Методы и способы устранения ошибок в программе

Обновлено: 14.07.2024

Запись алгоритма в словесной форме, в виде блок-схемы или на псевдокоде должна быть точна настолько, чтобы позволить исполнителю правильно выполнить алгоритм, при этом изображение команд произвольное. При решении любой задачи на компьютере предполагается, что некоторая информация подвергается обработке по предварительно составленной инструкции, называемой программой. Язык, на котором записывается алгоритм для исполнения компьютером, называется языком программирования. Языки программирования принадлежат к формальным языкам. При записи алгоритма на языке программирования все правила языка должны строго выполняться. Программа — это алгоритм, записанный на языке программирования.

Для записи программ используется конечный набор символов, составляющих алфавит языка программирования. В отличие от привычных алфавитов (например, русского) алфавит языка программирования включает в себя, кроме букв, цифры, знаки препинания, знаки арифметических действий и некоторые другие дополнительные символы. Программа записывается в виде последовательности символов из алфавита своего языка программирования. Естественно, что не любой текст, составленный из символов алфавита, будет правильной программой. Как и в естественных языках, правильность построения программы из символов алфавита можно проверить, используя синтаксис языка программирования.

Синтаксис языка программирования — это набор правил, которые определяют способы построения правильных программ из символов алфавита. Зная синтаксис языка, можно построить алгоритм, который определяет, является ли данный текст правильной программой или нет. Этот алгоритм позволяет компьютеру проверять синтаксическую правильность вводимых в него программ.

Должна быть определена и семантика языка программирования. Семантика языка программирования — это набор правил, по которым исполнитель выполняет программы на этом языке. Пользуясь семантикой языка, можно однозначно определить результат выполнения программы с заданными входными данными.

При чтении программы необходимо сначала определить, к какому виду она относится. Условно программы можно разделить на два вида: простая программа без использования подпрограмм (кроме стандартных процедур ввода\вывода) и программа, использующая подпрограммы (подалгоритмы). Такая программа может включать в свою структуру как стандартные подпрограммы, так и подпрограммы, написанные пользователем.

Для чтения простой программы необходимо выяснить:

что является входными данными и как они вводятся в программу;
какие действия последовательно выполняются с помощью каждого функционального узла программы (операторов), т. е. рассмотреть пошаговое выполнение операторов, при этом обратить внимание на роль вспомогательных переменных, массивов и т.д.;
что является результаты работы программы;
каковы ограничения по работе алгоритма.

При чтении программы, использующей подпрограммы, необходимо сначала проанализировать, что и как выполняют подпрограммы, каковы их входные и выходные параметры. Затем в основной программе вызовы каждой из подпрограмм рассматривать уже как результат работы соответствующего подалгоритма.

Существенно облегчает чтение программ наличие комментариев — поясняющего текста. Комментарии можно добавлять в любое место программы. Наличие комментариев — обязательное условие хорошо и грамотно написанной программы.

Примеры чтения программ на языках Pascal, QBASIC

Примечание. В приведенных примерах программа приводится для двух языков программирования. В зависимости от того, какой язык программирования изучается, и следует рассматривать ее вариант записи и соответствующие пояснения.

Пример 1. Дана программа на двух языках программирования. Определить, какую задачу она решает.

Решение. Проанализируем тексты программы:

формируется тело программы и описываются переменные;
вводятся натуральные числа М и N, причем проверяется условие корректности ввода: числа должны быть положительные. Если введенные значения не удовлетворяют условию, то ввод повторяют, пока условие не будет выполнено;
выбирается наименьшее значение из М и N, результат записывается в K;
NOD присваивается значение 1;
в цикле от двух до K генерируется число I;
тело цикла — в условном операторе проверяется, является ли значение переменной I одновременно делителем М и N. Если условие выполняется, то текущее значение I сохраняется в переменной NOD; если условие не выполняется, NOD не изменит своего значения;
после перебора всех значений I в NOD или запишется наибольший делитель двух чисел М и N, или останется значение 1;
последний оператор программы служит для вывода результата работы программы — значения переменной NOD.

Переменные, используемые в программе:

N, М — исследуемые числа;

I — переменная цикла;

NOD — наибольший общий делитель;

К — наименьшее из М и N.

Ответ: данная программа позволяет определить для двух чисел М и N их наибольший общий делитель NOD.

Примечание. Эту же задачу можно решить, используя алгоритм Евклида.

Пример 2. Дана программа на двух языках программирования. Определить, какую задачу она решает.

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:

• «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.

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.

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:

ручного тестирования;

обратного прослеживания.

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.

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.

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.

Можно выделить два типа ошибок, с которыми сталкивается программист. Во-первых - это ошибки, которые сопровождают создание программ, а во вторых - ошибки времени выполнения .

Если вы неправильно введете оператор или ключевое слово , если забудете указать часть выражения - ошибка сразу же будет заметна в редакторе. Такие ошибки относятся к синтаксическим . Также на этапе разработки можно обнаружить и устранить логические ошибки . Они связаны с неправильными формулами расчета показателей, неверным использованием переменных и т.д.

Приведем несколько примеров синтаксических ошибок .

А вот - логические ошибки .

Неправильное использование операторов. Например, вместо знака обычного деления вы случайно использовали знак целочисленного деления.
Расчет какого-либо показателя по неправильной формуле. Например, если неточно расставить скобки в каком-либо выражении - это приведет к ошибке, хотя внешне все может выглядеть правильным.
Неправильное использование функций - как встроенных, так и пользовательских. Например, используя функцию Str для получения строкового представления числа, вы не учли, что для положительных чисел эта функция добавляет в начало строки пробел. Далее вы попытались узнать первую цифру числа, вырезав первый символ полученной строки. Естественно, никакой цифры в этом случае не получится - лишь знак пробела для положительных или "минус" для отрицательных чисел.
Неправильное использование переменных. Например, вы используете два вложенных цикла для обработки двумерного массива. Одна из цикловых переменных имеет имя i , вторая - j . Они довольно сильно похожи внешне, их можно случайно перепутать при указании индексов массива. К тому же, обрабатывая массив в цикле довольно легко перепутать место каждой из переменных при указании индекса массива . Использование понятных имен переменных (например - my_Age или num_Vozrast для хранения возраста и т.д.) позволяет эффективно бороться с такими ошибками.
Случайное использование "новых" переменных. Например, вы предложили пользователю ввести некое значение и записали его в переменную num_Inp , а использовав эту переменную в выражении, напечатали не num_Inp , а num_Ihp . Внешне они похожи, но, присмотревшись, вы можете обнаружить, что имена разные. Еще сложней искать ошибки в латинских именах переменных, в которые "вкрались" русские буквы. Разницу между my_Name и my_Namе вы не увидите, но это - разные переменные - в конце второй вместо латинской e использована русская е . Эффективно бороться с такими ошибками можно, если задать в редакторе опцию обязательного объявления переменных ( Option Explicit ). При появлении необъявленной переменной редактор даст знать об этом.
Неправильное использование оператора сравнения. Например, это может быть оператор, который сравнивает некие величины не так, как вы предполагали - вместо знака < вы случайно использовали > или, редактируя сравнение (скажем, скопировав похожий оператор сравнения из другого места программы для ускорения работы), поменяли местами сравниваемые переменные или выражения, не поменяв знака и т.д.

Ошибки логики можно найти лишь тщательно проверив и протестировав программу. Чтобы облегчить работу с кодом программы, рекомендуется снабжать ее комментариями. Вовсе необязательно комментировать каждую строчку, достаточно выделить крупные функциональные блоки.

8.2. Ошибки при выполнении программы

Такие ошибки называют еще ошибками времени выполнения . Происходят они, как правило, при неправильном вводе данных пользователем, при возникновении обстоятельств, делающих дальнейшую нормальную работу программы невозможной. Например, ошибку вызовет попытка использовать текстовые данные в арифметическом выражении, попытка сохранения файла в несуществующей директории, деление на ноль и т.д.

Ошибки времени выполнения возникают в нормально работающих программах, которые прошли проверку на синтаксическую и логическую правильность. С этими ошибками можно бороться используя один из двух методов. Первый - разработка программы таким образом, чтобы не допустить этих ошибок, создание программных конструкций, которые предотвращают возникновение ошибок. Второе - перехват ошибок и их обработка.

Давайте, для начала, рассмотрим способы поиска ошибок в процессе создания программ

8.3. Тестирование программ и поиск ошибок

Синтаксические ошибки , как уже было сказано, выявляются обычно на очень раннем этапе - сразу после набора текста в редакторе. А вот для поиска логических ошибок полезно протестировать программу.

Для начала протестируйте вашу программу в обычном режиме работы. Например, если вы предлагаете ввести пользователю число - введите сами число и проверьте результаты работы. Если действия программы будут различаться в зависимости от введенных данных - попытайтесь перебрать все варианты этих данных - так, чтобы проверить все ветви программы.

Если обычные проверки закончились успешно - можно считать, что ваша программа корректно работает, не имеет синтаксических и логических ошибок .

После этого можно усложнить режим тестирования, чтобы как можно более полно сымитировать действия пользователя программы и посмотреть на ее поведение. Еще лучше - попытайтесь целенаправленно вызвать ошибку. Гораздо лучше, когда программа даст сбой на вашем рабочем столе, и вы сможете оперативно устранить этот сбой, чем ждать, когда то же самое произойдет у другого пользователя.

Для проверки программы в реальных условиях попробуйте провести следующие эксперименты.

Если программа запрашивает число - введите какое-нибудь слово, очень большое число, ноль, отрицательное число, оставьте поле ввода пустым, введите дробное число. Если вы не предусмотрели никаких специальных мер по обработке ошибок, при выполнении подобных операций вы почти гарантированно встретитесь с проблемами.
Попытайтесь запустить программу, открыв несколько окон с документами.
Попытайтесь прервать работу программы, а потом снова возобновить ее. Если в вашей программе есть участки, в течение выполнения которых нельзя допускать прерывания работы программы пользователем - вам следует подумать о том, чтобы запретить прерывание работы программы на этих участках.
Попытайтесь использовать вашу программу в более старой версии Microsoft Office, в нерусифицированной версии. Обратите внимание, например, на различия расширений имен файлов в Office 2007 и более старых версиях, на различия в объектных моделях. В общем случае программы из более старых версий Office будут работать в Office 2007, однако если они используют какие-то специфические особенности Office - такие программы нуждаются в проверке и обновлении. В то же время, макросы для Office 2007, использующие новые объектные модели, могут не работать или работать неправильно в старых версиях.
Попытайтесь поработать с вашей программой на чужом ПК. Вполне возможно, что при таком эксперименте вы столкнетесь с ошибкой. Например, вы программно работаете с файлами на вашем рабочем ПК - если эти файлы отсутствуют на ПК другого пользователя или находятся в других директориях, или тех директорий, которые нужны вашей программе, нет на ПК другого пользователя - вы столкнетесь с ошибкой.
Во время работы программы сделайте что-нибудь необычное. Как правило, от пользователей можно ожидать любых странных на первый взгляд действий. Если вы тестируете программу для MS Word, которая правит текст или занимается автоматическим созданием текста, попробуйте во время ее работы переключаться между документами, читать документ, вносить в него правки, выделять произвольные участки текста. То же самое касается MS Excel - во время работы программы попробуйте переключаться между открытыми книгами, между листами, выделять ячейки, попробуйте запустить программу, делая различные листы активными, открыв несколько книг. Результаты такого тестирования могут быть совершенно непредсказуемыми. Проанализировав их, вы можете прити к выводу, что, например, на время выполнения программы нужно скрывать или блокировать документ, пользоваться альтернативными методами работы с документом. Яркий пример - объект Selection в MS Word, который чувствителен к смене выделения в процессе работы, и объект Range , который может работать совсем без создания выделения в тексте.
Если ваша программа использует файлы, находящиеся в локальной сети, отключите сеть во время работы программы. Проверьте ее реакцию. То же самое можно сделать, если ваша программа работает с принтером - проверьте ее реакцию на выключенный принтер, на принтер, в котором нет бумаги.
Наконец, представьте, что вы - пользователь программы и просто поработайте с ней. А еще лучше - попросите потенциального пользователя немного "пообщаться" с вашей программой. Этот способ позволяет протестировать программу в условиях, максимально приближенных к реальным.

Возможно, вам покажется, что такая проверка не нужна вашей программе. Если вы пишете небольшой макрос для собственного использования, скорее всего, так оно и есть. Но стоит вашему проекту хоть немного вырасти, методы поиска и устранения ошибок могут оказаться очень кстати.

Если вы встретитесь с ошибками и затрудняетесь определить, где именно они происходят - попробуйте выполнить программу в пошаговом режиме, используйте встроенные в редактор VBA средства для отладки программ .

8.4. Отладка программ в редакторе VBA

Основной метод отладки - это пошаговое исполнение программы с использованием точек останова ( breakpoint ).

Чтобы создать в программе точку останова, достаточно щелкнуть мышью в редакторе на серой панели напротив команды, на которой нужно остановить выполнение программы. Там появится большая красная точка (рис. 8.1.) - здесь программа будет остановлена в процессе выполнения. Строка будет подсвечена красным цветом.

Следует понимать, что строка, подсвеченная при остановке программы еще не выполнялась - редактор указывает на нее, как бы говоря "Эта строка будет выполнена следующей".

Таких точек останова можно установить столько, сколько нужно - на тех строках программы, где вы подозреваете возникновение ошибки. Чтобы убрать точку останова, щелкните по ней мышью.

Установить точку останова в строку можно, выделив строку и выбрав команду Debug o Toggle Breakpoint ( Отладка o Установить точку останова). Для удаления всех точек останова из программы можно воспользоваться командой Debug o Clear All Breakpoints ( Отладка o Очистить точки останова).

Вместо точек останова, расставленных мышью или из меню , можно использовать оператор Stop . Он останавливает работу программы и переводит ее в режим отладки .

Так же режим отладки можно включить, нажав во время работы программы комбинацию клавиш Ctr + Pause Break и нажав в появившемся окне кнопку Debug . Текущая строка будет выделена желтым цветом, напротив нее будет установлена желтая стрелочка. Однако такой способ обычно не позволяет точно "попасть" в то место программы, где находится предполагаемая ошибка (рис. 8.2.).

Рис. 8.2. Программа, остановленная во время выполнения

Чтобы запущенная программа останавливалась на каждой строке, можно запустить ее в режиме Step Into командой Debug o Step Into ( Отладка o Пошаговое исполнение ). Того же эффекта можно достичь, нажав клавишу F8 на клавиатуре.

Когда программа остановлена, вы можете выполнить следующие действия

Просмотреть значения переменных, наведя на них указатель мыши. Например, на рис. 8.3. вы видите всплывающее окно, которое содержит значение переменной.

Рис. 8.3. Значение переменной во всплывающем окне

Помимо режима Step Into существуют следующие режимы отладки, доступные в меню Debug.

Step Over (Перейти на следующую строку). Эта команда полезна при отладке программы , содержащей вызовы уже отлаженных процедур. В режиме Step Over отладчик не входит в процедуру , выполняя ее без отладки , после чего переходит на следующую строку. Например, вы выполняете программу в режиме Step Into и при очередной остановке видите, что подсвеченная строка содержит вызов процедуры, которую отлаживать не нужно. Вы выбираете команду Step Over, процедура выполняется без остановок на каждой ее строке, после чего следующая остановка происходит на строке вашей программы, которая идет за вызовом процедуры.
Step Out (Выполнить процедуру) - эта команда позволяет выполнить текущую процедуру (например, вызванную из кода основной программы при обычной отладке ) без остановки в каждой строке. Следующая остановка будет сделана на строке, которая следует за вызовом процедуры в основном тексте программы.
Run To Cursor (Выполнить до курсора) - выполняет программу до позиции, на которой установлен курсор. Аналогично установке одиночной точки останова.

Помимо точек останова существуют и другие средства отладки . Они полезны при проверке значений переменных (ведь если переменных достаточно много - проверка их значений в коде программы может превратиться в утомительное и непродуктивное занятие), свойств объектов, которые могут вызвать ошибки и в других случаях.

Несколькими тысячами строк кода позже, тот же самый проект может оказаться отягощенным ошибками, из-за которых добавление новых функций становится головной болью, и падает энтузиазм программистов. Лучшие разработчики знают, как найти и устранить ошибки, и придерживаются лучших практик в разработке программного обеспечения, чтобы свести к минимуму, в первую очередь, возникновение ошибок.

Ни один программист никогда не напишет абсолютно верный код, но с некоторой практикой и решимостью вполне возможно писать чистый код , сдерживать ошибки и разрабатывать надежные программные системы.

Ваш набор инструментов для борьбы с ошибками

1. Оператор печати

Инструмент номер один для отладки кода – это опробованный и верный способ вставки операторов печати. В качестве равнозначной замены, для случаев, когда операторов печати много, и ими трудно управлять, может быть использована система протоколирования вместо операторов печати. Во многих языках программирования для этого есть в свободном доступе специальные библиотеки, как, например, библиотека logging , встроенная в Python.

Операторы печати – это самый быстрый, простой и непосредственный для программиста способ инспектирования значений данных и типов переменных. Правильно размещенные операторы печати позволяют программисту отслеживать поток данных на участке кода и быстро определять источник ошибки.

Не имеет значения, сколько передовых технологий используется, скромный оператор печати должен быть первым инструментом, к которому обращается программист, когда пытается отладить участок кода.

2. Отладчик

Отладчики исходного кода доводят метод отладки с помощью операторов печати до его логического завершения. Они позволяют программисту отследить по шагам выполнение кода строка за строкой и инспектировать все, что угодно, начиная от значений переменных и заканчивая состоянием виртуальной машины.

Большинство языков программирования имеют множество доступных отладчиков, которые предлагают различные возможности, включая графические интерфейсы, настройки точек останова для приостановки выполнения программы, и выполнение произвольного кода внутри среды исполнения.

Применение отладчика может быть излишним во многих ситуациях, но при надлежащем использовании, отладчик может стать мощным и эффективным инструментом. Для лучшего понимания возможностей отладчика, познакомьтесь с отладчиком Python pdb .

3. Система отслеживания ошибок

Когда такое случается, некоторые ошибки неизбежно остаются неисправленными, и что более важно, их труднее обнаружить и устранить другие, связанные с ними ошибки.

Простой текстовый файл может служить начальной системой отслеживания ошибок для проекта. С ростом объема кода количество ошибок выйдет за рамки текстового файла.

Существует большой выбор систем отслеживания ошибок в программном обеспечении, как коммерческих, так и с открытым исходным кодом. Самым важным критерием в выборе такой системы является доступность для сотрудников-непрограммистов, которым нужно работать с файлом ошибок.

4. Верификация программ

В некоторых языках программирования верификатор может проводить статический анализ кода для обнаружения проблемных мест до того, как код будет откомпилирован или выполнен, а в других языках верификатор полезен для проверки синтаксиса и стиля написания.

Исполнение программы верификации внутри редактора во время написания кода или прогон кода через верификатор до компиляции и выполнения помогает программистам находить и исправлять неисправности до того, как они переросли в ошибки в исполняемом программном обеспечении.

Использование верификации позволяет значительно сэкономить время по отслеживанию источника неисправности, вызванных синтаксическими ошибками, опечатками, и некорректными типами данных. Чтобы получить более полное представление о возможностях верификатора, посмотрите Pyflakes , верификатор для Python.

5. Контроль версий

Также как и использование системы отслеживания ошибок, применение системы контроля версии – это самая лучшая практика в разработке программного обеспечения, которая не может быть игнорирована при разработке любого проекта значительного размера.

Системы контроля версии, такие как Git , Mercurial и SVN , позволяют разным версиям базы кода быть разделенными, основываясь на том, над чем работают или кто разрабатывает код. Разные версии могут быть объединены вместе, поэтому несколько программистов могут работать с базой кода в одно то же время, не создавая ошибки, которые могли бы повлиять на ход работы остальных разработчиков.

Системы контроля версий играют ключевую роль еще и потому, что позволяют программистам откатить изменения до более ранней версии кода, просто возвратившись в состояние базы до появления ошибок, не допуская при этом других ошибок, за исправление которых пришлось бы дорого поплатиться.

6. Модульность

Плохо спроектированный код – это главный источник трудно исправляемых ошибок. Если код легко понять, и он может быть « выполнен » в уме или на бумаге, есть большая вероятность, что программисты смогут быстро находить и исправлять ошибки.

Самый лучший способ добиться этого – писать функции, выполняющие что-то одно. А вот участок кода с большим количеством функций имеет большую склонность к возникновению ошибок, которые сложно отслеживать.

Проектирование компонентов программного обеспечения, которые осуществляет только одну функцию, часто называется модульным дизайном. Модульность помогает программистам рассматривать системы программного обеспечения в двух измерениях. Во-первых, модульность создает уровень абстракции, позволяющий думать о модуле системы без понимания всех деталей его работы.

Например, программист, разрабатывающий систему электронной коммерции, мог бы, рассматривая модуль обработки кредитной карты, видеть, как он связан с остальным кодом, не вдаваясь в детали самой обработки кредитной карты. С другой стороны, детали модуля (в нашем примере того, который занимается обработкой кредитной карты) могут быть рассмотрены и поняты без обращения к не имеющему отношение к этому модулю коду.

7. Автоматизированные тесты

Модульные тесты и другие типы автоматизированных тестов идут рука об руку с модульным программированием.

Автоматизированный код – это участок кода, который выполняет программу с определенными входными параметрами и проверяет, соответствует ли поведение программы ожидаемому.

Модульные тесты проверяют функционирование отдельных функций или методов класса, в то время как функциональные тесты проверяют специфичное поведение всей программы, а интеграционные тесты проверяют большие части системы или всю систему в целом.

Существует много фреймворков для тестирования, которые делают написание тестов легче. Многие из известных фреймворков, используемых сегодня, были получены из библиотеки JUnit, написанной Кентом Бентом (Kent Bent), одним из первых сторонников идеи разработки через тестирование. Стандартная библиотека Python включает свою версию JUnit под именем PyUni или просто unittest .

8. Метод «Плюшевый мишка» (или отладка «Резиновая уточка»)

Если верить легендам программирования Брайану Кернигану и Робу Пайку (Brain Kernighan и Rob Pike), отладка по типу «Резиновая уточка» возникла в университетском компьютерном центре, где студенты должны были садиться напротив плюшевого мишки и объяснять ему их ошибки, прежде чем обращаться за помощью к живому человеку.

Этот метод отладки оказался настолько эффективным, что быстро распространился во всем мире разработки программного обеспечения, и также как простой оператор печати, продолжает существовать по сей день, несмотря на то, что есть, казалось бы, более сложные инструменты. Практически все может заменить плюшевого мишку: резиновые уточки, как терпеливые слушатели, тоже пользуются спросом.

Важной частью этого метода является то, что нужно объяснять код и проблему вслух в простых и понятных терминах. Есть подобная методика, которая также полезна – вести журнал программирования, в который нужно записывать мысли о коде до и после его реализации.

9. Пишите комментарии к коду

Комментарии должны объяснять цель кода на низком уровне. Должна существовать возможность легко ответить на вопросы о том, что строка кода делает и как она это делает, прочитав сам код. Это достигается путем написания читаемого кода, который разработан настолько просто, насколько это возможно, и использует осмысленные имена для функций и переменных.

Комментарии к коду должны заполнять пробелы информации в максимально возможной степени, отвечая на такие вопросы, как: почему используется конкретная реализация, или как данный участок кода взаимодействует с остальной частью программы.

Написание хороших комментариев – это отличная практика разработки программного обеспечения даже в свободном от ошибок коде, но когда ошибки появляются, комментарии помогут сэкономить массу времени, затрачиваемого на понимание кода, написанного несколько дней, недель или даже месяцев назад.

10. Пишите документацию

В то время как комментарии описывают код на низком уровне, с точки зрения программиста, программная документация описывает функционирование всей системы в доступной для пользователей форме. В зависимости от типа разрабатываемого программного обеспечения, документация может описывать интерфейсы программирования, графические интерфейсы или рабочие процессы.

Написание документации демонстрирует понимание программной системы, и часто указывает на те части системы, которые не до конца понятны и являются вероятным источником ошибок.

На пути к мастерству: избавляемся от ошибок

Программирование – это, прежде всего, искусство. И также как для любого другого вида искусства, путь к мастерству в нем вымощен трудолюбием и стремлением учиться. Работа по изучению программирования никогда не заканчивается. Всегда есть что-то новое для изучения и новые способы по улучшению.

Какими из этих 10 средств отладки вы пользуетесь сейчас? Какими вы могли бы начать пользоваться с сегодняшнего дня? Какие из этих инструментов требуют времени на практику и освоения новых навыков?

Программисты пользуются преимуществом, которым только некоторые другие мастера могут когда-либо воспользоваться: самые лучшие инструменты и знания о программировании свободно и бесплатно доступны для всех, кто заинтересован в этом вопросе. Вы можете стать профи в отладке кода: все, что вы должны сделать для этого – просто взять инструменты по отладке и приступить к работе.

Отладка, бывает двух видов:

Синтаксическая отладка . Синтаксические ошибки выявляет компилятор, поэтому исправлять их достаточно легко.

Семантическая (смысловая) отладка . Ее время наступает тогда, когда синтаксических ошибок не осталось, но результаты программа выдает неверные. Здесь компилятор сам ничего выявить не сможет, хотя в среде программирования обычно существуют вспомогательные средства отладки, о которых мы еще поговорим.
Отладка - это процесс локализации и исправления ошибок в программе.

Как бы тщательно мы ни писали, отладка почти всегда занимает больше времени, чем программирование.

2. Локализация ошибок

Локализация - это нахождение места ошибки в программе.

В процессе поиска ошибки мы обычно выполняем одни и те же действия:
прогоняем программу и получаем результаты;
сверяем результаты с эталонными и анализируем несоответствие;
выявляем наличие ошибки, выдвигаем гипотезу о ее характере и месте в программе;
проверяем текст программы, исправляем ошибку, если мы нашли ее правильно.

Способы обнаружения ошибки:

Аналитический - имея достаточное представление о структуре программы, просматриваем ее текст вручную, без прогона.

Экспериментальны й - прогоняем программу, используя отладочную печать и средства трассировки, и анализируем результаты ее работы.

Оба способа по-своему удобны и обычно используются совместно.

3. Принципы отладки

Большинство ошибок обнаруживается вообще без запуска программы - просто внимательным просматриванием текста.

Если отладка зашла в тупик и обнаружить ошибку не удается, лучше отложить программу. Когда глаз "замылен", эффективность работы упорно стремится к нулю.

Чрезвычайно удобные вспомогательные средства - это отладочные механизмы среды разработки: трассировка, промежуточный контроль значений. Можно использовать даже дамп памяти, но такие радикальные действия нужны крайне редко.

Экспериментирования типа "а что будет, если изменить плюс на минус" - нужно избегать всеми силами. Обычно это не дает результатов, а только больше запутывает процесс отладки, да еще и добавляет новые ошибки.

Принципы исправления ошибок еще больше похожи на законы Мерфи:
Там, где найдена одна ошибка, возможно, есть и другие.
Вероятность, что ошибка найдена правильно, никогда не равна ста процентам.
Наша задача - найти саму ошибку, а не ее симптом.
Это утверждение хочется пояснить. Если программа упорно выдает результат 0,1 вместо эталонного нуля, простым округлением вопрос не решить. Если результат получается отрицательным вместо эталонного положительного, бесполезно брать его по модулю - мы получим вместо решения задачи ерунду с подгонкой.
Исправляя одну ошибку, очень легко внести в программу еще парочку. "Наведенные" ошибки - настоящий бич отладки.
Исправление ошибок зачастую вынуждает возвращаться на этап составления программы. Это неприятно, но порой неизбежно.

4. Методы отладки

Использование дампа (распечатки) памяти.

Это интересно с познавательной точки зрения: можно досконально разобраться в машинных процессах. Иногда такой подход даже необходим - например, когда речь идет о выделении и высвобождении памяти под динамические переменные с использованием недокументированных возможностей языка. Однако, в большинстве случаев мы получаем огромное количество низкоуровневой информации, разбираться с которой - не пожелаешь и врагу, а результативность поиска - исчезающе низка.

Использование отладочной печати в тексте программы - произвольно и в большом количестве.

Получать информацию о выполнении каждого оператора тоже небезынтересно. Но здесь мы снова сталкиваемся со слишком большими объемами информации. Кроме того, мы здорово захламляем программу добавочными операторами, получая малочитабельный текст, да еще рискуем внести десяток новых ошибок.

Использование автоматических средств отладки - трассировки с отслеживанием промежуточных значений переменых.

Пожалуй, это самый распространенный способ отладки. Не нужно только забывать, что это только один из способов, и применять всегда и везде только его - часто невыгодно.
Сложности возникают, когда приходится отслеживать слишком большие структуры данных или огромное их число. Еще проблематичнее трассировать проект, где выполнение каждой подпрограммы приводит к вызову пары десятков других. Но для небольших программ трассировки вполне достаточно.

С точки зрения "правильного" программирования силовые методы плохи тем, что не поощряют анализ задачи.

Суммируя свойства силовых методов, получаем практические советы :

использовать трассировку и отслеживание значений переменных для небольших проектов, отдельных подпрограмм;

использовать отладочную печать в небольших количества и "по делу";

оставить дамп памяти на самый крайний случай.

Метод индукции - анализ программы от частного к общему.

Просматриваем симптомы ошибки и определяем данные, которые имеют к ней хоть какое-то отношение. Затем, используя тесты, исключаем маловероятные гипотезы, пока не остается одна, которую мы пытаемся уточнить и доказать.

Метод дедукции - от общего к частному.

Выдвигаем гипотезу, которая может объяснить ошибку, пусть и не полностью. Затем при помощи тестов эта гипотеза проверяется и доказывается.

Обратное движение по алгоритму.

Отладка начинается там, где впервые встретился неправильный результат. Затем работа программы прослеживается (мысленно или при помощи тестов) в обратном порядке, пока не будет обнаружено место возможной ошибки.

Читайте также: