結型のユニットテストフレームワークを実装できるか？
• RQ2 コンパイラのみを用いて、どの程度までテストアサーションと期待される結果をコンパイル時にエンコード・検証できるか？
• RQ3 ドメイン固有の仕様言語を、テンプレートメタプログラミングを介してC++テストに統合できるか？
• RQ4 仮想関数、I/O、マルチスレッドなどの実行時依存動作を扱う際、コンパイル時テストの限界は何か？
• RQ5 主要な実行パスをカバーするテストケースを、自動的にコンパイル時に生成できるか？

主な発見

• フレームワークは標準準拠のC++コンパイラのみを必要とし、外部のテストツールの導入が不要である。
• すべてのテスト評価がコンパイル時に実行されるため、実行時パフォーマンスオーバーヘッドは最小限に抑えられる。
• カスタマイズ可能な仕様言語をサポートしており、テンプレートメタプログラミングを活用することで、ドメイン固有のテスト構文を実現できる。
• 外部APIのインターフェース変更（例：戻り値の型の変更）を、テストコードを変更せずに検出できる。
• 純粋関数やビジネスロジックのテストには有効だが、ファイルI/Oやデータベース呼び出し、仮想関数ディスpatchなどの実行時入力は処理できない。
• コンパイラがインタプリタとして単一スレッドかつ非決定的動作を示すため、並列処理やマルチスレッドプログラムのテストには不適切である。