Урок №26. Отладка программ: степпинг и точки останова

Как ни странно, программирование может быть сложным и ошибок может быть очень много. Ошибки, как правило, попадают в одну из двух категорий: синтаксические или семантические/смысловые.

Оглавление:

1. Типы ошибок
2. Отладчик
3. Степпинг
   • Команда «Шаг с заходом»
   • Команда «Шаг с обходом»
   • Команда «Шаг с выходом»
4. Команда «Выполнить до текущей позиции»
5. Команда «Продолжить»
6. Точки останова

Типы ошибок

Синтаксическая ошибка возникает, когда вы пишете код, который не соответствует правилам грамматики языка C++. Например, пропущенные точки с запятой, необъявленные переменные, непарные круглые или фигурные скобки и т.д. В следующей программе есть несколько синтаксических ошибок:

#include

; // директивы препроцессора не заканчиваются точкой с запятой

std : cout < "Hi there; return 0 // пропущена точка с запятой в конце стейтмента

К счастью, компилятор ловит подобные ошибки и сообщает о них в виде предупреждений или ошибок.

Семантическая ошибка возникает, когда код является синтаксически правильным, но делает не то, что задумал программист.

Иногда это может привести к сбою в программе, например, если делить на ноль:

std :: cout << "Hello, word!" ; // орфографическая ошибка

Либо делать вообще не то, что нужно:

int add ( int x , int y )
return x — y ; // функция должна выполнять сложение, но выполняет вычитание
std :: cout << add ( 5 , 3 ) ; // должно быть 8, но результат - 2

К сожалению, компилятор не ловит подобные ошибки, так как он проверяет только то, что вы написали, а не то, что вы хотели этим сделать.

В примерах, приведенных выше, ошибки довольно легко обнаружить. Но в большинстве программ (в которых больше 40 строк кода), семантические ошибки увидеть с помощью простого просмотра кода будет не так-то и легко.

И здесь нам на помощь приходит отладчик.

Отладчик

Отладчик (или «дебаггер», от англ. «debugger») — это компьютерная программа, которая позволяет программисту контролировать выполнение кода. Например, программист может использовать отладчик для выполнения программы пошагово, последовательно изучая значения переменных в программе.

Старые дебаггеры, такие как GDB, имели интерфейс командной строки, где программисту приходилось вводить специальные команды для старта работы. Современные дебаггеры имеют графический интерфейс, что значительно упрощает работу с ними. Сейчас почти все современные IDE имеют встроенные отладчики. То есть, вы можете использовать одну среду разработки как для написания кода, так и для его отладки (вместо постоянного переключения между разными программами).

Базовый функционал у всех отладчиков один и тот же. Отличаются они, как правило, тем, как этот функционал и доступ к нему организованы, горячими клавишами и дополнительными возможностями.

Примечание: Перед тем как продолжить, убедитесь, что вы находитесь в режиме конфигурации «Debug». Все скриншоты данного урока выполнены в Visual Studio 2019.

Степпинг

Степпинг (англ. «stepping») — это возможность отладчика выполнять код пошагово (строка за строкой). Есть три команды степпинга:

Команда «Шаг с заходом»

Команда «Шаг с обходом»

Команда «Шаг с выходом»

Мы сейчас рассмотрим каждую из этих команд в индивидуальном порядке.

Команда «Шаг с заходом»

Команда «Шаг с заходом» (англ. «Step into») выполняет следующую строку кода. Если этой строкой является вызов функции, то «Шаг с заходом» открывает функцию и выполнение переносится в начало этой функции.

Давайте рассмотрим очень простую программу:

void printValue ( int nValue )
std :: cout << nValue ; printValue ( 5 ) ;

Как вы уже знаете, при запуске программы выполнение начинается с вызова главной функции main(). Так как мы хотим выполнить отладку внутри функции main(), то давайте начнем с использования команды «Шаг с заходом».

В Visual Studio, перейдите в меню «Отладка» > «Шаг с заходом» (либо нажмите F11 ):

Если вы используете другую IDE, то найдите в меню команду «Step Into/Шаг с заходом» и выберите её.

Когда вы это сделаете, должны произойти две вещи. Во-первых, так как наше приложение является консольной программой, то должно открыться консольное окно. Оно будет пустым, так как мы еще ничего не выводили. Во-вторых, вы должны увидеть специальный маркер слева возле открывающей скобки функции main(). В Visual Studio этим маркером является жёлтая стрелочка (если вы используете другую IDE, то должно появиться что-нибудь похожее):

Стрелка-маркер указывает на следующую строку, которая будет выполняться. В этом случае отладчик говорит нам, что следующей строкой, которая будет выполняться, — будет открывающая фигурная скобка функции main(). Выберите «Шаг с заходом» еще раз — стрелка переместится на следующую строку:

Это значит, что следующей строкой, которая будет выполняться, — будет вызов функции printValue(). Выберите «Шаг с заходом» еще раз. Поскольку printValue() — это вызов функции, то мы переместимся в начало функции printValue():

Выберите еще раз «Шаг с заходом» для выполнения открывающей фигурной скобки printValue(). Стрелка будет указывать на std::cout

Теперь выберите «Шаг с обходом» (F10). Вы увидите число 5 в консольном окне.

Выберите «Шаг с заходом» еще раз для выполнения закрывающей фигурной скобки printValue(). Функция printValue() завершит свое выполнение и стрелка переместиться в функцию main(). Обратите внимание, в main() стрелка снова будет указывать на вызов printValue():

Может показаться, будто отладчик намеревается еще раз повторить цикл с функцией printValue(), но в действительности он нам просто сообщает, что он только что вернулся из этой функции.

Выберите «Шаг с заходом» два раза. Готово, все строки кода выполнены. Некоторые дебаггеры автоматически прекращают сеанс отладки в этой точке. Но Visual Studio так не делает, так что если вы используете Visual Studio, то выберите «Отладка» > «Остановить отладку» (или Shift+F5 ):

Таким образом мы полностью остановили сеанс отладки нашей программы.

Команда «Шаг с обходом»

Как и команда «Шаг с заходом», команда «Шаг с обходом» (англ. «Step over») позволяет выполнить следующую строку кода. Только если этой строкой является вызов функции, то «Шаг с обходом» выполнит весь код функции в одно нажатие и возвратит нам контроль после того, как функция будет выполнена.

Примечание для пользователей Code::Blocks: Команда «Step over» называется «Next Line».

Рассмотрим пример, используя следующую программу:

Что такое отладка?

Область применения:Visual Studio Visual Studio для Mac Visual Studio Code

Отладчик Visual Studio — очень эффективное средство. Прежде чем приступать к его использованию, следует ознакомиться с базовыми терминами, такими как отладчик, отладка и режим отладки. Когда позднее мы будем вести речь о поиске и устранении ошибок, мы будем иметь в виду то же самое.

Отладчик и отладка

Термин отладка может иметь разные значения, но в первую очередь он означает устранение ошибок в коде. Делается это по-разному. Например, отладка может выполняться путем проверки кода на наличие опечаток или с помощью анализатора кода. Код можно отлаживать с помощью профилировщика производительности. Кроме того, отладка может производиться посредством отладчика.

Отладчик — это узкоспециализированное средство разработки, которое присоединяется к работающему приложению и позволяет проверять код. В документации по отладке для Visual Studio именно это обычно подразумевается под отладкой.

Режим отладки и выполнение приложения

При первом запуске приложения в Visual Studio его можно запустить, нажав зеленую кнопку со стрелкой на панели инструментов (или F5). По умолчанию в раскрывающемся списке слева отображается элемент Отладка. Если вы не имеете опыта работы с Visual Studio, может показаться, что отладка приложения — это практически то же самое, что его запуск. На самом деле эти задачи хоть и связаны, но коренным образом различаются.

Значение Отладка соответствует конфигурации отладки. Когда вы запускаете приложение (нажимая зеленую стрелку или клавишу F5) в конфигурации отладки, оно запускается в режиме отладки. Это означает, что приложение запускается с присоединенным отладчиком. В результате вы получаете полный набор функций отладки, которые можно использовать для поиска ошибок в приложении.

Если у вас открыт проект, выберите в раскрывающемся списке Отладка элемент Выпуск.

При выборе этого параметра конфигурация отладки для проекта меняется на конфигурацию выпуска. Проекты Visual Studio имеют отдельные конфигурации выпуска и отладки для вашей программы. Производится построение отладочной версии для отладки и версии выпуска для окончательного выпуска программы. Сборка выпуска оптимизирована для обеспечения максимальной производительности, а отладочная сборка лучше подходит для отладки.

Когда следует использовать отладчик

Отладчик — важнейший инструмент для поиска и устранения ошибок в приложениях. Однако большое значение имеет контекст. Важно использовать все средства, имеющиеся в вашем распоряжении, чтобы быстро устранять ошибки. Зачастую лучшим «средством» являются правильные методики написания кода. Зная, когда лучше использовать отладчик, а когда — другие средства, вы также сможете более эффективно использовать отладчик.

Далее

Из этой статьи вы узнали общие принципы отладки приложений. Теперь вы можете приступить к знакомству с процессом отладки в Visual Studio и написанию кода с меньшим количеством ошибок. В следующих статьях приводятся примеры кода на C#, но основные понятия применимы ко всем языкам, поддерживаемым средой Visual Studio.

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://ravesli.com/urok-26-otladka-programm-stepping-i-breakpoints/
https://learn.microsoft.com/ru-ru/visualstudio/debugger/what-is-debugging?view=vs-2022

Отладка