Что такое отладка в программировании
Перейти к содержимому

Что такое отладка в программировании

  • автор:

Отладка программы

Отла́дка — этап разработки компьютерной программы, на котором обнаруживают, локализуют и устраняют ошибки. Чтобы понять, где возникла ошибка, приходится :

  • узнавать текущие значения переменных;
  • выяснять, по какому пути выполнялась программа.

Существуют две взаимодополняющие технологии отладки.

  • Использование отладчиков — программ, которые включают в себя пользовательский интерфейс для пошагового выполнения программы: оператор за оператором, функция за функцией, с остановками на некоторых строках исходного кода или при достижении определённого условия.
  • Вывод текущего состояния программы с помощью расположенных в критических точках программы операторов вывода — на экран, принтер, громкоговоритель или в файл. Вывод отладочных сведений в файл называется журналированием.

Место отладки в цикле разработки программы

Типичный цикл разработки, за время жизни программы многократно повторяющийся, выглядит примерно так:

  1. Программирование — внесение в программу новой функциональности, исправление ошибок в имеющейся.
  2. Тестирование (ручное или автоматизированное; программистом, тестером или пользователем; «дымовое», в режиме чёрного ящика или модульное…) — обнаружение факта ошибки.
  3. Воспроизведение ошибки — выяснение условий, при которых ошибка случается. Это может оказаться непростой задачей при программировании параллельных процессов и при некоторых необычных ошибках, известных как гейзенбаги.
  4. Отладка — обнаружение причины ошибки.

Инструменты

Способности программиста к отладке — это, по-видимому, важнейший фактор в обнаружении источника проблемы, но сложность отладки сильно зависит от используемого языка программирования и инструментов, в частности, отладчиков.

Инструменты отладки

Отладчик представляет из себя программный инструмент, позволяющий программисту наблюдать за выполнением исследуемой программы, останавливать и перезапускать её, прогонять в замедленном темпе, изменять значения в памяти и даже, в некоторых случаях, возвращать назад по времени.

Также полезными инструментами в руках программиста могут оказаться:

  • Профилировщики. Они позволят определить сколько времени выполняется тот или иной участок кода, а анализ покрытия позволит выявить неисполняемые участки кода.
  • API логгеры позволяют программисту отследить взаимодействие программы и Windows API при помощи записи сообщений Windows в лог.
  • Дизассемблеры позволят программисту посмотреть ассемблерный код исполняемого файла
  • Снифферы помогут программисту проследить сетевой трафик генерируемой программой
  • Снифферы аппаратных интерфейсов позволят увидеть данные которыми обменивается система и устройство.
  • Логи системы.

Использование языков программирования высокого уровня, таких как Java, обычно упрощает отладку, поскольку содержат такие средства как обработка исключений, сильно облегчающие поиск источника проблемы. В некоторых низкоуровневых языках, таких как ассемблер, ошибки могут приводить к незаметным проблемам — например, повреждениям памяти или утечкам памяти, и бывает довольно трудно определить что стало первоначальной причиной ошибки. В этих случаях, могут потребоваться изощрённые приёмы и средства отладки.

«Наш личный выбор — стараться не использовать отладчики, кроме как для просмотра стека вызовов или же значений пары переменных. Одна из причин этого заключается в том, что очень легко потеряться в деталях сложных структур данных и путей исполнения программы. Мы считаем пошаговый проход по программе менее продуктивным, чем усиленные размышления и код, проверяющий сам себя в критических точках.

Щёлканье по операторам занимает больше времени, чем просмотр сообщений операторов выдачи отладочной информации, расставленных в критических точках. Быстрее решить, куда поместить оператор отладочной выдачи, чем проходить шаг за шагом критические участки кода, даже предполагая, что мы знаем, где находятся такие участки. Более важно то, что отладочные операторы сохраняются в программе, а сессии отладчика переходящи.

Слепое блуждание в отладчике, скорее всего, непродуктивно. Полезнее использовать отладчик, чтобы выяснить состояние программы, в котором она совершает ошибку, затем подумать о том, как такое состояние могло возникнуть. Отладчики могут быть сложными и запутанными программами, особенно для новичков, у которых они вызовут скорее недоумение, чем принесут какую либо пользу…»

«Отладка сложна и может занимать непредсказуемо долгое время, поэтому цель в том, чтобы миновать большую её часть. Технические приёмы, которые помогут уменьшить время отладки, включают хороший дизайн, хороший стиль, проверку граничных условий, проверку правильности исходных утверждений и разумности кода, защитное программирование, хорошо разработанные интерфейсы, ограниченное использование глобальных переменных, автоматические средства контроля и проверки. Грамм профилактики стоит тонны лечения.»

Инструменты, снижающие потребность в отладке

Другое направление — сделать, чтобы отладка нужна была как можно реже. Для этого применяются:

  • Контрактное программирование — чтобы программист подтверждал другим путём, что ему на выходе нужно именно такое поведение программы. В языках, в которых контрактного программирования нет, используется самопроверка программы в ключевых точках.
  • Модульное тестирование — проверка поведения программы по частям.
  • Статический анализ кода — проверка кода на стандартные ошибки «по недосмотру».
  • Высокая культура программирования, в частности, паттерны проектирования, соглашения об именовании и прозрачное поведение отдельных блоков кода — чтобы объявить себе и другим, каким образом должна вести себя та или иная функция.
  • Широкое использование проверенных внешних библиотек.

Безопасность программного кода и отладка

В программном коде может быть так называемое недокументированное поведение — серьёзные ошибки, которые не проявляются при нормальном ходе выполнения программы, однако весьма опасны для безопасности всей системы в случае целенаправленной атаки. Чаще всего это результат ошибок программиста. Наиболее известные примеры — это SQL-инъекция и переполнение буфера. В данном случае задача отладки это:

  • Выявление недокументированного поведения системы
  • Устранение небезопасного кода

Выделяют такие методы:

  • статический анализ кода. На этой фазе программа сканер ищет последовательности в исходном тексте, соответствующие небезопасным вызовам функций и т. д. Фактически идет сканирование исходного текста программы на основе специальной базы правил, которая содержит описание небезопасных образцов кода.
  • фаззинг. Это процесс подачи на вход программы случайных или некорректных данных и анализ реакции программы.
  • Reverse engineering (Обратная инженерия). Этот случай возникает, когда независимые исследователи ищут уязвимости и недокументированные возможности программы.

Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Литература

  • Стив Магьюир, «Создание надёжного кода» (Steve Maguire. Writing Solid Code. Microsoft Press, 1993)
  • Стив Мак-Коннел, «Совершенный код» (Steve McConnel. Code Complete. Microsoft Press, 1993)

См. также

  • Отладчик
  • Отладчик ядра
  • Стек вызовов
  • Утечка памяти
  • Точка останова
  • Тестирование программного обеспечения
  • Программирование
  • Отладочные символы

Ссылки

  • Отладка AMD64 на уровне машинного кода с помощью отладчика dbx (рус.)

Тестирование и отладка программ

При разработке программ наиболее трудоемким является этап отладки и тестирования программ. Цель тестирования, т.е. испытания программы, заключается в выявлении имеющихся в программе ошибок. Цель отладки состоит в выявлении и устранении причин ошибок.

Отладку программы начинают с составления плана тестирования. Такой план должен представлять себе любой программист. Составление плана опирается на понятие об источниках и характере ошибок. Основными источниками ошибок являются недостаточно глубокая проработка математической модели или алгоритма решения задачи; нарушение соответствия между схемой алгоритма или записью его на алгоритмическом языке и программой, записанной на языке программирования; неверное представление исходных данных на программном бланке; невнимательность при наборе программы и исходных данных на клавиатуре устройства ввода.

Нарушение соответствия между детально разработанной записью алгоритма в процессе кодирования программы относится к ошибкам, проходящим вследствие невнимательности программиста. Отключение внимания приводит и ко всем остальным ошибкам, возникающим в процессе подготовки исходных данных и ввода программы в ЭВМ. Ошибки, возникающие вследствие невнимательности, могут иметь непредсказуемые последствия, так как наряду с потерей меток и описаний массивов, дублированием меток, нарушением баланса скобок возможны и такие ошибки, как потеря операторов, замена букв в обозначениях переменных, отсутствие определений начальных значений переменных, нарушение адресации в массивах, сдвиг исходных данных относительно полей значений, определенных спецификациями формата.

Учитывая разнообразие источников ошибок, при составлении плана тестирования классифицируют ошибки на два типа: 1 – синтаксические; 2 – семантические (смысловые).

Синтаксические ошибки – это ошибки в записи конструкций языка программирования (чисел, переменных, функций, выражений, операторов, меток, подпрограмм).

Семантические ошибки – это ошибки, связанные с неправильным содержанием действий и использованием недопустимых значений величин.

Обнаружение большинства синтаксических ошибок автоматизировано в основных системах программирования. Поиск же семантических ошибок гораздо менее формализован; часть их проявляется при исполнении программы в нарушениях процесса автоматических вычислений и индицируется либо выдачей диагностических сообщений рабочей программы, либо отсутствием печати результатов из-за бесконечного повторения одной и той же части программы (зацикливания), либо появлением непредусмотренной формы или содержания печати результатов.

В план тестирования обычно входят следующие этапы:

  1. Сравнение программы со схемой алгоритма.
  2. Визуальный контроль программы на экране дисплея или визуальное изучение распечатки программы и сравнение ее с оригиналом на программном бланке. Первые два этапа тестирования способны устранить больше количество ошибок, как синтаксических (что не так важно), так и семантических (что очень важно, так как позволяет исключить их трудоемкий поиск в процессе дальнейшей отладки).
  3. Трансляция программы на машинных язык. На этом этапе выявляются синтаксические ошибки. Компиляторы с языков Си, Паскаль выдают диагностическое сообщение о синтаксических ошибках в листинге программы (листингом называется выходной документ транслятора, сопровождающий оттранслированную программу на машинном языке – объектный модуль).
  4. Редактирование внешних связей и компоновка программы. На этапе редактирования внешних связей программных модуле программа-редактор внешних связей, или компоновщик задач, обнаруживает такие синтаксические ошибки, как несоответствие числа параметров в описании подпрограммы и обращении к ней, вызов несуществующей стандартной программы. например, 51 H вместо 51 N, различные длины общего блока памяти в вызывающем и вызываемом модуле и ряд других ошибок.
  5. Выполнение программы. После устранения обнаруженных транслятором и редактором внешних связей (компоновщиком задач) синтаксических ошибок переходят к следующему этапу – выполнению программы на ЭВМ на машинном языке: программа загружается в оперативную память, в соответствие с программой вводятся исходные данные и начинается счет. Проявление ошибки в процессе вода исходных данных или в процессе счета приводит к прерыванию счета и выдаче диагностического сообщения рабочей программы. Проявление ошибки дает повод для выполнения отладочных действий; отсутствие же сообщений об ошибках не означает их отсутствия в программе. План тестирования включает при этом проверку правильности полученных результатов для каких-либо допустимых значений исходных данных.
  6. Тестирование программы. Если программа выполняется успешно, желательно завершить ее испытания тестированием при задании исходных данных, принимающих предельные для программы значения. а также выходящие за допустимые пределы значения на входе.

Контрольные примеры (тесты) – это специально подобранные задачи, результаты которых заранее известны или могут быть определены без существенных затрат.

Наиболее простые способы получения тестов:

  • Подбор исходных данных, для которых несложно определить результата вычислений вручную или расчетом на калькуляторе.
  • Использование результатов, полученных на других ЭВМ или по другим программам.
  • Использование знаний о физической природе процесса, параметры которого определяются, о требуемых и возможных свойствах рассчитываемой конструкции. Хотя точное решение задачи заранее известно, суждение о порядке величин позволяет с большой вероятностью оценить достоверность результатов.

Что такое отладка?

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

Start Debugging

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.

Select a Debug build

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.

Select a Release build

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.

Связанный контент

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 программ

Внутрисхемный эмулятор с отображением переменных языка программирования на дисплее компьютера оказывает значительную помощь при отладке программ непосредственно на разрабатываемой аппаратуре. Этот метод отладки предоставляет наиболее удобную среду, когда можно непосредственно в отлаживаемом устройстве останавливать программу, контролировать выполнение программы непосредственно по исходному тексту программы, состояние внешних портов и внутренних переменных, как входящих в состав микросхемы, так и объявленных при написании исходного текста программы. Отметим, что при отладке программы с использованием внутрисхемного эмулятора необходимо включать в объектные модули символьную информацию. Необходимое для отладки программ оборудование показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Пример системы отладки программного обеспечения для микроконтроллеров.

До недавнего времени внутрисхемный эмулятор являлся отдельным устройством, подключаемым к разрабатываемой плате вместо микроконтроллера. В состав современных микроконтроллеров часто входит встроенный внутрисхемный эмулятор. При этом наиболее удобным интерфейсом для связи с компьютером является JTAG интерфейс, хотя некоторые фирмы-производители микросхем предлагают свой интерфейс.

При использовании интегрированной среды программирования предоставляется удобный интерфейс, позволяющий легко отлаживать разрабатываемую программу. В настоящее время стандартом де-факто стал интерфейс, похожий на программную оболочку Visual C. Пример внешнего вида такой программной оболочки приведЈн на рисунке 2.

Рисунок 2. Пример внешнего вида отладчика интегрированной системы отладки программного обеспечения.

Встроенный программный отладчик, входящий в состав интегрированной среды программирования не позволяет проконтролировать работу аппаратуры, подключенной к внешним ножкам микроконтроллера, но значительно удешевляет отладочный комплекс, необходимый для написания программ для микроконтроллеров. Сигналы, которые должна подавать на микроконтроллер аппаратура задаются самим программистом (а значит уже на этом этапе возможно возникновение ошибок из-за неправильного понимания работы аппаратуры). Ручной ввод этих сигналов значительно замедляет процесс отладки программного обеспечения.

Внешний программный отладчик. В некоторых случаях используется не интегрированная среда программирования, а отдельный транслятор с выбранного языка программирования. В этом случае можно воспользоваться любой программой, эмулирующей выбранный тип микроконтроллера. Так как объектные форматы различных трансляторов несколько отличаются друг от друга, то в качестве входного файла используется загрузочный модуль в двоичном или гексадецимальном формате. В этих форматах отладочная информация полностью отсутствует, поэтому отладку в таких программах можно вести только с помощью встроенного дизассемблера и распечатанного (или открытого в другом окне) листинга программы. Естественно, что это ещЈ более неудобный способ отладки по сравнению с использованием интегрированной среды программирования и внутрисхемного эмулятора.

Программирование микросхемы. При использовании любого способа отладки программы, готовый загрузочный модуль записывается во внутреннюю память программ микроконтроллера при помощи программатора (который входит в состав многих современных микросхем микроконтроллеров). После этого ведЈтся тщательное тестирование разработанного устройства с целью обнаружения ошибок в схеме и программе этого устройства. Только после успешного прохождения этого тестирования программа считается полностью написанной и отлаженной.

При написании достаточно простых программ иногда для отладки программ используют только этот последний этап тестирования. Однако обнаружение, поиск и устранение ошибок при использовании только этого метода очень трудоЈмок! Это то же самое, что пытаться настроить аппаратуру без использования приборов!

Способы отладки программ.

Отладка программ заключается в проверке правильности работы программы и аппаратуры. Программа, не содержащая синтаксических ошибок тем не менее может содержать логические ошибки, не позволяющие программе выполнять заложенные в ней функции. Логические ошибки могут быть связаны с алгоритмом программы или с неправильным пониманием работы аппаратуры, подключЈнной к портам микроконтроллера.

Встроенный в состав интегрированной среды программирования отладчик позволяет отладить те участки кода программы, которые не зависят от работы аппаратуры, не входящей в состав микросхемы микроконтроллера. Обычно это относится к вычислению математических выражений или преобразованию форматов представления данных.

Для отладки программ обычно применяют три способа:

  1. Пошаговая отладка программ с заходом в подпрограммы;
  2. Пошаговая отладка программ с выполнением подпрограммы как одного оператора;
  3. Выполнение программы до точки останова.

Пошаговая отладка программ заключается в том, что выполняется один оператор программы и, затем контролируются те переменные, на которые должен был воздействовать данный оператор.

Если в программе имеются уже отлаженные подпрограммы, то подпрограмму можно рассматривать, как один оператор программы и воспользоваться вторым способом отладки программ.

Если в программе существует достаточно большой участок программы, уже отлаженный ранее, то его можно выполнить, не контролируя переменные, на которые он воздействует. Использование точек останова позволяет пропускать уже отлаженную часть программы. Точка останова устанавливается в местах, где необходимо проверить содержимое переменных или просто проконтролировать, передаЈтся ли управление данному оператору.

Практически во всех отладчиках поддерживается это свойство (а также выполнение программы до курсора и выход из подпрограммы). Затем отладка программы продолжается в пошаговом режиме с контролем локальных и глобальных переменных, а также внутренних регистров микроконтроллера и напряжений на выводах этой микросхемы.

Контроль данных при пошаговой отладке. При использовании встроенного отладчика программ для контроля переменных можно воспользоваться окном Watch. В большинстве случаев это намного выгоднее, чем использовать просмотр памяти данных. Переменные в этом окне отображаются в том формате, в котором они были объявлены в программе. Преобразование данных из одной формы представления в другую осуществляется встроенными средствами отладчика. Если же отладочная информация по какой либо причине была потеряна или программирование ведЈтся на языке программирования ассемблер, то состояние переменных можно проконтролировать просмотром содержимого внутренней и внешней памяти микроконтроллера. Для определения конкретной ячейки памяти микроконтроллера, занятой под переменную можно воспользоваться листингом, создаваемым редактором связей компилятора или самим компилятором, если не используется многомодульное программирование.

Практически все отладчики позволяют проконтролировать содержимое рабочих регистров текущего банка.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *