c - 如何在 C 中用随机数据初始化结构？

Question

假设我们有以下复杂结构(在 C 中)。它包括定长数组、不同大小的成员、枚举和其他结构。此结构未打包，也无法打包。

struct {
    uint8_t smallNum;
    /* uint8_t align0 */
    /* uint8_t align1 */
    /* uint8_t align2 */
    uint32_t arrayOfBigNums[5];
    bool isFalse;
    /* uint8_t align0 */
    /* uint8_t align1 */
    /* uint8_t align2 */
    struct myOtherStruct;
    /* uint8_t align0 */
    enum mySmallEnum;
...
    uint8_t aByte;
    /* uint8_t align0 */
    /* uint8_t align1 */
} myStruct;

我们想用随机数据初始化此结构以进行单元测试。测试包括获取此结构、将其序列化、将其写入闪存、读取它、反序列化，然后检查数据是否未更改。

要么生成所有可能的值，要么生成一个小的随机子集并对其进行测试。那么，如何才能做到这一点呢？

直接的解决方案如下:

myStruct testData = {0};
myStruct readData = {0};
testData.smallNum = rand();
testData.arrayOfBigNums[0] = rand();
testData.arrayOfBigNums[1] = rand();
....
testData.aByte = rand();
save(&testData);
load(&readData);
int ret = memcmp(&readData, &testData, sizeof(myStruct)); 
// ret == 0. Good!

但此解决方案不可扩展。向结构添加另一个字段或增加数组将需要更改单元测试。此外，它是一个很长的初始化函数，容易出现人为错误。

另一种解决方案是生成一个随机字节数组，然后将其memcpy 放入我们的结构中。虽然这是个好主意，但在实践中它不会起作用，因为我们的结构没有打包。一些字节是并且永远是 0。

myStruct testData = {0};
myStruct readData = {0};
uint8_t* randomData = genRandomData(sizeof(myStruct));
memcpy((uint8_t*)&testData, randomData, sizeof(myStruct));
save(&testData);
load(&readData);
int ret = memcmp(&readData, &testData, sizeof(myStruct)); 
// ret != 0 because deserialization will fill the struct properly. 
// Ignoring junk bytes in padding

我目前的工作解决方案是对前一个进行迭代改进。使用 0xff 初始化结构，将其转换为字节数组并用所有内容对其进行屏蔽。 You get a compiler warning但据我所知，它是无害的。

myStruct structMask = {MACRO_TO_FILL_WITH_MANY(-1)};
myStruct testData = {0};
myStruct readData = {0};
uint8_t* randomData = genRandomData(sizeof(myStruct));
memcpy((uint8_t*)&testData, randomData, sizeof(myStruct));
for(size_t i = 0; i < sizeof(myStruct); i++){
    ((uint8_t*)&testData)[i] &= ((uint8_t*)&structMask)[i];
}
save(&testData);
load(&readData);
int ret = memcmp(&readData, &testData, sizeof(myStruct)); 
// ret != 0 because deserialization will fill the struct properly. 
// Ignoring junk bytes in padding

这个解决方案也不是最优的，因为它没有考虑枚举限制。像 bool(来自 stdbool.h)这样的类型被存储为 0/1 这很好，但是枚举仍然可以有未定义的值。所以我们需要手动对所有枚举值取模。

寻找更通用/更强大的解决方案。

Answer 1

考虑到您希望随机数据遵守类型规则，没有办法以可扩展的方式使其工作。

我要做的是将随机字节复制到结构中。是的，有些数据将无效，这也应该是一个测试用例，以了解您如何处理损坏/无效的数据:

#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct Foo {
    int a;
    double d;
    char ch;
    _Bool b;
};

int main() {
    FILE* random = fopen("/dev/urandom", "rb");
    struct Foo foo;

    if (!random || fread(&foo, sizeof(foo), 1, random) != 1) {
        fputs("Failed to generate random data", stderr);
        return -1;
    }
    
    fclose(random);

    printf("foo.d = %d\n", foo.d);
}