Light-electric.com

IT Журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Отладка в программировании

11. Отладка программного обеспечения. Классификация ошибок, методы отладки программного обеспечения: ручного тестирования, индукции, дедукции, обратного прослеживания.

Отладка программы — один их самых сложных этапов разработки программного обеспечения, требующий глубокого знания:

• специфики управления используемыми техническими средствами,

• среды и языка программирования,

• природы и специфики различных ошибок,

• методик отладки и соответствующих программных средств.

Отладка — это процесс локализации и исправления ошибок, обнаруженных при тестировании программного обеспечения. Локализацией называют процесс определения оператора программы, выполнение которого вызвало нарушение нормального вычислительного процесса. Доя исправления ошибки необходимо определить ее причину , т. е. определить оператор или фрагмент, содержащие ошибку. Причины ошибок могут быть как очевидны, так и очень глубоко скрыты.

В целом сложность отладки обусловлена следующими причинами:

• требует от программиста глубоких знаний специфики управления используемыми техническими средствами, операционной системы, среды и языка программирования, реализуемых процессов, природы и специфики различных ошибок, методик отладки и соответствующих программных средств;

• психологически дискомфортна, так как необходимо искать собственные ошибки и, как правило, в условиях ограниченного времени;

• возможно взаимовлияние ошибок в разных частях программы, например, за счет затирания области памяти одного модуля другим из-за ошибок адресации;

• отсутствуют четко сформулированные методики отладки.

В соответствии с этапом обработки, на котором проявляются ошибки, различают (рис. 10.1): синтаксические ошибки — ошибки, фиксируемые компилятором (транслятором, интерпретатором) при выполнении синтаксического и частично семантического анализа программы; ошибки компоновки — ошибки, обнаруженные компоновщиком (редактором связей) при объединении модулей программы;

ошибки выполнения — ошибки, обнаруженные операционной системой, аппаратными средствами или пользователем при выполнении программы.

Синтаксические ошибки. Синтаксические ошибки относят к группе самых простых, так как синтаксис языка, как правило, строго формализован, и ошибки сопровождаются развернутым комментарием с указанием ее местоположения. Определение причин таких ошибок, как правило, труда не составляет, и даже при нечетком знании правил языка за несколько прогонов удается удалить все ошибки данного типа.

Следует иметь в виду, что чем лучше формализованы правила синтаксиса языка, тем больше ошибок из общего количества может обнаружить компилятор и, соответственно, меньше ошибок будет обнаруживаться на следующих этапах. В связи с этим говорят о языках программирования с защищенным синтаксисом и с незащищенным синтаксисом. К первым, безусловно, можно отнести Pascal, имеющий очень простой и четко определенный синтаксис, хорошо проверяемый при компиляции программы, ко вторым — Си со всеми его модификациями. Чего стоит хотя бы возможность выполнения присваивания в условном операторе в Си, например:

if (c = n) x = 0; /* в данном случае не проверятся равенство с и n, а выполняется присваивание с значения n, после чего результат операции сравнивается с нулем, если программист хотел выполнить не присваивание, а сравнение, то эта ошибка будет обнаружена только на этапе выполнения при получении результатов, отличающихся от ожидаемых */ Ошибки компоновки. Ошибки компоновки, как следует из названия, связаны с проблемами,

обнаруженными при разрешении внешних ссылок. Например, предусмотрено обращение к подпрограмме другого модуля, а при объединении модулей данная подпрограмма не найдена или не стыкуются списки параметров. В большинстве случаев ошибки такого рода также удается быстро локализовать и устранить.

Ошибки выполнения. К самой непредсказуемой группе относятся ошибки выполнения. Прежде всего они могут иметь разную природу, и соответственно по-разному проявляться. Часть ошибок обнаруживается и документируется операционной системой. Выделяют четыре способа проявления таких ошибок:

• появление сообщения об ошибке, зафиксированной схемами контроля выполнения машинных команд, например, переполнении разрядной сетки, ситуации «деление на ноль», нарушении адресации и т. п.;

• появление сообщения об ошибке, обнаруженной операционной системой, например, нарушении защиты памяти, попытке записи на устройства, защищенные от записи, отсутствии файла с заданным именем и т. п.;

• «зависание» компьютера, как простое, когда удается завершить программу без перезагрузки операционной системы, так и «тяжелое», когда для продолжения работы необходима перезагрузка;

• несовпадение полученных результатов с ожидаемыми.

Примечание . Отметим, что, если ошибки этапа выполнения обнаруживает пользователь, то в двух первых случаях, получив соответствующее сообщение, пользователь в зависимости от своего характера, степени необходимости и опыта работы за компьютером, либо попробует понять, что произошло, ища свою вину, либо обратится за помощью, либо постарается никогда больше не иметь дела с этим продуктом. При «зависании» компьютера пользователь может даже не сразу понять, что происходит что-то не то, хотя его печальный опыт и заставляет волноваться каждый раз, когда компьютер не выдает быстрой реакции на введенную команду, что также целесообразно иметь в виду. Также опасны могут быть ситуации, при которых пользователь получает неправильные результаты и использует их в своей работе.

Причины ошибок выполнения очень разнообразны, а потому и локализация может оказаться крайне сложной. Все возможные причины ошибок можно разделить на следующие группы:

• неверное определение исходных данных,

• накопление погрешностей результатов вычислений (рис. 10.2).

Н е в е р н о е о п р е д е л е н и е и с х о д н ы х д а н н ы х происходит, если возникают любые ошибки при выполнении операций ввода-вывода: ошибки передачи, ошибки преобразования, ошибки перезаписи и ошибки данных. Причем использование специальных технических средств и программирование с защитой от ошибок (см.§ 2.7) позволяет обнаружить и предотвратить только часть этих ошибок, о чем безусловно не следует забывать.

Л о г и ч е с к и е о ш и б к и имеют разную природу. Так они могут следовать из ошибок, допущенных при проектировании, например, при выборе методов, разработке алгоритмов или определении структуры классов, а могут быть непосредственно внесены при кодировании модуля.

К последней группе относят:

ошибки некорректного использования переменных , например, неудачный выбор типов данных, использование переменных до их инициализации, использование индексов, выходящих за границы определения массивов, нарушения соответствия типов данных при использовании явного или неявного переопределения типа данных, расположенных в памяти при использовании нетипизированных переменных, открытых массивов, объединений, динамической памяти, адресной арифметики и т. п.;

ошибки вычислений , например, некорректные вычисления над неарифметическими переменными, некорректное использование целочисленной арифметики, некорректное преобразование типов данных в процессе вычислений, ошибки, связанные с незнанием приоритетов выполнения операций для арифметических и логических выражений, и т. п.;

ошибки межмодульного интерфейса , например, игнорирование системных соглашений, нарушение типов и последовательности при передачи параметров, несоблюдение единства единиц измерения формальных и фактических параметров, нарушение области действия локальных и глобальных переменных;

другие ошибки кодирования , например, неправильная реализация логики программы при кодировании, игнорирование особенностей или ограничений конкретного языка программирования.

Н а к о п л е н и е п о г р е ш н о с т е й результатов числовых вычислений возникает, например, при некорректном отбрасывании дробных цифр чисел, некорректном использовании приближенных методов вычислений, игнорировании ограничения разрядной сетки представления вещественных чисел в ЭВМ и т. п.

Все указанные выше причины возникновения ошибок следует иметь в виду в процессе отладки. Кроме того, сложность отладки увеличивается также вследствие влияния следующих факторов:

опосредованного проявления ошибок;

возможности взаимовлияния ошибок;

возможности получения внешне одинаковых проявлений разных ошибок;

отсутствия повторяемости проявлений некоторых ошибок от запуска к запуску – так называемые стохастические ошибки;

возможности устранения внешних проявлений ошибок в исследуемой ситуации при внесении некоторых изменений в программу, например, при включении в программу диагностических фрагментов может аннулироваться или измениться внешнее проявление ошибок;

написания отдельных частей программы разными программистами.

Методы отладки программного обеспечения

Отладка программы в любом случае предполагает обдумывание и логическое осмысление всей имеющейся информации об ошибке. Большинство ошибок можно обнаружить по косвенным признакам посредством тщательного анализа текстов программ и результатов тестирования без получения дополнительной информации. При этом используют различные методы:

Метод ручного тестирования. Это — самый простой и естественный способ данной группы. При обнаружении ошибки необходимо выполнить тестируемую программу вручную, используя тестовый набор, при работе с которым была обнаружена ошибка.

Метод очень эффективен, но не применим для больших программ, программ со сложными вычислениями и в тех случаях, когда ошибка связана с неверным представлением программиста о выполнении некоторых операций.

Данный метод часто используют как составную часть других методов отладки.

Метод индукции. Метод основан на тщательном анализе симптомов ошибки, которые могут проявляться как неверные результаты вычислений или как сообщение об ошибке. Если компьютер просто «зависает», то фрагмент проявления ошибки вычисляют, исходя из последних полученных результатов и действий пользователя. Полученную таким образом информацию организуют и тщательно изучают, просматривая соответствующий фрагмент программы. В результате этих действий выдвигают гипотезы об ошибках, каждую из которых проверяют. Если гипотеза верна, то детализируют информацию об ошибке, иначе — выдвигают другую гипотезу. Последовательность выполнения отладки методом индукции показана на рис. 10.3 в виде схемы алгоритма.

Самый ответственный этап — выявление симптомов ошибки. Организуя данные об ошибке, целесообразно записать все, что известно о ее проявлениях, причем фиксируют, как ситуации, в которых фрагмент с ошибкой выполняется нормально, так и ситуации, в которых ошибка проявляется. Если в результате изучения данных никаких гипотез не появляется, то необходима дополнительная информация об ошибке. Дополнительную информацию можно получить, например, в результате выполнения схожих тестов.

Читать еще:  Язык программирования в эксель

В процессе доказательства пытаются выяснить, все ли проявления ошибки объясняет данная гипотеза, если не все, то либо гипотеза не верна, либо ошибок несколько.

Метод дедукции. По методу дедукции вначале формируют множество причин, которые могли бы вызвать данное проявление ошибки. Затем анализируя причины, исключают те, которые противоречат имеющимся данным. Если все причины исключены, то следует выполнить дополнительное тестирование исследуемого фрагмента. В противном случае наиболее вероятную гипотезу пытаются доказать. Если гипотеза объясняет полученные признаки ошибки, то ошибка найдена, иначе — проверяют следующую причину (рис. 10.4).

Метод обратного прослеживания. Для небольших программ эффективно применение метода обратного прослеживания. Начинают с точки вывода неправильного результата. Для этой точки строится гипотеза о значениях основных переменных, которые могли бы привести к получению имеющегося результата. Далее, исходя из этой гипотезы, делают предложения о значениях переменных в предыдущей точке. Процесс продолжают, пока не обнаружат причину ошибки.

Отладка программного обеспечения

Отладка программы — один их самых сложных этапов разработки программного обеспечения.

9.1. Классификация ошибок

Отладка это процесс локализации и исправления ошибок, обнаруженных при тестировании программного обеспечения. Локализацией называют процесс определения оператора программы, выполнение которого вызвало нарушение нормального вычислительного процесса. Для исправления ошибки необходимо определить ее причину, т. е. определить оператор или фрагмент, содержащие ошибку. Причины ошибок могут быть как очевидны, так и очень глубоко скрыты.

В соответствии с этапом обработки, на котором проявляются ошибки, различают (рис. 9.1):

синтаксические ошибки ошибки, фиксируемые компилятором (транслятором, интерпретатором) при выполнении синтаксического и частично семантического анализа программы;

ошибки компоновки ошибки, обнаруженные компоновщиком (редактором связей) при объединении модулей программы;

ошибки выполнения ошибки, обнаруженные операционной системой, аппаратными средствами или пользователем при выполнении программы.

Рис. 9.1. Классификация ошибок по этапу обработки программы

Синтаксические ошибки относят к группе самых простых, так как синтаксис языка, как правило, строго формализован, и ошибки сопровождаются развернутым комментарием с указанием ее местоположения. Определение причин таких ошибок, как правило, труда не составляет, и даже при нечетком знании правил языка за несколько прогонов удается удалить все ошибки данного типа.

Следует иметь в виду, что чем лучше формализованы правила синтаксиса языка, тем больше ошибок из общего количества может обнаружить компилятор и, соответственно, меньше ошибок будет обнаруживаться на следующих этапах. В связи с этим говорят о языках программирования с защищенным синтаксисом и с незащищенным синтаксисом. К первым, безусловно, можно отнести Pascal, ко вторым — С со всеми его модификациями.

Ошибки компоновки, как следует из названия, связаны с проблемами, обнаруженными при разрешении внешних ссылок. Например, предусмотрено обращение к подпрограмме другого модуля, а при объединении модулей данная подпрограмма не найдена или не стыкуются списки параметров. В большинстве случаев ошибки такого рода также удается быстро локализовать и устранить.

К самой непредсказуемой группе относятся ошибки выполнения. Прежде всего они могут иметь разную природу, и соответственно по-разному проявляться. Часть ошибок обнаруживается и документируется операционной системой. Выделяют четыре способа проявления таких ошибок:

• появление сообщения об ошибке, зафиксированной схемами контроля выполнения машинных команд,

• появление сообщения об ошибке, обнаруженной операционной системой,

• несовпадение полученных результатов с ожидаемыми.

Причины ошибок выполнения очень разнообразны, а потому и локализация может оказаться крайне сложной. Все возможные причины ошибок можно разделить на следующие группы:

• неверное определение исходных данных,

• накопление погрешностей результатов вычислений.

Неверное определение исходных данных происходит, если возникают любые ошибки при выполнении операций ввода-вывода.

Логические ошибки имеют разную природу. Так они могут следовать из ошибок, допущенных при проектировании, например, при выборе методов, разработке алгоритмов или определении структуры классов, а могут быть непосредственно внесены при кодировании модуля. К последней группе относят:

• ошибки некорректного использования переменных,

• ошибки межмодульного интерфейса,

• другие ошибки кодирования.

Накопление погрешностей результатов числовых вычислений возникает, например, при некорректном отбрасывании дробных цифр чисел, некорректном использовании приближенных методов вычислений, игнорировании ограничения разрядной сетки представления вещественных чисел в ЭВМ и т. п.

9.2. Методы отладки программного обеспечения

Большинство ошибок можно обнаружить по косвенным признакам посредством тщательного анализа текстов программ и результатов тестирования без получения дополнительной информации. При этом используют различные методы:

Метод ручного тестирования.

Это — самый простой и естественный способ данной группы. При обнаружении ошибки необходимо выполнить тестируемую программу вручную, используя тестовый набор, при работе с которым была обнаружена ошибка.

Метод очень эффективен, но не применим для больших программ, программ со сложными вычислениями и в тех случаях, когда ошибка связана с неверным представлением программиста о выполнении некоторых операций. Данный метод часто используют как составную часть других методов отладки.

Метод основан на тщательном анализе симптомов ошибки, которые могут проявляться как неверные результаты вычислений или как сообщение об ошибке. Если компьютер просто «зависает», то фрагмент проявления ошибки вычисляют, исходя из последних полученных результатов и действий пользователя. Полученную таким образом информацию организуют и тщательно изучают, просматривая соответствующий фрагмент программы. В результате этих действий выдвигают гипотезы об ошибках, каждую из которых проверяют. Если гипотеза верна, то детализируют информацию об ошибке, иначе — выдвигают другую гипотезу.

Самый ответственный этап — выявление симптомов ошибки. Организуя данные об ошибке, целесообразно записать все, что известно о ее проявлениях, причем фиксируют, как ситуации, в которых фрагмент с ошибкой выполняется нормально, так и ситуации, в которых ошибка проявляется. Если в результате изучения данных никаких гипотез не появляется, то необходима дополнительная информация об ошибке. Дополнительную информацию можно получить, например, в результате выполнения схожих тестов.

В процессе доказательства пытаются выяснить, все ли проявления ошибки объясняет данная гипотеза, если не все, то либо гипотеза не верна, либо ошибок несколько.

По методу дедукции вначале формируют множество причин, которые могли бы вызвать данное проявление ошибки. Затем, анализируя причины, исключают, те, которые противоречат имеющимся данным. Если все причины исключены, то следует выполнить дополнительное тестирование исследуемого фрагмента. В противном случае наиболее вероятную гипотезу пытаются доказать. Если гипотеза объясняет полученные признаки ошибки, то ошибка найдена, иначе — проверяют следующую причину.

Метод обратного прослеживания.

Для небольших программ эффективно применение метода обратного прослеживания. Начинают с точки вывода неправильного результата. Для этой точки строится гипотеза о значениях основных переменных, которые могли бы привести к получению имеющегося результата. Далее, исходя из этой гипотезы, делают предположения о значениях переменных в предыдущей точке. Процесс продолжают пока не обнаружат причину ошибки.

9.3. Методы и средства получения дополнительной информации

Для получения дополнительной информации об ошибке можно выполнить добавочные тесты или использовать специальные методы и средства

• интегрированные средства отладки,

Метод требует включения в программу дополнительного отладочного вывода в узловых точках. Узловыми считают точки алгоритма, в которых основные переменные программы меняют свои значения. При этом предполагается, что, выполнив анализ выведенных значений, программист уточнит момент, когда были получены неправильные значения, и сможет сделать вывод о причине ошибки.

Данный метод не очень эффективен и в настоящее время практически не используется.

Интегрированные средства отладки.

Большинство современных сред программирования (Delphi, Builder C++, Visual Studio и т. д.) включают средства отладки, которые обеспечивают максимально эффективную отладку. Они позволяют:

• выполнять программу по шагам, причем как с заходом в подпрограммы, так и выполняя их целиком,

• предусматривать точки останова,

• выполнять программу до оператора указанного курсором и т.п..

Отладка с использованием независимых отладчиков.

При программировании программ иногда используют специальные программы — отладчики, которые позволяют выполнить любой фрагмент программы в пошаговом режиме и проверить содержимое интересующих программиста переменных. Как правило, такие отладчики позволяют отлаживать программу только в машинных командах, представленных в 16-ричном коде.

9.4. Общая методика отладки программного обеспечения

Суммируя все сказанное выше, можно предложить следующую методику отладки программного обеспечения, написанного на универсальных языках программирования для выполнения в операционных системах MS DOS и Win32:

1 этап изучение проявления ошибки — если выдано какое-либо сообщение или выданы неправильные или неполные результаты, то необходимо их изучить и попытаться понять, какая ошибка могла так проявиться. При этом используют индуктивные и дедуктивные методы отладки. В результате выдвигают версии о характере ошибки, которые необходимо проверить. Для этого можно применить методы и средства получения дополнительной информации об ошибке.

Если ошибка не найдена или система просто «зависла», переходят ко второму этапу.

2 этаплокализация ошибки — определение конкретного фрагмента, при выполнении которого произошло отклонение от предполагаемого вычислительного процесса. При этом, если были получены неправильные результаты, то в пошаговом режиме проверяют ключевые точки процесса формирования данного результата.

Как подчеркивалось выше, ошибка не обязательно допущена в том месте, где она проявилась. Если в конкретном случае это так, то переходят к следующему этапу.

Читать еще:  Программирование сети c

3 этап определение причины ошибки — изучение результатов второго этапа и формирование версий возможных причин ошибки. Эти версии необходимо проверить, возможно, используя отладочные средства для просмотра последовательности операторов или значений переменных.

4 этап исправление ошибки — внесение соответствующих изменений во все операторы, совместное выполнение которых привело к ошибке.

5 этап повторное тестирование — повторение всех тестов с начала, так как при исправлении обнаруженных ошибок часто вносят в программу новые.

Отладка программы

Отладка программы

Ч асто бывают ситуации, когда код скомпилировался, но работает не так, как предполагалось. Обнаружить ошибку просмотром кода не удалось и логгирование не особо помогает. Тогда можно воспользоваться дебаггером, пошагово пройти программу (благо, они у вас совсем небольшие), проследить состояние переменных и ход выполнения приложения или дизассемблировать код.

Пусть у нас имеется следующий код

Необходимо научиться работать с отладчиком: пошагово проходить весь код, устанавливать точки останова программы, просматривать значения переменных во время работы.

Visual Studio

В ыполните ОТЛАДКА | Шаг с обходом, или нажмите F10. Вы получите примерно такую картину, как на рисунке. Жёлтая стрелка указывает, какой оператор будет выполнен. Используя шаг с обходом (F10), шаг с заходом (F11) и шаг с выходом (Shift + F11) можно исполнять программу.

Шаг с обходом выполняет оператор, но не заходит в него. Например, если это вызов функции, то он будет произведён, но внутрь функции мы не попадём.

Шаг с заходом позволяет «зайти» в оператор, если он сложный. Например, перейти к функции, которая выполняется.

Шаг с выходом позволяет вернуться на уровень выше, если мы совершили шаг с заходом.

Окошко «Локальные» снизу показывает текущее значение локальных переменных. Во время захода в функцию в значениях хранится мусор.

Нажимая F10, дойдите до строки 23, где происходит вызов функции printArray. Если вы нажмёте F11, то перейдёт внутрь функции printArray.

Чтобы выйти из этой функции, можно нажать Shift + F11.

Если часть программы необходимо пропустить, то ставят точку останова (breakpoint, «бряк»). Для этого кликают по левому полю, рядом со строчкой, на которой необходимо остановиться, или нажимают F9. Останов можно осуществить только на операторе, нельзя остановиться, например, на определении переменной или пустой строке. В этом случае отладчик «скинет» точку останова до ближайшего валидного места.

После того, как точка останова выставлена, можно нажать F5. Программа будет выполняться до тех пор, пока не встретит точку останова. Это особенно удобно, когда нужно обойти ввод данных.

Точка останова может иметь ряд условий, например, число попаданий, фильтры, действие, которое выполняется при остановке и т.д. Для того, чтобы задать дополнительные свойства, кликните правой кнопкой мыши на точке и в выпадающем меню выберете нужный пункт.

Пусть, например, мы хотим остановить выполнение программы тогда, когда значение локальной переменной i внутри цикла в функции стало равно 2. Для этого напишем соответствующее условие

Теперь, если нажать на «Продолжить», то программа будет работать до тех пор, пока значение локальной переменной i внутри функции не станет равным 2.

Borland, Code Gear, Embarcadero etc.

В ыполните Run | Step over, или нажмите F8. Вы получите примерно такую картину, как на рисунке. Синяя стрелка указывает, какой оператор будет выполнен. Используя шаг с обходом (F8), шаг с заходом (F7) можно исполнять программу. Кроме этого, имеются дополнительные возможности, например исполнение кода до курсора (F4), исполнение до тех пор, пока не будет осуществлён возврат (Shift + F8), просматривать состояние переменных и выражений (Run | Inspect), изменять значение переменных (Ctrl + F7) и добавлять список отслеживаемых переменных и выражений (Ctrl + F5).

Шаг с обходом выполняет оператор, но не заходит в него. Например, если это вызов функции, то он будет произведён, но внутрь функции мы не попадём.

Шаг с заходом позволяет «зайти» в оператор, если он сложный. Например, перейти к функции, которая выполняется.

Шаг с выходом позволяет вернуться на уровень выше, если мы совершили шаг с заходом.

Окошко «Local Variables» слева снизу отображает текущее значение локальных переменных. Во время захода в функцию в значениях хранится мусор.

Нажимая F8, дойдите до строки 23, где происходит вызов функции printArray. Если вы нажмёте F7, то перейдёт внутрь функции printArray.

Если часть программы необходимо пропустить, то ставят точку останова. Для этого кликают по левому полю, рядом со строчкой, на которой необходимо остановиться. Останов можно осуществить только на операторе, нельзя остановиться, например, на определении переменной или пустой строке. В этом случае отладчик отметит крестом нерабочую точку останова. Во время отладки все возможные точки останова выделены синим, если по ним кликнуть, то они становятся активными красными.

После того, как точка останова выставлена, можно нажать F9. Программа будет выполняться до тех пор, пока не встретит точку останова. Это особенно удобно, когда нужно обойти ввод данных.

Точка останова может быть иметь ряд условий, например, число попаданий, фильтры, действие, которое выполняется при остановке и т.д. Для того, чтобы задать дополнительные свойства, кликните правой кнопкой мыши на точке и в выпадающем меню выберете Breakpoint Properties….

Пусть, например, мы хотим остановить выполнение программы тогда, когда значение локальной переменной i внутри цикла в функции стало равно 2. Для этого напишем соответствующее условие в поле condition

Теперь, если нажать на «Продолжить», то программа будет работать до тех пор, пока значение локальной переменной i внутри функции не станет равным 2.

Слева расположено окно Watchlist. Watchlist позволяет добавлять отслуживаемые переменные и выражения. Кликните два раза по полю и появится диалоговое окно. Пусть, например, мы хотим трассировать сумму переменных i и j. Запишем в watchlist сумму

Отладка оптимизированного кода

Как принять правильные компромиссные решения, чтобы максимально упростить отладку программ и одновременно с этим максимально ускорить их исполнение за счет оптимизации

Написание быстро работающих программ может быть непростой задачей. Компилятор помогает преобразовать программу с целью ускорения ее работы, однако за это приходится расплачиваться тем, что такая преобразованная программа может отличаться от первоначальной. В некоторых случаях в результате радикальных оптимизационных преобразований преобразованная программа становится практически нечитаемой для человека, в отличие от первоначального программного кода.

В результате отладка оптимизированной программы при возникновении какой-либо ошибки существенно затрудняется. Это порождает серьезные проблемы, поскольку большая часть производственного программного кода оптимизирована по критерию максимальной производительности.

Отладка оптимизированных программ

Как правило, когда вы пытаетесь отладить сильно оптимизированную программу с помощью отладчика, значительная часть информации, присутствовавшей в первоначальном исходному коде, отсутствует — а если и отображается, то уже не соответствует действительности. Так, нередко приходится отлаживать функцию, которая стала встроенной или которая отображает значение переменной, удаленной в результате оптимизации. Такие ситуации часто обуславливают необходимость в ручном отображении ассемблерного кода и в других формах обратного представления программы, которые обеспечивали бы связь с первоначальным исходным кодом. Это трудоемкий процесс, нередко подверженный ошибкам.

Компиляторы серии IBM XL C/C++ всегда позволяли ограничить степень оптимизации прикладной программы с целью упрощения отладки или предоставлять необходимую отладочную информацию. В релизе z/OS V2R1 компилятора z/OS XL C/C++ был представлен обширный набор усовершенствований в сфере отладки, в том числе типовые уровни оптимизации и механизмы встраивания. Эти усовершенствования дополнительно облегчают отладку оптимизированных программ.

Теперь, после реализации уровней отладки, компилятор предоставляет точные и релевантные аспекты первоначальной программы — например, значения параметров — и поддерживает введение контрольных точек в пунктах ветвления. В результате совершенствования отладки встроенных функций (процедур) компилятор предоставляет информацию о значениях переменных, которые являются локальными по отношению к встроенному экземпляру функции (процедуры).

Эти усовершенствования в сфере отладки упрощают и ускоряют программирование, уменьшают затраты на сопровождение, а также позволяют генерировать оптимизированные приложения, сохраняя возможность их отладки.

Пошаговое прохождение по программному коду

Первоначальный уровень исходного кода — это тот уровень, на котором разработчик описывает, как его программа должна действовать, и с которым он знаком в максимальной степени. Чтобы лучше использовать аппаратные средства — например, попытаться заполнять кэш-память команд с целью уменьшения задержки при извлечении программного кода — оптимизатор может переместить код в другое место. При этом происходит изменение порядка команд в исполняемом коде (т. е. в том, который в действительности исполняет машина) относительно порядка команд в исходном кода. Поэтому, когда вы отлаживаете исполняемую программу, у нее не обязательно имеется взаимно однозначное соответствие с ее первоначальным исходным кодом.

Возможные варианты отладки и оптимизации

Введение контрольной точки в определенную строку исходного кода не обязательно вынуждает отладчик останавливать исполняемую программу; пошаговое прохождение по коду с помощью отладчика не обязательно приводит к остановке исполнения программы на каждой очередной строке исходного кода. Сохранение порядка исполнения, который имел место в исходном коде, ограничивает оптимизационные возможности компилятора, что, в свою очередь, замедляет работу результирующего приложения.

Однако существует и компромиссный вариант. Регулировка степени непосредственного отображения исходного кода в исполняемый код позволяет компилятору осуществлять оптимизацию в точках между непосредственно отображенными строками исходного кода и сохранять соответствие важных строк исходного кода для сохранения возможности продуктивной отладки в этих точках.

Читать еще:  Программирование на бейсике с нуля

Поддержка уровней отладки и информация, предоставляемая на разных уровнях отладки

Поддержка уровней отладки предусматривает диапазон уровней отладки (контрактов), т.е. минимумов корректной отладочной информации, которую способен предоставить компилятор. Например, на высшем уровне отладки (уровень 9) все исполняемые операторы могут быть остановлены в отладчике, а все значения переменных могут быть изменены и сохранены измененными при продолжении исполнения программы. На другом конце диапазона — на первом уровне отладки — предоставляется лишь информация о номере строки в таблице, без гарантии (контракта) относительно возможности остановки в любой конкретной строке исходного кода.

Другие уровни между этими крайними значениями поддерживают возможности внедрения контрольных точек (точек останова) для значимых событий кода, таких как ветвления (операторы if, вызовы функций, циклы), способных предоставлять важную информацию, необходимую для отладки большинства приложений. Кроме того, возможности в типичной ситуации просмотра значений переменных простираются от отсутствия какой-либо гарантии наблюдения точных значений до наблюдения параметров функции и далее до наблюдения и изменения всех значений переменных.

В таблице 1 приведены обобщенные сведения о некоторых важных уровнях отладки, а также об информации, предоставляемой на этих уровнях.

Отладка программ

Локализация и исправление ошибок называется отладкой [3]. Отладка — это процесс обнаружения причин возникновения ошибки и ее последующего исправления (в отличие от тестирования, являющегося процессом обнаружения самого факта существования ошибки).

Отладка включает в себя элементы тестирования и разработки. На некоторых проектах отладка может занимать до 50 % всего времени разработки. Для многих программистов отладка — это самая трудная часть программирования. При соответствующем подходе количество ошибок, требующих отладки, должно сократиться, и отладка должна стать самой легкой частью; при таком подходе все ошибки сводятся к небольшим недосмотрам или опечаткам.

Как и тестирование, отладка не является способом улучшения качества ПО. Отладка — это всего лишь способ исправления дефектов в программе. Качество программ должно обеспечиваться аккуратным анализом требований или прототипированием, грамотным проектированием и использованием лучших практик кодирования.

Ошибки синтаксиса языка

Как правило, в абсолютном большинстве случаев ловятся на стадии компиляции программы, или же, если вы работаете с интерпретируемым языком типа Рег1 или РНР, то при первом интерпретировании программы. Но есть один существенный момент — когда выражение допустимо, но зависит от конкретного компилятора или интерпретатора. Например, в языке Си вполне допустимыми по синтаксису, но не по смыслу, являются выражения: э [ 1++] =±; ргл_г^:? («%с! %с!» , ±++, л.++) ;. Результат этих строк не определен, так как неизвестно, в каком порядке будет инкрементироваться и вычисляться значение переменной /’. Переменная не может более 1 раза присутствовать в выражении, если ее значение изменяется в ходе вычисления этого выражения.

Ошибки во время выполнения

К ошибкам во время выполнения программы относятся ошибки в логике и алгоритмах программы. Ошибки в логике программы связаны с неправильной записью алгоритма, например, вместо && вы написали || или поставили точку с запятой там, где ее не должно быть. К этому же классу ошибок относится неправильное обращение с памятью. В языке Си неправильное обращение с памятью является наиболее распространенной ошибкой программистов, причем не только новички, но и профессионалы нередко допускают ошибки подобного типа. Для языка Си — это один из самых больных вопросов и больших недостатков. Ошибки в алгоритме связаны с неправильным проектированием программы или же с изначально неправильно заложенной бизнес-логикой и функциональными требованиями. Пользователь ждет от программы то, что изначально от нее не требовалось. Ошибки во время выполнения — наиболее часто встречаемый тип ошибок, и, как правило, устранение таких ошибок не представляется чересчур сложной задачей.

Ошибки логики взаимосвязанных CGI-программ

Ошибки данного типа лежат во взаимосвязанных CGI-программах. Рассмотрим в качестве примера тестовую систему (см. сайт http://test.itsoft.ru). При сдаче теста в цикле работают два скрипта. Первый показывает вопрос, а второй проверяет правильность ответа. Если в тесте 10 вопросов, то эти CGI-скрипты вызываются парно в цикле 10 раз. Но что будет, если пользователь нажмет кнопку «Обновить» в броузере? Скрипт, который показывает вопрос, вызовется повторно. Что будет при разрыве модемного соединения? Отладка в таких системах значительно сложнее, так как вам придется наблюдать за выполнением ряда взаимосвязанных скриптов.

Ошибки многопользовательского доступа

Ошибки многопользовательских систем связаны с неправильным разграничением доступа к совместным ресурсам. Помимо файлов данных, записей в таблицах баз данных, общим ресурсов является генератор случайных чисел. На эти грабли нам пришлось наступить. Обязательно генерируйте случайные числа не только на основе времени, но и на основе уникального идентификатора процесса. В противном случае при выполнении в один и тот же момент времени двух копий одной CGI-программы вы получите одинаковые результаты для двух пользователей. Ошибки многопользовательского доступа сложны тем, что могут не проявлять себя очень долго, до тех пор, пока в один и тот же момент времени системой ни будет запущено несколько копий одной CGI-программы.

Невоспроизводимые ошибки представляют собой наиболее сложный тип ошибок. Например, в високосном году 29 февраля ваша система вдруг начала давать сбои, которые сами собой исчезают в невисокосном году. Но бывают ошибки, которые мистическим образом появляются и исчезают. В той же тестовой системе была непонятная ошибка, которая проявлялась 1 раз на несколько сот случаев. Непонятным образом некоторые студенты после сдачи теста получали не результаты, а сбой системы. На исправление этой ошибки ушло два рабочих дня. Оказалось, что проблема в скрипте на JavaScript, который отправлял данные HTML-формы на сервер после истечения допустимого времени ответа на вопрос. Проблема в том, что если время подходило к концу и пользователь нажимал кнопку «Ответить», а в это же время уже начала работать функция JavaScript form.submit(), то отправка данных HTML-формы происходила дважды, т. е. скрипт проверки правильности ответа вызывался 2 раза. А это за собой тянуло ошибку во взаимосвязанных CGI-скриптах, и внешнее проявление сбоя системы мы наблюдали уже при подсчете результатов, а не непосредственно сразу после двойной отправки HTML-формы. Сам код JavaScript был написан верно, и с теоретической точки зрения даже если пользователь нажимает кнопку «Отправить» в последнюю секунду, HTML-форма должна была отправляться только 1 раз. Но на практике все оказалось совсем по-другому. На самом деле ничего мистического нет, или, как говорится, чудес на свете не бывает. Просто невозможно воспроизвести условия, в которых наблюдалась невоспроизводимая ошибка. Надо искать в программе случайности: одновременный доступ к одному ресурсу, генератор случайных чисел, неинициализированные переменные, некорректная работа с памятью или преобразование типов, которые могут проявлять себя не каждый раз.

Ошибки инструментария и других компонентов системы

Ошибки самого компилятора или интерпретатора очень редки, но и такие бывают.

После классификации ошибок давайте рассмотрим методы их поиска. В первую очередь, один простой и, казалось бы, очевидный совет: «надо думать, анализировать, почему программа не работает так, как было задумано, что надо в ней исправить». Никакой самый навороченный отладчик за вас ошибку не найдет. Никакая самая лучшая методика не найдет и не ускорит поиск ошибки, если вы не «включите» мозги по полной программе и не сосредоточитесь целиком и полностью на поимке ошибки. Итак, допустим, вами, пользователем или тестирующим, было зафиксировано некорректное поведение программы. Что делать? Ниже перечислены методы в порядке их приоритетности, которые используют многие программисты.

Локализация ошибки. Программа — это черный ящик, который что-то принимает на вход и выдает что-то на выходе. Первое, что вам необходимо сделать, — понять, где именно в этом черном ящике происходит сбой. Для этого уменьшайте количество параметров, передаваемых на вход программы. Добейтесь двух малоразличимых наборов входных параметров, чтобы при одном из них программа работала, а при другом нет.

Отключение ненужных модулей программы. Закомментируйте все лишнее. Тем самым вы упростите вашу программу. Имеет смысл комментировать отдельные куски программы до тех пор, пока ошибка не исчезнет.

Использование отладчика. Возможности современных отладчиков перечислены ниже:

  • • точки останова на конкретных строчках кода;
  • • остановка на /7-й итерации цикла;
  • • остановка при изменении переменных;
  • • остановка при присваивании конкретного значения;
  • • прохождение кода строчка за строчкой;
  • • откат по программе (далеко не все);
  • • исследование всех данных в программе, включая типы, определенные пользователем;
  • • присваивание новых значений переменным;
  • • продолжение исполнения программы;
  • • многоязыковая отладка (язык1, язык2, ассемблер. );
  • • запоминание установок.
  • 1. Какие виды ошибок существуют?
  • 2. Что такое тест? Какими свойствами должен обладать тест?
  • 3. Каковы критерии выбора тестов?
  • 4. Дайте краткую характеристику каждому критерию выбора теста.
  • 5. Опишите последовательность разработки тестов.
  • 6. Что входит в понятие надежности ПО?
  • 7. Какие виды отказов существуют?
  • 8. Каковы количественные характеристики надежности программ?
  • 9. Что представляют собой методы оценки и измерения характеристик надежности ПО?
  • 10. Перечислите достоинства парного программирования.
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector