Процесс поиска ошибок в программе
Ошибки в программах могут допускаться от самого начального этапа составления алгоритма решения задачи до окончательного оформления программы. Разновидностей ошибок достаточно много. Рассмотрим некоторые группы ошибок и соответствующие примеры:
Рассмотрим более подробно некоторые из вышеприведенных видов ошибок.
Синтаксические ошибки
Синтаксические ошибки зачастую выявляют уже на этапе трансляции. К сожалению, многие ошибки других видов транслятор выявить не в силах, т.к. ему не известен задуманный или требуемый результат работы программы.
Примерами синтаксических ошибок является:
- отсутствие знака пунктуации;
- несоответствие количества открывающих и закрывающих скобок;
- неправильно сформированный оператор;
- неправильная запись имени переменной;
- ошибка в написании служебных слов;
- отсутствие условия окончания цикла;
- отсутствие описания массивов и т.п.
Синтаксическая ошибка «Не задан идентификатор»:
Ошибки, которые не обнаруживает транслятор
В случае правильного написания операторов в программе может присутствовать большое количество ошибок, которые транслятор не может обнаружить. Рассмотрим примеры таких ошибок:
Готовые работы на аналогичную тему
- после проверки заданного условия неправильно указана ветвь алгоритма;
- неполный перечень возможных условий при решении задачи;
- один или более блоков алгоритма в программе пропущен.
Ошибки в циклах:
- неправильно указано начало цикла;
- неправильно указаны условия окончания цикла;
- неправильно указано количество повторений цикла;
- использование бесконечного цикла.
Ошибки ввода-вывода; ошибки при работе с данными:
- неправильно задан тип данных;
- организовано считывание меньшего или большего объёма данных, чем нужно;
- неправильно отредактированы данные.
Ошибки в использовании переменных:
- используются переменных, для которых не указаны начальные значения;
- ошибочно указана одна переменная вместо другой.
Ошибки при работе с массивами:
- пропущено предварительное обнуление массивов;
- неправильное описание массивов;
- индексы массивов следуют в ошибочном порядке.
Ошибки в арифметических операциях:
- неправильное использование типа переменной (например, для сохранения результата деления используется целочисленная переменная);
- неправильно определен порядок действий;
- выполняется деление на нуль;
- при расчете выполняется попытка извлечения квадратного корня из отрицательного числа;
- не учитываются значащие разряды числа.
Ошибка в арифметических операциях «Деление на нуль»:
Все вышеописанные ошибки можно обнаружить методом тестирования.
Сопровождение программы
Сопровождением программ называются работы по обслуживанию программ в процессе их эксплуатации.
В случае многократного использования разработанной программы для решения различных задач определенного класса требуется проведение таких дополнительных работ, как:
- при обнаружении ошибок работы программы они должны исправляться;
- при изменении требований эксплуатации необходимая модификация программы;
- выполнение доработки программы с целью решения конкретных задач;
- выполнение дополнительных тестовых расчетов;
- внесение исправлений в рабочую документацию;
- улучшение программы и т.д.
При проведении работ по сопровождению многих программ стоимость этого сопровождения превышает половину затрат, которые приходятся на весь период времени существования программы (от разработки начального алгоритма до морального ее устаревания).
Программа, которая предназначена для длительной эксплуатации, должна сопровождаться соответствующей документацией и инструкцией по ее использованию.
Если вы выполняли все задания для самостоятельной работы, то, наверное, уже заметили, что при написании программного кода допустить ошибку очень просто. Одна из задач разработчика - найти такие ошибки и устранить их (или обеспечить перехват ошибок времени выполнения и нормальную работу приложения даже в случае возникновения этих ошибок).
Все ошибки можно разделить на три большие группы:
- синтаксические (неправильно написан оператор, имя переменной и т. п.). Такие ошибки не требуют больших усилий по их поиску и исправлению. Многие синтаксические ошибки "отлавливаются" редактором кода VBA еще в процессе ввода кода. Об обнаружении других ошибок сообщается в ходе компиляции и запуска программы. При этом компилятор VBA выдает информацию о том, в какой строке кода обнаружена ошибка и в чем она заключается. Рекомендуется проверить данную строку по справке VBA;
- логические. В ходе выполнения программа ведет себя не так, как вы планировали. Главное здесь — найти причину неправильного поведения программы. Обычно для выявления и исправления ошибок такого типа предназначены приемы отладки;
- ошибки времени выполнения (run-time error). Они возникают, когда в процессе выполнения программа столкнулась с проблемой, решить которую она не в состоянии (файл с таким именем уже существует, возник конфликт записей при вставке в базу данных, произведена попытка записать информацию на переполненный диск и т. п.). Заранее предугадать, какая именно неприятность может случиться, очень сложно. Во многом квалификация программиста определяется тем, как он умеет предугадывать возможности возникновения ошибок времени выполнения и обеспечивать
их перехват и обработку.
Если программа делается "для себя" (для автоматизации работы того пользователя, который пишет эту программу), то очень часто перехват ошибок времени выполнения вообще не предусматривается. Возникла ошибка – ничего страшного: открыли программу в отладчике, посмотрели, отчего возникла ошибка, и "исправились". Но если программа пишется для передачи другим пользователям (особенно не очень квалифицированным), то на реализацию обработки ошибок времени выполнения обычно уходит больше времени, чем на создание самой логики программы.
Окна Immediate, Locals и Watch
Главный способ обеспечения безошибочной работы программы - это ее тестирование. При создании крупных программных продуктов на их тестирование часто уходит не меньше времени, чем на создание. Поскольку в наших условиях рассчитывать на то, что тестировать вашу программу будет профессиональный тестер, не приходится, проверять ее придется вам самим. Приведу некоторые советы по тестированию:
- попытайтесь запустить программу при работе с большим количеством документов или когда не открыто ни одного документа;
- посмотрите, как работает программа, когда окно документа развернуто, свернуто или размер его изменен;
- проверьте, как работает программа, когда выделены разные элементы или группы элементов;
- если предусматривается ввод информации, попробуйте специально передать программе неверные значения. Например, если программа ожидает числовых значений, попробуйте ввести строковое значение, значение даты или оставить поле пустым;
- попробуйте прервать работу программы в самый неподходящий момент и потом вновь запустить ее;
- проверьте, как ведет себя программа, когда пропадает сеть, заканчивается свободное место на диске, заканчивается бумага в принтере и т. п.;
- проверьте работу программы под разными версиями Office и операционных систем (в том числе англоязычных и локализованных);
- попробуйте до запуска программы и во время ее работы переставлять системную дату и время, устанавливая самые невероятные значения. Если есть возможность, всегда рекомендуется немного поработать, выполняя обязанности пользователя, для которого создается программа.
Мне очень нравится "диверсионный" подход при тестировании программ. Представьте себе, что вы - вредитель и диверсант, у которого цель- вывести программу из строя. Потом опробуйте те способы, которые вам пришли в голову. Если способ оказался удачным, придумайте для него защиту. Как ни удивительно, но реальная работа пользователей с вашей программой будет очень похожа на действия таких диверсантов.
Отладка программы – это процесс поиска и устранения ошибок. Часть ошибок формального характера, связанных с нарушением правил записи конструкций языка или отсутствием необходимых описаний, обнаруживает транслятор, производя синтаксический анализ текста программы. Транслятор выявляет ошибки и сообщает о них, указывая их тип и место в программе. Такие ошибки называются ошибками времени трансляции или синтаксическими ошибками.
Ошибочные ситуации могут возникнуть и при выполнении программы, например, деление на нуль или извлечение корня квадратного из отрицательного числа. Такие ошибки называются ошибками времени выполнения.
Программа, не имеющая ошибок трансляции и выполнения, может и не дать верных результатов из-за логических ошибок в алгоритме, т. е. алгоритмических или семантических ошибок. Ошибки подобного рода могут возникнуть на любом этапе разработки программы: постановки задачи, разработке математической модели или алгоритма. Необходим действенный контроль над процессом вычислений, позволяющий предотвращать или своевременно обнаруживать ошибки подобного рода. Для этого используются как качественный анализ задачи, основанный на различного рода интуитивных соображениях и правдоподобных рассуждениях, так и контрольный просчет или тестирование программы.
Тестирование программы – это выполнение программы на наборах исходных данных (тестах), для которых известны результаты, полученные другим методом. Система тестов подбирается таким образом, чтобы
а) проверить все возможные режимы работы программы;
б) по возможности, локализовать ошибку.
При тестировании программы простой и действенный метод дополнительного контроля над ходом её выполнения – получение контрольных точек, т. е. контрольный вывод промежуточных результатов.
Для проверки правильности работы программы иногда полезно также выполнить проверку выполнения условий задачи (например, для алгебраического уравнения найденные корни подставляются в исходное уравнение и проверяются расхождения левой и правой частей).
33. ВИДЫ ОШИБОК В ПРОГРАММАХ
Об ошибках в программе сигнализируют некорректная работоспособность программы либо ее полное невыполнение. В наше время для обозначения ошибки в программе используют термин «Баг» (с англ. Bug-жук).
Есть несколько типов ошибок:
1) Логическая ошибка. Это, пожалуй, наиболее серьезная из всех ошибок. Когда написанная программа на любом языке компилирует и работает правильно, но выдает неправильный вывод, недостаток заключается в логике основного программирования. Это ошибка, которая была унаследована от недостатка в базовом алгоритме. Сама логика, на которой базируется вся программа, является ущербной. Чтобы найти решение такой ошибки нужно фундаментальное изменение алгоритма. Вам нужно начать копать в алгоритмическом уровне, чтобы сузить область поиска такой ошибки. (пример: задача программы вывести сумму двух чисел а и b.
varc,a,b:integer;
2) Синтаксическая ошибка.Каждый компьютерный язык, такой как C, Java, Perl и Python имеет специфический синтаксис, в котором будет написан код. Когда программист не придерживаться "грамматики" спецификациями компьютерного языка, возникнет ошибка синтаксиса. Такого рода ошибки легко устраняются на этапе компиляции.
3) Ошибка компиляции.Компиляция это процесс, в котором программа, написанная на языке высокого уровня, преобразуется в машиночитаемую форму. Многие виды ошибок могут происходить на этом этапе, в том числе и синтаксические ошибки. Иногда, синтаксис исходного кода может быть безупречным, но ошибка компиляции все же может произойти. Это может быть связано с проблемами в самом компиляторе. Эти ошибки исправляются на стадии разработки.
vara:array[1..5] of integer;
6) Ошибки ресурса. Ошибка ресурса возникает, когда значение переменной переполняет максимально допустимое значение. Переполнение буфера, использование неинициализированной переменной, нарушение прав доступа и переполнение стека - примеры некоторых распространенных ошибок.
vara:integer;
7) Ошибка взаимодействия. Они могут возникнуть в связи с несоответствием программного обеспечения с аппаратным интерфейсом или интерфейсом прикладного программирования. В случае веб-приложений, ошибка интерфейса может быть результатом неправильного использования веб-протоколов
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.
Отладка программы - один их самых сложных этапов разработки программного обеспечения.
9.1. Классификация ошибок
Отладка — это процесс локализации и исправления ошибок, обнаруженных при тестировании программного обеспечения. Локализацией называют процесс определения оператора программы, выполнение которого вызвало нарушение нормального вычислительного процесса. Для исправления ошибки необходимо определить ее причину, т. е. определить оператор или фрагмент, содержащие ошибку. Причины ошибок могут быть как очевидны, так и очень глубоко скрыты.
В соответствии с этапом обработки, на котором проявляются ошибки, различают (рис. 9.1):
синтаксические ошибки - ошибки, фиксируемые компилятором (транслятором, интерпретатором) при выполнении синтаксического и частично семантического анализа программы;
ошибки компоновки — ошибки, обнаруженные компоновщиком (редактором связей) при объединении модулей программы;
ошибки выполнения - ошибки, обнаруженные операционной системой, аппаратными средствами или пользователем при выполнении программы.
Рис. 9.1. Классификация ошибок по этапу обработки программы
Синтаксические ошибки относят к группе самых простых, так как синтаксис языка, как правило, строго формализован, и ошибки сопровождаются развернутым комментарием с указанием ее местоположения. Определение причин таких ошибок, как правило, труда не составляет, и даже при нечетком знании правил языка за несколько прогонов удается удалить все ошибки данного типа.
Следует иметь в виду, что чем лучше формализованы правила синтаксиса языка, тем больше ошибок из общего количества может обнаружить компилятор и, соответственно, меньше ошибок будет обнаруживаться на следующих этапах. В связи с этим говорят о языках программирования с защищенным синтаксисом и с незащищенным синтаксисом. К первым, безусловно, можно отнести Pascal, ко вторым - С со всеми его модификациями.
Ошибки компоновки, как следует из названия, связаны с проблемами, обнаруженными при разрешении внешних ссылок. Например, предусмотрено обращение к подпрограмме другого модуля, а при объединении модулей данная подпрограмма не найдена или не стыкуются списки параметров. В большинстве случаев ошибки такого рода также удается быстро локализовать и устранить.
К самой непредсказуемой группе относятся ошибки выполнения. Прежде всего они могут иметь разную природу, и соответственно по-разному проявляться. Часть ошибок обнаруживается и документируется операционной системой. Выделяют четыре способа проявления таких ошибок:
• несовпадение полученных результатов с ожидаемыми.
Причины ошибок выполнения очень разнообразны, а потому и локализация может оказаться крайне сложной. Все возможные причины ошибок можно разделить на следующие группы:
• неверное определение исходных данных,
• накопление погрешностей результатов вычислений.
Неверное определение исходных данных происходит, если возникают любые ошибки при выполнении операций ввода-вывода.
Логические ошибки имеют разную природу. Так они могут следовать из ошибок, допущенных при проектировании, например, при выборе методов, разработке алгоритмов или определении структуры классов, а могут быть непосредственно внесены при кодировании модуля. К последней группе относят:
• ошибки некорректного использования переменных,
• ошибки межмодульного интерфейса,
• другие ошибки кодирования.
Накопление погрешностей результатов числовых вычислений возникает, например, при некорректном отбрасывании дробных цифр чисел, некорректном использовании приближенных методов вычислений, игнорировании ограничения разрядной сетки представления вещественных чисел в ЭВМ и т. п.
9.2. Методы отладки программного обеспечения
Большинство ошибок можно обнаружить по косвенным признакам посредством тщательного анализа текстов программ и результатов тестирования без получения дополнительной информации. При этом используют различные методы:
Метод ручного тестирования.
Это - самый простой и естественный способ данной группы. При обнаружении ошибки необходимо выполнить тестируемую программу вручную, используя тестовый набор, при работе с которым была обнаружена ошибка.
Метод очень эффективен, но не применим для больших программ, программ со сложными вычислениями и в тех случаях, когда ошибка связана с неверным представлением программиста о выполнении некоторых операций. Данный метод часто используют как составную часть других методов отладки.
Самый ответственный этап - выявление симптомов ошибки. Организуя данные об ошибке, целесообразно записать все, что известно о ее проявлениях, причем фиксируют, как ситуации, в которых фрагмент с ошибкой выполняется нормально, так и ситуации, в которых ошибка проявляется. Если в результате изучения данных никаких гипотез не появляется, то необходима дополнительная информация об ошибке. Дополнительную информацию можно получить, например, в результате выполнения схожих тестов.
В процессе доказательства пытаются выяснить, все ли проявления ошибки объясняет данная гипотеза, если не все, то либо гипотеза не верна, либо ошибок несколько.
По методу дедукции вначале формируют множество причин, которые могли бы вызвать данное проявление ошибки. Затем, анализируя причины, исключают, те, которые противоречат имеющимся данным. Если все причины исключены, то следует выполнить дополнительное тестирование исследуемого фрагмента. В противном случае наиболее вероятную гипотезу пытаются доказать. Если гипотеза объясняет полученные признаки ошибки, то ошибка найдена, иначе - проверяют следующую причину.
Метод обратного прослеживания.
Для небольших программ эффективно применение метода обратного прослеживания. Начинают с точки вывода неправильного результата. Для этой точки строится гипотеза о значениях основных переменных, которые могли бы привести к получению имеющегося результата. Далее, исходя из этой гипотезы, делают предположения о значениях переменных в предыдущей точке. Процесс продолжают пока не обнаружат причину ошибки.
9.3. Методы и средства получения дополнительной информации
Для получения дополнительной информации об ошибке можно выполнить добавочные тесты или использовать специальные методы и средства
• интегрированные средства отладки,
Метод требует включения в программу дополнительного отладочного вывода в узловых точках. Узловыми считают точки алгоритма, в которых основные переменные программы меняют свои значения. При этом предполагается, что, выполнив анализ выведенных значений, программист уточнит момент, когда были получены неправильные значения, и сможет сделать вывод о причине ошибки.
Данный метод не очень эффективен и в настоящее время практически не используется.
Интегрированные средства отладки.
Большинство современных сред программирования (Delphi, Builder C++, Visual Studio и т. д.) включают средства отладки, которые обеспечивают максимально эффективную отладку. Они позволяют:
• выполнять программу по шагам, причем как с заходом в подпрограммы, так и выполняя их целиком,
• предусматривать точки останова,
• выполнять программу до оператора указанного курсором и т.п..
Отладка с использованием независимых отладчиков.
При программировании программ иногда используют специальные программы - отладчики, которые позволяют выполнить любой фрагмент программы в пошаговом режиме и проверить содержимое интересующих программиста переменных. Как правило, такие отладчики позволяют отлаживать программу только в машинных командах, представленных в 16-ричном коде.
9.4. Общая методика отладки программного обеспечения
Суммируя все сказанное выше, можно предложить следующую методику отладки программного обеспечения, написанного на универсальных языках программирования для выполнения в операционных системах MS DOS и Win32:
Если ошибка не найдена или система просто «зависла», переходят ко второму этапу.
2 этап- локализация ошибки - определение конкретного фрагмента, при выполнении которого произошло отклонение от предполагаемого вычислительного процесса. При этом, если были получены неправильные результаты, то в пошаговом режиме проверяют ключевые точки процесса формирования данного результата.
Как подчеркивалось выше, ошибка не обязательно допущена в том месте, где она проявилась. Если в конкретном случае это так, то переходят к следующему этапу.
3 этап - определение причины ошибки - изучение результатов второго этапа и формирование версий возможных причин ошибки. Эти версии необходимо проверить, возможно, используя отладочные средства для просмотра последовательности операторов или значений переменных.
4 этап - исправление ошибки - внесение соответствующих изменений во все операторы, совместное выполнение которых привело к ошибке.
5 этап - повторное тестирование - повторение всех тестов с начала, так как при исправлении обнаруженных ошибок часто вносят в программу новые.
Отладка программы – это процесс поиска и устранения ошибок в программе, который производится после её прогона на компьютере.Тестирование – это процесс проверки правильности работы всей программы или ее составных частей.
Отладка производится для локализации и устранения синтаксических ошибок и явных ошибок кодирования. При тестировании проводится проверка работоспособности программы, которая не содержит явных ошибок. При тестировании устанавливается факт наличия ошибок, а отладка проводится для выяснения ее причины.
Термин debugging (с англ – отладка) дословно обозначает «вылавливание жучков». Он появился в 1945 г. после случая, когда компьютер «Марк-1» прекратил работу вследствие попадания в его электрические цепи мотылька, который заблокировал одно из реле вычислительной машины.
Отладка программы
В современных системах программирования (например, Turbo C, Turbo Pascal, Turbo Basic и др.) отладку осуществляет зачастую специальное программное средство – отладчик, который позволяет исследовать внутреннее поведение программы.
- выполнение пошагового исполнения программы с остановкой после каждого оператора;
- возможность просмотра текущего значения любой переменной или нахождения значения любого выражения; в случае необходимости можно задать новое значение переменной;
- можно установить в программе контрольные точки – точки, в которых программа временно прекращает свое выполнение. Это позволяет выполнить оценку промежуточных результатов и др.
При выполнении отладки программы нужно придерживаться следующих правил:
- на начальном этапе проведения отладки нужно использовать простые тестовые данные;
- возникающие ошибки устранять строго по очереди;
- помнить, что причина ошибок – не машина. Современные ПК и программы-трансляторы наделены достаточно высокой надежностью.
Готовые работы на аналогичную тему
Тест и тестирование
Если программа прошла отладку и явные ошибки не выявляются, пригодность программы для работы, которая является решающей характеристикой, устанавливает контроль программы по результатам ее выполнения на системе тестов.
Программу условно считают правильной, если при ее запуске для выбранных тестовых исходных данных она во всех случаях позволяет получать правильные результаты.
По замечанию известного теоретика программирования Э. Дейкстра, тестирование показывает только наличие ошибок, а не их отсутствие. Нередко бывает, что при вводе новых входных данных вызывается «отказ» или получают неверные результаты работы программы, которая была полностью отлажена.
Для выполнения тестирования должны быть подготовлены или заранее известны эталонные результаты, которые вычислять необходимо до получения машинных результатов, а не после. В обратном случае можно получить невольно подогнанные вычисляемые значения под желаемые, которые были ранее получены на машине.
Тестовые данные
Обеспечение проверки всех возможных условий возникновения ошибок должно ложится на правильно подобранные тестовые данные:
- должны обеспечить испытание каждой ветви алгоритма;
- при очередном тестовом прогоне должен выполняться контроль того, что еще не было протестировано при предыдущих прогонах;
- первый тест должен быть максимально простым для обеспечения проверки работы программы вообще;
- для снижения объема вычислений в тестах должны быть предельно упрощены арифметические операции;
- число элементов последовательностей, число проходов цикла, точность итерационных вычислений тестовых примеров должны задаваться с позиции сокращения объема вычислений;
- уменьшение количества вычислений не должна приводить к снижению надежности контроля;
- целенаправленность и системность тестирования, т.к. случайный выбор исходных данных может привести к трудностям в определении ожидаемых результатов ручным способом, к невозможности проверить многие ситуации;
- постепенное усложнение тестовых данных.
Рассмотрим на примере систему тестовых данных для задачи нахождения корней квадратного уравнения ax^2+bx+c=0:
Этапы процесса тестирования
Процесс тестирования зачастую делится на 3 этапа:
- Проверка в нормальных условиях – проведение тестирования на основе данных, характерных для реальных условий функционирования программы.
- Проверка в экстремальных условиях. В тестовые данные входят граничные значения области изменения входных переменных, воспринимающиеся программой как правильные данные. Типичные примеры таких значений: очень маленькие или очень большие числа; отсутствие данных; граничные объемы данных (например, массив из слишком малого или слишком большого числа элементов).
- Проверка в исключительных ситуациях проводится на значениях данных, которые лежат за пределами допустимой области изменений.
При подготовке тестовых данных и проведении тестирования нужно учитывать следующие моменты:
- каким будет результат работы программы, которая не рассчитана на обработку отрицательных или нулевых значений переменных, в случае обработки таких данных?
- каков будет результат работы программы, которая обрабатывает массивы, если число их элементов превысит величину, указанную в объявлении массива?
- что произойдет в случае слишком малых или слишком больших чисел?
Наихудшей ситуацией может быть случай, когда программа воспринимает неверные данные в качестве правильных, и выдает в результате неверный, но правдоподобный результат. При составлении программы нужно продумать вариант, чтобы она сама отвергала любые данные, которые она не в состоянии обрабатывать правильно.
Читайте также: