Что такое отладка?

Отладка – это процесс поиска и исправления ошибок или неполадок в исходном коде какого-либо программного обеспечения. Когда программное обеспечение не работает, как ожидалось, компьютерные программисты изучают код, чтобы выяснить причину появления ошибок. Они используют инструменты отладки для запуска программного обеспечения в контролируемой среде, пошаговой проверки кода, а также анализа и поиска проблем.

Где возник термин «отладка»?

Термин «отладка» берёт своё начало от адмирала Грейс Хоппер, которая работала в Гарвардском университете в 1940-х годах. Когда один из ее коллег обнаружил моль, мешающую работе одного из компьютеров университета, она сказала, что они отлаживают систему. Компьютерные программисты впервые стали использовать термины «ошибки» и «отладка» в 1950-х годах, а к началу 1960-х годов термин «отладка» стал общепринятым в сообществе программистов.

Почему отладка важна?

Недочеты и ошибки случаются в компьютерном программировании, поскольку это абстрактная и концептуальная работа. Компьютеры обрабатывают данные в виде электронных сигналов. Языки программирования абстрагируют эту информацию, чтобы люди могли более эффективно взаимодействовать с компьютерами. Любой тип программного обеспечения имеет несколько уровней абстракции, на которых различные компоненты взаимодействуют для правильной работы приложения. Когда возникают ошибки, найти и решить проблему может быть непросто. Инструменты и стратегии отладки помогают быстрее устранять проблемы и повышать производительность разработчиков. В результате улучшается как качество программного обеспечения, так и опыт конечного пользователя.

Как работает процесс отладки?

Процесс отладки обычно требует выполнения указанных ниже шагов.

Определение ошибки

Разработчики, тестировщики и конечные пользователи сообщают об ошибках, обнаруженных во время тестировании или использовании программного обеспечения. Разработчики определяют точную строку или модуль кода, вызывающий ошибку. Это может быть утомительно и отнимать много времени.

Анализ ошибки

Программисты анализируют ошибку, записывая все изменения состояния программы и значения данных. Они также определяют приоритет исправления ошибок на основе влияния ошибки на функциональность программного обеспечения. Кроме того, команда разработчиков программного обеспечения определяет график исправления ошибок в зависимости от целей и требований разработки.

Устранение и проверка

Разработчики исправляют ошибку и выполняют тесты, чтобы убедиться, что программное обеспечение продолжает работать в обычном режиме. Они могут написать новые тесты, чтобы проверить, повторяется ли ошибка в будущем.

Сравнение отладки и тестирования

Отладка и тестирование – это взаимодополняющие процессы, которые гарантируют, что программы работают должным образом. После написания полного раздела или части кода программисты выполняют тестирование, чтобы обнаружить недочеты и ошибки. Как только они обнаружены, кодировщики могут начать процесс отладки и работать над устранением ошибок в программном обеспечении.

Какие ошибки кодирования требуют отладки?

Дефекты программного обеспечения возникают из-за сложности, присущей разработке программного обеспечения. Кроме того, незначительные производственные ошибки наблюдаются после запуска программного обеспечения, потому что клиенты используют его неожиданным образом. Ниже мы приводим некоторые распространенные типы ошибок, которые зачастую требуют отладки.

Синтаксические ошибки

Синтаксическая ошибка возникает, когда в компьютерной программе неправильно указано значение. Это эквивалент опечатки или орфографической ошибки в текстовом редакторе. Если есть синтаксические ошибки, программа не будет компилироваться или запускаться. Как правило, программное обеспечение для редактирования кода выделяет эту ошибку.

Семантические ошибки

Семантические ошибки возникают из-за неправильного использования операторов программирования. Например, если вы переводите выражение x/(2 π) into Python, можете написать:

y = x / 2 * math.pi

Однако это утверждение неверно, поскольку умножение и деление имеют одинаковый приоритет в Python и вычисляются слева направо. Следовательно, это выражение вычисляется как (xπ)/2, а это приводит к ошибкам.

Логические ошибки

Логические ошибки возникают, когда программисты искажают поэтапный процесс или алгоритм компьютерной программы. Например, код может выйти из цикла слишком рано или может иметь неверный результат «если, то». Вы можете определить логические ошибки, выполнив пошаговую отладку коду для нескольких различных сценариев ввода/вывода.

Ошибки времени выполнения

Ошибки времени выполнения возникают из-за среды вычисления, в которой выполняется программный код. Примеры включают нехватку памяти или переполнение стека. Вы можете устранить ошибки времени выполнения, заключив операторы в блоки try-catch или зарегистрировав исключение при помощи соответствующего сообщения.

Какие есть общие стратегии отладки?

Программисты используют несколько стратегий, чтобы свести к минимуму количество ошибок и сократить время отладки.

Пошаговая разработка программы

Пошаговая разработка – это разработка программ в управляемых разделах с целью тестирования небольших частей кода. Так программисты могут локализовать какие-либо найденные ошибки, а также могут работать над одной ошибкой за раз, а не над несколькими ошибками после написания больших участков кода.

Возврат

Возврат – это популярный метод отладки, в частности для небольших программ. Разработчики работают в обратном порядке с места, где произошла фатальная ошибка, чтобы определить точную точку ее возникновения в коде. К сожалению, этот процесс становится все более сложным, поскольку увеличивается количество строк кода.

Удаленная отладка

Удаленная отладка – это отладка приложения, работающего в отличной от вашей локальной машины среде. Например, вы можете использовать инструменты отладки, установленные удаленно, чтобы устранять ошибки.

Ведение журналов

Большинство компьютерных программ записывают внутренние данные и другую важную информацию, например время выполнения и состояние операционной системы, в файлы журналов. Разработчики изучают файлы журналов, чтобы находить и устранять ошибки. Кроме того, они используют такие инструменты, как анализаторы журналов, чтобы автоматизировать обработку файлов журналов.

Отладка в облаке

Отладка сложных облачных приложений – это сложная задача, поскольку разработчикам приходится эмулировать облачные архитектуры на локальных компьютерах. Дополнительные различия в конфигурации могут возникнуть между облачной и эмулируемой средой. Это приводит к большему количеству ошибок в производстве и более длительным циклам разработки. Чтобы отладка облака была более эффективной, требуются специальные инструменты.

Как AWS помогает с отладкой?

Есть несколько разных способов, при помощи которых AWS поддерживает кодирование и отладку.

Плагины для популярных IDE

Чтобы писать код, разработчики используют интегрированную среду разработки (IDE). AWS имеет несколько подключаемых модулей, совместимых с IDE, и поддерживает процесс отладки. Например, Набор инструментов AWS для Eclipse – это подключаемый модуль с открытым кодом для Eclipse Java IDE, позволяющий упростить процессы разработки, развертывания и отладки Java-приложений с помощью Amazon Web Services. Аналогично AWS также предоставляет поддержку отладки для других языков с помощью подключаемых модулей, которые интегрируются с другими популярными IDE, такими как:

• PyCharm для Python.
• IntelliJ IDEA для Java и Python.
• Rider для .Net.
• WebStorm для JavaScript.

Эти модули поддерживают отладку в облаке, чтобы разработчики могли отлаживать приложения облаке, напрямую обращаясь к коду, работающему в облаке.

AWS X‑Ray

AWS X-Ray – это инструмент отладки, который разработчики используют для анализа приложений в процессе разработки и производства. Он охватывает все: от простых трехуровневых приложений до сложных приложений микросервисов, состоящих из тысяч сервисов.

С X-Ray вы сможете:

• понимать, как работает ваше приложение и его основные сервисы;
• выявлять и устранять основные причины проблем с производительностью и возникновения ошибок;
• анализировать сквозное представление запросов по мере их прохождения через ваше приложение.

Начните работу с AWS X-Ray, создав бесплатный аккаунт AWS уже сегодня.

Отладка

Отладка, или debugging, — это поиск (локализация), анализ и устранение ошибок в программном обеспечении, которые были найдены во время тестирования.

Виды ошибок

Ошибки компиляции

Это простые ошибки, которые в компилируемых языках программирования выявляет компилятор (программа, которая преобразует текст на языке программирования в набор машинных кодов). Если компилятор показывает несколько ошибок, отладку кода начинают с исправления самой первой, так как она может быть причиной других.

В интерпретируемых языках (например Python) текст программы команда за командой переводится в машинный код и сразу исполняется. К моменту обнаружения ошибки часть программы уже может исполниться.

Ошибки компоновки

Ошибки связаны с разрешением внешних ссылок. Выявляет компоновщик (редактор связей) при объединении модулей программы. Простой пример — ситуация, когда требуется обращение к подпрограмме другого модуля, но при компоновке она не найдена. Ошибки также просто найти и устранить.

Ошибки выполнения (RUNTIME Error)

Ошибки, которые обнаруживают операционная система, аппаратные средства или пользователи при выполнении программы. Они считаются непредсказуемыми и проявляются после успешной компиляции и компоновки. Можно выделить четыре вида проявления таких ошибок:

• сообщение об ошибке, которую зафиксировали схемы контроля машинных команд. Это может быть переполнение разрядной сетки (когда старшие разряды результата операции не помещаются в выделенной области памяти), «деление на ноль», нарушение адресации и другие;
• сообщение об ошибке, которую зафиксировала операционная система. Она же, как правило, и документирует ошибку. Это нарушение защиты памяти, отсутствие файла с заданным именем, попытка записи на устройство, защищенное от записи;
• прекращение работы компьютера или зависание. Это и простые ошибки, которые не требуют перезагрузки компьютера, и более сложные, когда нужно выключать ПК;
• получение результатов, которые отличаются от ожидаемых. Программа работает стабильно, но выдает некорректный результат, который пользователь воспринимает за истину.

Профессия / 16 месяцев
Тестировщик-автоматизатор

Лучший выбор для быстрого старта в IT

Ошибки выполнения можно разделить на три большие группы.

Ошибки определения данных или неверное определение исходных данных. Они могут появиться во время выполнения операций ввода-вывода.

К ним относятся:

• ошибки преобразования;
• ошибки данных;
• ошибки перезаписи.

Как правило, использование специальных технических средств для отладки (API-логгеров, логов операционной системы, профилировщиков и пр.) и программирование с защитой от ошибок помогает обнаружить и решить лишь часть из них.

Логические ошибки. Они могут возникать из ошибок, которые были допущены при выборе методов, разработке алгоритмов, определении структуры данных, кодировании модуля.

В эту группу входят:

• ошибки некорректного использования переменных. Сюда относятся неправильный выбор типов данных, использование индексов, выходящих за пределы определения массивов, использование переменных до присвоения переменной начального значения, нарушения соответствия типов данных;
• ошибки вычислений. Это некорректная работа с переменными, неправильное преобразование типов данных в процессе вычислений;
• ошибки взаимодействия модулей или межмодульного интерфейса. Это нарушение типов и последовательности при передаче параметров, области действия локальных и глобальных переменных, несоблюдение единства единиц измерения формальных и фактических параметров;
• неправильная реализация логики при программировании.

Ошибки накопления погрешностей. Могут возникать при неправильном округлении, игнорировании ограничений разрядной сетки, использовании приближенных методов вычислений и т.д.

Станьте тестировщиком – это лучший выбор для быстрого старта в IT

Методы отладки программного обеспечения

Метод ручного тестирования

Отладка программы заключается в тестировании вручную с помощью тестового набора, при работе с которым была допущена ошибка. Несмотря на эффективность, метод не получится использовать для больших программ или программ со сложными вычислениями. Ручное тестирование применяется как составная часть других методов отладки.

Метод индукции

В основе отладки системы — тщательный анализ проявлений ошибки. Это могут быть сообщения об ошибке или неверные результаты вычислений. Например, если во время выполнения программы завис компьютер, то, чтобы найти фрагмент проявления ошибки, нужно проанализировать последние действия пользователя. На этапе отладки программы строятся гипотезы, каждая из них проверяется. Если гипотеза подтвердилась, информация об ошибке детализируется, если нет — выдвигаются новые.

Вот как выглядит процесс:

Важно, чтобы выдвинутая гипотеза объясняла все проявления ошибки. Если объясняется только их часть, то либо гипотеза неверна, либо ошибок несколько.

Метод дедукции

Сначала специалисты предлагают множество причин, по которым могла возникнуть ошибка. Затем анализируют их, исключают противоречащие имеющимся данным. Если все причины были исключены, проводят дополнительное тестирование. В обратном случае наиболее вероятную причину пытаются доказать.

Метод обратного прослеживания

Эффективен для небольших программ. Начинается с точки вывода неправильного результата. Для точки выдвигается гипотеза о значениях основных переменных, которые могли привести к ошибке. Далее на основании этой гипотезы строятся предположения о значениях переменных в предыдущей точке. Процесс продолжается до момента, пока не найдут ошибку.

Как выполняется отладка в современных IDE

Ранние отладчики, например gdb, представляли собой отдельные программы с интерфейсами командной строки. Более поздние, например первые версии Turbo Debugger, были автономными, но имели собственный графический интерфейс для облегчения работы. Сейчас большинство IDE имеют встроенный отладчик. Он использует такой же интерфейс, как и редактор кода, поэтому можно выполнять отладку в той же среде, которая используется для написания кода.

Отладчик позволяет разработчику контролировать выполнение и проверять (или изменять) состояние программ. Например, можно использовать отладчик для построчного выполнения программы, проверяя по ходу значения переменных. Сравнение фактических и ожидаемых значений переменных или наблюдение за ходом выполнения кода может помочь в отслеживании логических (семантических) ошибок.

Пошаговое выполнение — это набор связанных функций отладчика, позволяющих поэтапно выполнять код.

Шаг с заходом (step into)

Команда выполняет очередную инструкцию, а потом приостанавливает процесс, чтобы с помощью отладчика было можно проверить состояние программы. Если в выполняемом операторе есть вызов функции, step into заставляет программу переходить в начало вызываемой функции, где она приостанавливается.

Шаг с обходом (step over)

Команда также выполняет очередную инструкцию. Однако когда step into будет входить в вызовы функций и выполнять их строка за строкой, step over выполнит всю функцию, не останавливаясь, и вернет управление после ее выполнения. Команда step over позволяет пропустить функции, если разработчик уверен, что они уже исправлены, или не заинтересован в их отладке в данный момент.

Шаг с выходом (step out)

В отличие от step into и step over, step out выполняет не следующую строку кода, а весь оставшийся код функции, исполняемой в настоящее время. После возврата из функции он возвращает управление разработчику. Эта команда полезна, когда специалист случайно вошел в функцию, которую не нужно отлаживать.

Как правило, при пошаговом выполнении можно идти только вперед. Поэтому легко перешагнуть место, которое нужно проверить. Если это произошло, необходимо перезапустить отладку.

У некоторых отладчиков (таких как GDB 7.0, Visual Studio Enterprise Edition 15.5 и более поздних версий) есть возможность вернуться на шаг назад. Это полезно, если пропущена цель либо нужно повторно проверить выполненную инструкцию.

Тестировщик-автоматизатор

Как ворваться в IT, даже если вы не умеете программировать? Стать тестировщиком. Для старта достаточно базовых знаний ПК. А начать работать можно уже через 4 месяца обучения.

Статьи по теме:

• Почему в способности объяснения модели состоит будущее Data Science
• Перевод кенийского языка жестов с помощью глубокого обучения
• Как пользоваться Android Studio

При подготовке материала использовались источники:
https://aws.amazon.com/ru/what-is/debugging/

Отладка