教程:fuzzing 入门

Tutorial: Getting started with fuzzing - 教程:fuzzing 入门

原文:https://go.dev/doc/tutorial/fuzz

​ 本教程介绍了Go中的模糊测试的基本知识。通过模糊测试,针对您的测试运行随机数据,试图找到漏洞或导致崩溃的输入。通过fuzzing可以发现的一些漏洞的例子有:SQL注入缓冲区溢出拒绝服务跨站脚本攻击

​ 在本教程中,您将为一个简单的函数写一个模糊测试,运行go命令,并调试和修复代码中的问题。

​ 关于本教程中的术语帮助,请参见 Go Fuzzing glossary

您将通过以下几个部分取得进展:

  1. 为您的代码创建一个文件夹
  2. 添加测试代码
  3. 添加一个单元测试
  4. 添加一个模糊测试
  5. 修复两个bug
  6. 探索其他资源

注意:关于其他教程,请参见 Tutorials

注意:Go模糊测试目前支持Go模糊测试文档中列出的内置类型子集,未来将增加对更多内置类型的支持。

前提条件

  • 安装 Go 1.18 或更高版本。关于安装说明,请参阅 Installing Go
  • 编辑代码的工具。任何您拥有的文本编辑器都可以使用。
  • 命令终端。在 Linux 和 Mac 上使用任何终端,以及在 Windows 上使用 PowerShellcmd,Go 都能很好地工作。
  • 支持模糊处理的环境。目前只有在AMD64ARM64架构上可以使用覆盖检测技术进行模糊化。

为您的代码创建一个文件夹

首先,为您要写的代码创建一个文件夹。

a. 打开一个命令提示符,切换到您的主目录。

在Linux或Mac上:

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$ cd

在Windows上:

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C:\> cd %HOMEPATH%

​ 本教程的其余部分将显示一个$作为提示符。您所使用的命令在Windows上也会起作用。

b. 在命令提示符下,为您的代码创建一个名为fuzz的目录。

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$ mkdir fuzz
$ cd fuzz

c. 创建一个模块来存放您的代码。

​ 运行 go mod init 命令,给它您的新代码的模块路径。

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$ go mod init example/fuzz
go: creating new go.mod: module example/fuzz

注意:对于生产代码,您可以根据自己的需要指定一个更具体的模块路径。更多信息,请务必参阅管理依赖项

​ 接下来,您将添加一些简单的代码来反转一个字符串,我们稍后将对其进行模糊处理。

添加测试代码

在这一步,您将添加一个函数来反转一个字符串。

编写代码

a. 使用您的文本编辑器,在fuzz目录下创建一个名为main.go的文件。

b. 在main.go文件的顶部,粘贴以下包声明。

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package main

A standalone program (as opposed to a library) is always in package main.

一个独立的程序(相对于一个库)总是在package main中。

c. 在包声明的下面,粘贴以下函数声明。

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func Reverse(s string) string {
    b := []byte(s)
    for i, j := 0, len(b)-1; i < len(b)/2; i, j = i+1, j-1 {
        b[i], b[j] = b[j], b[i]
    }
    return string(b)
}

​ 这个函数将接受一个string,每次循环一个byte,并在最后返回反转的字符串。

注意:这段代码是基于golang.org/x/example中的stringutil.Reverse函数。

d. 在main.go的顶部,在包声明的下面,粘贴以下main函数,以初始化一个字符串,反转它,打印输出,然后重复。

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func main() {
    input := "The quick brown fox jumped over the lazy dog"
    rev := Reverse(input)
    doubleRev := Reverse(rev)
    fmt.Printf("original: %q\n", input)
    fmt.Printf("reversed: %q\n", rev)
    fmt.Printf("reversed again: %q\n", doubleRev)
}

​ 这个函数将运行一些Reverse(反转)操作,然后将输出打印到命令行。这有助于查看正在运行的代码,而且有可能用于调试。

e. main函数使用fmt包,所以您需要导入它。

第一行代码应该是这样的:

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package main

import "fmt"

运行该代码

在包含main.go的目录下的命令行中,运行该代码。

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$ go run .
original: "The quick brown fox jumped over the lazy dog"
reversed: "god yzal eht revo depmuj xof nworb kciuq ehT"
reversed again: "The quick brown fox jumped over the lazy dog"

​ 您可以看到原始字符串,反转后的结果,然后是再次反转的结果,它等价于原始字符串。

​ 现在代码正在运行,是时候测试它了。

添加一个单元测试

在这一步,您将为Reverse函数写一个基本的单元测试。

编写代码

a. 使用您的文本编辑器,在fuzz目录下创建一个名为reverse_test.go的文件。

b. 将以下代码粘贴到reverse_test.go中。

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package main

import (
    "testing"
)

func TestReverse(t *testing.T) {
    testcases := []struct {
        in, want string
    }{
        {"Hello, world", "dlrow ,olleH"},
        {" ", " "},
        {"!12345", "54321!"},
    }
    for _, tc := range testcases {
        rev := Reverse(tc.in)
        if rev != tc.want {
                t.Errorf("Reverse: %q, want %q", rev, tc.want)
        }
    }
}

这个简单的测试将断言列出的输入字符串将被正确反转的字符串。

运行代码

使用go test运行单元测试

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$ go test
PASS
ok      example/fuzz  0.013s

接下来,您将把单元测试改为模糊测试。

添加一个模糊测试

单元测试有其局限性,即每个输入必须由开发人员添加到测试中。模糊测试的一个好处是,它为您的代码提供输入,并可以识别出您提供的测试用例没有达到的边缘情况。

​ 在本节中,您将把单元测试转换为模糊测试,这样您就能以更少的工作量产生更多的输入了!

注意,您可以把单元测试(unit tests)、基准测试(benchmarks)和模糊测试(fuzz tests)放在同一个*_test.go文件中,但在这个例子中,您将把单元测试转换为模糊测试。

编写代码

在您的文本编辑器中,用以下模糊测试替换 reverse_test.go 中的单元测试。

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func FuzzReverse(f *testing.F) {
    testcases := []string{"Hello, world", " ", "!12345"}
    for _, tc := range testcases {
        f.Add(tc)  // Use f.Add to provide a seed corpus
    }
    f.Fuzz(func(t *testing.T, orig string) {
        rev := Reverse(orig)
        doubleRev := Reverse(rev)
        if orig != doubleRev {
            t.Errorf("Before: %q, after: %q", orig, doubleRev)
        }
        if utf8.ValidString(orig) && !utf8.ValidString(rev) {
            t.Errorf("Reverse produced invalid UTF-8 string %q", rev)
        }
    })
}

Fuzzing 也有一些限制。在您的单元测试中,您可以预测Reverse函数的预期输出,并验证实际输出是否符合这些预期。

​ 例如,在测试用例Reverse("Hello, world")中,单元测试指定返回为 "dlrow ,olleH"

​ 当模糊测试时,您无法预测预期的输出,因为您无法控制输入。

​ 然而,您可以在模糊测试中验证Reverse函数的一些属性。在这个模糊测试中被检查的两个属性是:

  1. 对字符串进行两次反转将保留原始值
  2. 反向字符串将其状态保留为有效的 UTF-8

注意单元测试和模糊测试之间的语法差异:

  • 该函数以FuzzXxx开头,而不是TestXxx,并且使用*testing.F而不是*testing.T
  • 在您期望看到t.Run执行的地方,您看到的是f.Fuzz,它接收一个模糊目标函数,其参数是*testing.T和要模糊的类型。您的单元测试的输入被作为种子语料库的输入使用f.Add提供。

确保新的包,unicode/utf8已经被导入。

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package main

import (
    "testing"
    "unicode/utf8"
)

将单元测试转换为模糊测试后,现在是再次运行测试的时候了。

运行代码

a. 运行模糊测试而不 fuzzing 它,以确保种子(seed)输入通过。

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$ go test
PASS
ok      example/fuzz  0.013s

​ 如果您在该文件中有其他测试,而您只想运行模糊测试,您也可以运行 go test -run=FuzzReverse

b. 使用 fuzzing 运行 FuzzReverse ,看看任何随机生成的字符串输入是否会导致失败。这是用 go test 和一个新的标志 -fuzz 来执行的。

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$ go test -fuzz=Fuzz
fuzz: elapsed: 0s, gathering baseline coverage: 0/3 completed
fuzz: elapsed: 0s, gathering baseline coverage: 3/3 completed, now fuzzing with 8 workers
fuzz: minimizing 38-byte failing input file...
--- FAIL: FuzzReverse (0.01s)
    --- FAIL: FuzzReverse (0.00s)
        reverse_test.go:20: Reverse produced invalid UTF-8 string "\x9c\xdd"

    Failing input written to testdata/fuzz/FuzzReverse/af69258a12129d6cbba438df5d5f25ba0ec050461c116f777e77ea7c9a0d217a
    To re-run:
    go test -run=FuzzReverse/af69258a12129d6cbba438df5d5f25ba0ec050461c116f777e77ea7c9a0d217a
FAIL
exit status 1
FAIL    example/fuzz  0.030s

​ 在 fuzzing 时发生了故障,导致问题的输入被写入种子语料库文件,在下次调用go test 时将被运行,即使没有-fuzz标志。要查看导致失败的输入,可以用文本编辑器打开写在testdata/fuzz/FuzzReverse目录下的语料库文件。您的种子语料库文件可能包含不同的字符串,但其格式是相同的。

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go test fuzz v1
string("泃")

​ 语料库文件的第一行表示编码版本。接下来的每一行表示构成语料库条目的每个类型的值。由于fuzz目标只接受1个输入,所以版本后面只有1个值。

c. 再次运行go test,不使用-fuzz标志;将使用新的失败的种子语料库条目:

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$ go test
--- FAIL: FuzzReverse (0.00s)
    --- FAIL: FuzzReverse/af69258a12129d6cbba438df5d5f25ba0ec050461c116f777e77ea7c9a0d217a (0.00s)
        reverse_test.go:20: Reverse produced invalid string
FAIL
exit status 1
FAIL    example/fuzz  0.016s

既然我们的测试已经失败了,现在是时候进行调试了。

修复无效字符串的错误

​ 在这一节中,您将对失败进行调试,并修复这个错误。

​ 在继续之前,请随意花一些时间来思考,并尝试自己修复这个问题。

诊断错误

​ 有几种不同的方法可以调试这个错误。如果您使用VS Code作为您的文本编辑器,您可以设置您的调试器来调查。

​ 在本教程中,我们将把有用的调试信息记录到您的终端。

首先,考虑utf8.ValidString的文档。

ValidString reports whether s consists entirely of valid UTF-8-encoded runes.

ValidString报告s是否完全由有效的utf -8编码的符文组成。

​ 目前的Reverse函数是逐个字节地 (byte-by-byte)反转字符串,这就是我们的问题所在。为了保留原始字符串的UTF-8编码的符文,我们必须逐个符文地(rune-by-rune)反转字符串。

​ 为了检查为什么输入(在本例中是中文字符 “")会导致Reverse在反转时产生一个无效的字符串,您可以检查反转字符串中的符文数量。

编写代码

​ 在您的文本编辑器中,将FuzzReverse中的 fuzz 目标替换为以下内容。

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f.Fuzz(func(t *testing.T, orig string) {
    rev := Reverse(orig)
    doubleRev := Reverse(rev)
    t.Logf("Number of runes: orig=%d, rev=%d, doubleRev=%d", utf8.RuneCountInString(orig), utf8.RuneCountInString(rev), utf8.RuneCountInString(doubleRev))
    if orig != doubleRev {
        t.Errorf("Before: %q, after: %q", orig, doubleRev)
    }
    if utf8.ValidString(orig) && !utf8.ValidString(rev) {
        t.Errorf("Reverse produced invalid UTF-8 string %q", rev)
    }
})

​ 如果发生错误,或者用-v执行测试,这个t.Logf行将打印到命令行,这可以帮助您调试这个特殊问题。

运行代码

使用go test运行测试

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$ go test
--- FAIL: FuzzReverse (0.00s)
    --- FAIL: FuzzReverse/28f36ef487f23e6c7a81ebdaa9feffe2f2b02b4cddaa6252e87f69863046a5e0 (0.00s)
        reverse_test.go:16: Number of runes: orig=1, rev=3, doubleRev=1
        reverse_test.go:21: Reverse produced invalid UTF-8 string "\x83\xb3\xe6"
FAIL
exit status 1
FAIL    example/fuzz    0.598s

​ 整个种子语料库使用的字符串中,每个字符都是一个字节。但是,像 “ “这样的字符可能需要几个字节。因此,逐个字节地反转字符串将使多字节的字符失效。

注意:如果您对Go如何处理字符串感到好奇,请阅读博文《Strings, bytes, runes and characters in Go》以加深理解。

​ 在对这个错误有了更深入的了解后,在Reverse函数中纠正这个错误。

修正错误

​ 为了纠正Reverse函数,让我们通过符文而不是通过字节来遍历字符串。

编写代码

​ 在您的文本编辑器中,将现有的Reverse()函数替换为以下内容。

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func Reverse(s string) string {
    r := []rune(s)
    for i, j := 0, len(r)-1; i < len(r)/2; i, j = i+1, j-1 {
        r[i], r[j] = r[j], r[i]
    }
    return string(r)
}

​ 关键的区别是Reverse现在是对字符串中的每个rune(符文)进行迭代,而不是每个byte(字节)。

运行代码

a. 使用go test运行测试

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$ go test
PASS
ok      example/fuzz  0.016s

现在测试通过了!

b. 再次用go test -fuzz测试一下,看看是否有新的bug。

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$ go test -fuzz=Fuzz
fuzz: elapsed: 0s, gathering baseline coverage: 0/37 completed
fuzz: minimizing 506-byte failing input file...
fuzz: elapsed: 0s, gathering baseline coverage: 5/37 completed
--- FAIL: FuzzReverse (0.02s)
    --- FAIL: FuzzReverse (0.00s)
        reverse_test.go:33: Before: "\x91", after: "�"

    Failing input written to testdata/fuzz/FuzzReverse/1ffc28f7538e29d79fce69fef20ce5ea72648529a9ca10bea392bcff28cd015c
    To re-run:
    go test -run=FuzzReverse/1ffc28f7538e29d79fce69fef20ce5ea72648529a9ca10bea392bcff28cd015c
FAIL
exit status 1
FAIL    example/fuzz  0.032s

​ 我们可以看到,经过两次反转后的字符串与原来的不同。这一次的输入本身是无效的unicode。如果我们是用字符串进行模糊处理,这怎么可能呢?

我们再来调试一下。

修复两次反转错误

​ 在这一节中,您将调试两次反转失败,并修复这个错误。

​ 在继续之前,请随意花一些时间来思考这个问题,并尝试自己修复这个问题。

诊断错误

​ 像以前一样,您有几种方法可以调试这个故障。在这种情况下,使用debugger (调试器)将是一个很好的方法。

​ 在本教程中,我们将在Reverse函数中记录有用的调试信息。

​ 仔细观察反转的字符串来发现错误。在Go中,字符串是一个只读的字节切片,可以包含无效UTF-8的字节。原始字符串是一个字节切片,其中有一个字节'\x91'。当输入字符串被设置为[]rune时,Go将字节切片编码为UTF-8,并将该字节替换为UTF-8字符�。当我们将替换的UTF-8字符与输入的字节切片进行比较时,它们显然是不相等的。

编写代码

a. 在您的文本编辑器中,将Reverse函数替换为以下内容。

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func Reverse(s string) string {
    fmt.Printf("input: %q\n", s)
    r := []rune(s)
    fmt.Printf("runes: %q\n", r)
    for i, j := 0, len(r)-1; i < len(r)/2; i, j = i+1, j-1 {
        r[i], r[j] = r[j], r[i]
    }
    return string(r)
}

这将帮助我们了解在将字符串转换为符文片时出了什么问题。

编写代码

​ 这一次,我们只想运行失败的测试,以便检查日志。要做到这一点,我们将使用go test -run

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$ go test -run=FuzzReverse/28f36ef487f23e6c7a81ebdaa9feffe2f2b02b4cddaa6252e87f69863046a5e0
input: "\x91"
runes: ['�']
input: "�"
runes: ['�']
--- FAIL: FuzzReverse (0.00s)
    --- FAIL: FuzzReverse/28f36ef487f23e6c7a81ebdaa9feffe2f2b02b4cddaa6252e87f69863046a5e0 (0.00s)
        reverse_test.go:16: Number of runes: orig=1, rev=1, doubleRev=1
        reverse_test.go:18: Before: "\x91", after: "�"
FAIL
exit status 1
FAIL    example/fuzz    0.145s

​ 要在FuzzXxx/testdata中运行一个特定的语料库条目,您可以向-run提供{FuzzTestName}/{filename}。这在调试时可能会有帮助。

​ 知道了输入是无效的 unicode,让我们在Reverse函数中修复这个错误。

修复错误

​ 为了解决这个问题,如果Reverse的输入不是有效的UTF-8,让我们返回一个错误。

编写代码

a. 在您的文本编辑器中,将现有的Reverse函数替换为以下内容。

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func Reverse(s string) (string, error) {
    if !utf8.ValidString(s) {
        return s, errors.New("input is not valid UTF-8")
    }
    r := []rune(s)
    for i, j := 0, len(r)-1; i < len(r)/2; i, j = i+1, j-1 {
        r[i], r[j] = r[j], r[i]
    }
    return string(r), nil
}

​ 如果输入的字符串包含无效的UTF-8字符,这一改变将返回一个错误。

b. 由于Reverse函数现在返回一个错误,请修改main函数以丢弃额外的错误值。将现有的main函数改为以下内容。

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func main() {
    input := "The quick brown fox jumped over the lazy dog"
    rev, revErr := Reverse(input)
    doubleRev, doubleRevErr := Reverse(rev)
    fmt.Printf("original: %q\n", input)
    fmt.Printf("reversed: %q, err: %v\n", rev, revErr)
    fmt.Printf("reversed again: %q, err: %v\n", doubleRev, doubleRevErr)
}

​ 这些对Reverse的调用应该返回一个nil错误,当输入的字符串是有效的UTF-8。

c. 您将需要导入错误和unicode/utf8包。main.go中的import语句应该如下所示。

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import (
    "errors"
    "fmt"
    "unicode/utf8"
)

d. 修改 reverse_test.go 文件以检查错误,如果返回时产生了错误,则跳过测试。

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func FuzzReverse(f *testing.F) {
    testcases := []string {"Hello, world", " ", "!12345"}
    for _, tc := range testcases {
        f.Add(tc)  // Use f.Add to provide a seed corpus
    }
    f.Fuzz(func(t *testing.T, orig string) {
        rev, err1 := Reverse(orig)
        if err1 != nil {
            return
        }
        doubleRev, err2 := Reverse(rev)
        if err2 != nil {
             return
        }
        if orig != doubleRev {
            t.Errorf("Before: %q, after: %q", orig, doubleRev)
        }
        if utf8.ValidString(orig) && !utf8.ValidString(rev) {
            t.Errorf("Reverse produced invalid UTF-8 string %q", rev)
        }
    })
}

​ 您也可以调用t.Skip()而不是返回,以停止执行该模糊输入。

运行代码

a. 使用go test运行测试

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$ go test
PASS
ok      example/fuzz  0.019s

b. Fuzz it with go test -fuzz=Fuzz, then after a few seconds has passed, stop fuzzing with ctrl-C. 用go test -fuzz=Fuzz进行模糊测试,然后在几秒钟后,用ctrl-C停止模糊测试。

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$ go test -fuzz=Fuzz
fuzz: elapsed: 0s, gathering baseline coverage: 0/38 completed
fuzz: elapsed: 0s, gathering baseline coverage: 38/38 completed, now fuzzing with 4 workers
fuzz: elapsed: 3s, execs: 86342 (28778/sec), new interesting: 2 (total: 35)
fuzz: elapsed: 6s, execs: 193490 (35714/sec), new interesting: 4 (total: 37)
fuzz: elapsed: 9s, execs: 304390 (36961/sec), new interesting: 4 (total: 37)
...
fuzz: elapsed: 3m45s, execs: 7246222 (32357/sec), new interesting: 8 (total: 41)
^Cfuzz: elapsed: 3m48s, execs: 7335316 (31648/sec), new interesting: 8 (total: 41)
PASS
ok      example/fuzz  228.000s

​ 除非您通过-fuzztime标志,否则模糊测试会一直运行到遇到失败的输入。默认情况下,如果没有失败发生,就会永远运行下去,而且可以用ctrl-C中断这个过程。

c. 用go test -fuzz=Fuzz -fuzztime 30s对其进行模糊处理,如果没有发现故障,将模糊处理30秒后退出。

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$ go test -fuzz=Fuzz -fuzztime 30s
fuzz: elapsed: 0s, gathering baseline coverage: 0/5 completed
fuzz: elapsed: 0s, gathering baseline coverage: 5/5 completed, now fuzzing with 4 workers
fuzz: elapsed: 3s, execs: 80290 (26763/sec), new interesting: 12 (total: 12)
fuzz: elapsed: 6s, execs: 210803 (43501/sec), new interesting: 14 (total: 14)
fuzz: elapsed: 9s, execs: 292882 (27360/sec), new interesting: 14 (total: 14)
fuzz: elapsed: 12s, execs: 371872 (26329/sec), new interesting: 14 (total: 14)
fuzz: elapsed: 15s, execs: 517169 (48433/sec), new interesting: 15 (total: 15)
fuzz: elapsed: 18s, execs: 663276 (48699/sec), new interesting: 15 (total: 15)
fuzz: elapsed: 21s, execs: 771698 (36143/sec), new interesting: 15 (total: 15)
fuzz: elapsed: 24s, execs: 924768 (50990/sec), new interesting: 16 (total: 16)
fuzz: elapsed: 27s, execs: 1082025 (52427/sec), new interesting: 17 (total: 17)
fuzz: elapsed: 30s, execs: 1172817 (30281/sec), new interesting: 17 (total: 17)
fuzz: elapsed: 31s, execs: 1172817 (0/sec), new interesting: 17 (total: 17)
PASS
ok      example/fuzz  31.025s

Fuzzing通过了!

​ 除了-fuzz标志外,还有几个新的标志被添加到go test中,可以在文档中查看。

总结

​ 做得很好! 您刚刚向自己介绍了Go中的fuzzing。

​ 下一步是在您的代码中选择一个您想模糊处理的函数,并尝试使用它! 如果 fuzzing 在您的代码中发现了一个bug,可以考虑把它加入trophy case (战利品箱、奖杯箱)

​ 如果您遇到了任何问题或有关于特性的想法,file an issue

​ 对于有关该特性的讨论和一般反馈,您也可以参与Gophers Slack的#fuzzing channel

​ 请查看 go.dev/security/fuzz 的文档,以进一步阅读。

完整的代码

```go title="main.go" linenums="1" package main import ( "errors" "fmt" "unicode/utf8" ) func main() { input := "The quick brown fox jumped over the lazy dog" rev, revErr := Reverse(input) doubleRev, doubleRevErr := Reverse(rev) fmt.Printf("original: %q\n", input) fmt.Printf("reversed: %q, err: %v\n", rev, revErr) fmt.Printf("reversed again: %q, err: %v\n", doubleRev, doubleRevErr) } func Reverse(s string) (string, error) { if !utf8.ValidString(s) { return s, errors.New("input is not valid UTF-8") } r := []rune(s) for i, j := 0, len(r)-1; i < len(r)/2; i, j = i+1, j-1 { r[i], r[j] = r[j], r[i] } return string(r), nil } ```
```go title="reverse_test.go" linenums="1" package main import ( "testing" "unicode/utf8" ) func FuzzReverse(f *testing.F) { testcases := []string{"Hello, world", " ", "!12345"} for _, tc := range testcases { f.Add(tc) // Use f.Add to provide a seed corpus } f.Fuzz(func(t *testing.T, orig string) { rev, err1 := Reverse(orig) if err1 != nil { return } doubleRev, err2 := Reverse(rev) if err2 != nil { return } if orig != doubleRev { t.Errorf("Before: %q, after: %q", orig, doubleRev) } if utf8.ValidString(orig) && !utf8.ValidString(rev) { t.Errorf("Reverse produced invalid UTF-8 string %q", rev) } }) } ```
最后修改 February 26, 2024: 更新 (3def5a9)