Отладка автономных программ

Тема 10 .

Компиляция и отладка программ. Технология .NET

Лекция 10 . 1

Отладка автономных программ

Основная:

Павловская Т.А. C #. Программирование на языке высокого уровня. Учеб. для вузов. – СПб: Питер, 2008 – 432 с.

Павловская Т.А., Щупако Ю.А. C / C ++. Структурное программирование, Питер, 2005. – 402 с.

Дополнительная:

Гросс К. С# 2008: Пер. с. анг. – СПб. БХВ-Петербург, 2009. – 576 с.

Троелсен Э. Язык программирования С# 2005 и платформа /NET 2.0:пер. с анг. – М:. ООО «И.Д. Вильямс, 2007. – 1168 с.

Вопросы:

1. Назначение отладки программы.

2. Средства отладки программ.

3. Разработка тестов для отладки программы.

1. Назначение отладки программы

Каким бы квалифицированным ни был программист, ошибки в программе практически неизбежны . Поэтому программист должен уметь обнаруживать ошибки в программе и устранять их.

Причины ошибок в программе:

- синтаксические нарушения при записи текста программы;

- недопонимание сущности задачи;

- ошибки выбора метода решения (например, нарушение сходимости ряда при определенных сочетаниях исходных данных);

- неправильная реализация алгоритма;

- описки при записи текста программы (вместо одного символа набран другой, пропущен оператор, вставлена «;» сразу после заголовка цикла и т.п.);

- незнание или неправильное применение спецификаций оборудования, языка программирования;

- воздействия внешней среды (некорректные действия пользователей программы, сбои оборудования) и др.

Ошибки можно подразделить на три категории.

Синтаксические ошибки трактуются как нарушения правил языка программирования при записи текста программы (ошибки несоответствия типов, неправильная запись операторов, нарушения парности скобок и другие).

Семантические (логические, смысловые) ошибки – это ошибки, связанные с содержательной стороной преобразования данных в программе. Часть ошибок этого вида является незначительными и несущественно влияют на работу программы, например, ошибка в тексте метки. Другие ошибки приводят к полной остановке выполнения программы ( фатальные ошибки ) или к существенным искажениям результатов обработки информации (невозможности применения программы по назначению) . Ошибки в результатах обработки могут присутствовать всегда или только при некоторых сочетаниях условий (при заранее неизвестных значениях исходных данных, состояний оборудования или операционной среды).

Исключительные ситуации возникают в ходе выполнения программы как в результате внешних воздействий (неготовности оборудования, сбоях в его работе, ошибок пользователя), так и смысловых ошибок в программе.

Не существует строгих и регулярных методов борьбы с ошибками в программе. Основным средством обнаружения и устранения ошибок в программе является отладка ( Debug ).

Отладка понимается как процесс обнаружения и устранения синтаксических и семантических ошибок, в том числе и ошибок, вызываемых исключительными ситуациями.

Синтаксические ошибки обнаруживает компилятор, их нахождение и устранение обычно не вызывает принципиальных трудностей. Так в ходе компиляции программы в окне Список ошибок отображается перечень ошибок. Окно по умолчанию располагается под редактором кода. Чтобы перейти к строке кода, в которой предположительно содержится ошибка, следует дважды щелкнуть по сообщению об ошибке.

Сообщения компилятора об ошибках являются понятными и описательными, но если проблему установить не удается, можно перейти на страницу справки по этому сообщению, нажав клавишу F1 при выбранном сообщении об ошибке в списке. На странице справки содержатся дополнительные сведения.

Диагностика синтаксических ошибок не идеальна, на самом деле текущая ошибка может являться следствием другой ошибки, а место реальной ошибки не всегда совпадает с указанным оператором.

В узком смысле под отладкой понимают устранение семантических ошибок в синтаксически корректной программе. Чаще всего не отлаженная программа на одних исходных данных работает правильно, на других - дает ошибочный результат. Искусство отладки состоит в том, чтобы обнаружить все ситуации, в которых работа программы приводит к некорректной работе.

При создании новой программы следует предполагать, что в ней , « как правило », имеются семантические ошибки. По сравнению с синтаксическими ошибками, устранение семантических ошибок намного сложнее, требует большего времени и значительных интеллектуальных усилий.

Задачей отладки является устранение ошибок в программе . Отладка включает выполнение следующих операций:

• определение наличия ошибки (тестирование),
• диагностика и локализация ошибки,
• устранение ошибки,
• повторное тестирование.

Тестирование – выполнение программы со специально подготовленными наборами данных (тестовыми наборами данных). Тесты можно подразделить на два вида: проверочные и диагностические . Проверочные тесты служат только для проверки правильности (неправильности) работы программ. А диагностические служат для локализации ошибок в программе.

Проверочный тест – это совокупность входных воздействий и соответствующая им совокупность эталонных значений результатов, на основании которых можно судить о правильности работы программы (соответствии программы требованиям).

Эталонные результаты можно получить на основе:

- ручных расчетов;

- расчетов с помощью математических пакетов, табличных процессоров;

- справочных таблиц;

- сравнения результатов работы программы с результатами работы других, аналогичных программ.

В некоторых случаях ошибки в результатах выполнения программы удается обнаружить на основе:

- «здравого смысла». Например, получение результата, выходящего за пределы допустимых значений величины (средний балл успеваемости курсантов больше 5);

- неправдоподобных результатов (средний балл по дисциплине АЯиП больше 4,5);

- нарушения логики изменения результатов при изменении исходных данных.

Если в ходе проверочного тестирования обнаруживается ошибка, то необходимо определить причину проявления ошибки и определить фрагмент кода программы, явившегося источником ошибки (локализация ошибки). Часто интегрированная среда указывает причины проявления фатальных ошибок (фатальная ошибка вызывает прекращение выполнения программы). Например, появляется сообщение « Индекс за пределами диапазона. Индекс должен быть положительным числом, а его размер не должен превышать размера коллекции. Имя параметра index ». В режиме запуска программы «Начать отладку» система укажет и место проявления ошибки. Однако место проявления не обязательно совпадает с фактической ошибкой в программе.

Более сложным является вариант, когда программа работает без фатальных ошибок, но результаты не соответствуют требуемым значениям. Диагностика ошибок в этом случае намного сложнее.

Диагностический тест – это совокупность входных воздействий и соответствующая им совокупность эталонных значений результатов, точки начала и окончания выполнения программы, на основании которых можно обнаружить ошибки в коде программы.

Диагностика выполняется тогда, когда в программе обнаружена ошибка. В процессе диагностики часто применяют прием пошагового выполнения кода программы с контролем изменения переменных. В программах с циклами желательно иметь средства пошагового выполнения цикла, начиная с некоторого числа их повторений.

Если тесты не обнаруживают ошибок или несоответствия требованиям, то можно сделать один из двух выводов:

• качество программы удовлетворительно;
• тесты не способны обнаружить ошибки.

Итак, цель отладки – выявить и устранить ошибки в программе, т.е. обеспечить работоспособность программы во всех предусмотренных режимах и условиях применения.

2. Средства отладки программ.

Visual Studio ( VS ) позволяет создавать приложения в двух конфигурациях: отладочной ( Debug ), используемой по умолчанию, и рабочей ( Release ). Можно определить и другие конфигурации, но эта возможность не рассматривается. Переключаться между конфигурациями можно с помощью меню Построение – Диспетчер конфигураций , в появившемся одноименном окне в раскрывающемся списке Активная конфигурация решений выбирают соответствующий вид.

Компиляцию программы можно осуществлять двумя способами: с подключением и без включения отладки.

По умолчанию при запуске приложения из интегрированной среды разработки ( IDE ) VS оно запускается с включением отладки . Это происходит:

при нажатии клавиши F 5;

при щелчке на кнопке с изображением зеленой стрелки и подписью Начать отладку в панели инструментов;

при выполнении команды Отладка – Начать отладку .

Запустить приложение без отладки можно путем выбора в меню Отладка - Запуск без отладки .

При сборке приложения в отладочной конфигурации и его запуске в режиме Отладка , происходит нечто более чем просто выполнение кода.

В отладочных сборках сохраняется символьная информация приложения , и IDE точно знает, что происходит при выполнении каждой строки кода. Под символьной информацией подразумевается отслеживание, например, имен переменных, которые используются в исходном коде, чтобы их можно было сопоставлять со значениями в компилированном коде, где не будет содержаться никакой читаемой человеком информации.

Эта информация хранится в pdb -файле, который находится в катале Debug , она позволяет IDE выполнять ряд полезных операций:

- выводить отладочную информацию;

- просматривать и редактировать значения переменных в области видимости во время выполнения приложения;

- приостанавливать и возобновлять выполнение программы;

- автоматически останавливать выполнение программы в определенных точках кода;

- построчно выполнять программу;

- следить за изменениями значений переменных во время выполнения приложения;

• вручную изменять значение переменных во время выполнения программы;

- выполнять тестовые вызовы функций.

В рабочей конфигурации код приложения оптимизируется, и выполнять все эти операции невозможно. Однако рабочие сборки работают быстрее и по окончании разработки приложения пользователям предоставляются именно они.

В целом процесс отладки производится либо путем прерывания выполнения программы, либо путем оставления пометок для осуществления анализа позже. Согласно терминологии VS , это означает, что приложение либо работает, либо находится в режиме останова, т.е. его обычное выполнение приостановлено.

Выполнение отладки в непрерывном (обычном) режиме

Для вывода отладочной информации по ходу выполнения программы предназначено специальное окно IDE Вывод ( Output ). Оно отображается выбором в меню Вид ( View ) подпункт пункта Вывод . Окно предоставляет информацию, касающуюся компиляции и выполнения кода, включая ошибки, которые были обнаружены во время компиляции. Его можно использовать и для отображения специальной диагностической информации, осуществляя вывод прямо в него.

В этом окне содержится раскрывающееся меню, из которого можно выбирать режимы Построение (Сборка, Build ) и Отладка . В этих режимах отображается информация, касающаяся, соответственно, только компиляции или только выполнения кода. В ходе выполнения программы можно выводить в окно Вывод промежуточные результаты преобразования для анализа хода выполнения вычислений.

В качестве альтернативы можно создавать журнальный файл и делать так, чтобы при выполнении приложения в нем фиксировалась нужная информация. Приемы для обеспечения такого поведения выглядят во многом так же, как и приемы записи в окно Вывод , но требуют понимания способов получения доступа к файловой системе из C # приложений.

Вывод отладочной информации

Вывод текста в окно Вывод во время выполнения прост. Вместо Console . WriteLine () используют специальные команды:

Debug . WriteLine ( )

Trace . WriteLine ( )

Эти команды функционируют почти одинаково, но с одним отличием: первая работает только в отладочных сборках, а вторая – и в отладочных и в рабочих сборках. Команда Debug . WriteLine () не компилируется в рабочую сборку.

Из одного исходного файла можно создавать две версии приложения. В отладочной версии будут отображаться диагностические сведения, а в рабочей накладных расходов не будет, и пользователи не будут видеть ненужные им сообщения.

Эти функции работают не так, как Console . WriteLine (). Они принимают только один строковый параметр для выводимого сообщения и не позволяют вставлять значения переменных с помощью синтаксиса { X } . Это означает, что для вставки значений переменных в строки должен применяться альтернативный прием, например, операция конкатенации + . При желании можно задавать второй строковый параметр, отвечающий за отображение категории, к которой относится выводимый текст. Такой подход позволяет упростить анализ выходных сообщений в окне Вывод , что может оказаться удобным в случае вывода похожих сообщений из разных мест приложения.

Для упрощения кода целесообразно вставить в начале программы директиву подключения пространства имен системной диагностики

using System . Diagnostics ;

Иначе потребуется полное указание имени

System . Diagnostics . Debug . WriteLine ();

Содержание вывода отладочной информации:

:

Например, оператор, в котором Func 1 является необязательным параметром, представляющим категорию:

Debug . WriteLine ("Добавление 1 к i ", " Func 1");

приведет к получению такого сообщения:

Func 1: Добавление 1 к i

Для вложения значений переменных в строки так же, как и в случае использования Console . WriteLine () , применяется string . Format ()

Debug . WriteLine ( string . Format ("Максимальное значение у элемента с индексом {0}", i );

Помимо функций WriteLine () существует еще и другие:

Debug . Write ( )

Trace . Write ( )

Обе эти функции подразумевают использование такого же синтаксиса, как и функции WriteLine (), но отличаются тем, что не добавляют символа конца строки.

Кроме того, существуют следующие команды:

Debug.WriteLineIf( )

Trace.WriteLineIf( )

Debug.WriteIf( )

Trace . WriteIf ( )

Каждая из них имеет те же параметры, что и ее, не содержащий If аналог, плюс один обязательный параметр, который предшествует всем остальным в списке. Этот параметр принимает значение типа Boolean (или выражение этого типа) и приводит к тому, что функция выводит текст только в том случае, если это значение равно true . Функции применяют для обеспечения вывода текста в окно Вывод с учетом условий. В случае несоблюдения этих условий, операторы не будут отображать отладочных сведений и окно Вывод не будет перегружаться лишней информацией.

Точки отслеживания ( трассировки )

Альтернативой выводу информации в окно Вывод является применение точек отслеживания (трассировки). Они являются средством VS , а не языка С#, но служат той же цели, что и функция Debug . WriteLine ( ) , позволяя выводить отладочную информацию без изменения в коде.

Для добавления точки трассировки следует:

1. Поместить курсор на строку, где требуется вставить точку трассировки. Точка трассировки будет обрабатываться перед выполнением этой строки кода;

2. Щелкнуть правой кнопкой мыши на строке кода и выбрать в контекстном меню пункт Точка останова - Вставить точку отслеживания .

3. Занести подлежащую выводу строку в текстовом поле диалогового окна При попадании в точку останова . Если на экран необходимо вывести и значение переменной, указать имя переменной в фигурных скобках.

4. Щелкнуть на кнопке ОК.

Слева от строки кода, содержащей точку трассировку, появится ромбовидный символ красного цвета, и сама строка станет отображаться с красной подсветкой.

Точки отслеживания (трассировки) являются разновидностью точек останова (и могут, как и точки останова, приводить к приостановке процесса выполнения приложения).

Существует еще одно окно, которое можно использовать для просмотра точек отслеживания. Оно открывается выбором меню Отладка – Окна – Точки останова и представляет собой общее окно для отображения точек останова (разновидностью которых являются точки отслеживания ). Его можно настраивать так, чтобы в нем отображалось больше сведений, касающихся точек трассировки, добавляя из доступного в нем раскрывающегося списка Столбцы ( Columns ) столбца При попадании .

Удалять или временно отключать точки трассировки можно щелкая на них правой кнопкой мыши в окне кода, либо снимая с них отметки окне Точки останова . На то, что точка трассировки включена, в окне Точки останова указывает наличие напротив нее установленной отметки; отключенные точки трассировки не имеют таких отметок, и отображаются в окне кода в виде контурного, а не сплошного ромба.

Особенности точек отслеживания:

1. Точки отслеживания не включаются в состав приложения. Они обрабатываются Visual Studio и не присутствуют в рабочей версии приложения. Видеть их в работе можно только во время выполнения приложения в отладчике VS .

2. Точки отслеживания легко добавлять в приложения, когда они необходимы, и просто удалять. Для удаления точки отслеживания достаточно щелкнуть на соответствующем красном ромбе.

Рекомендации по применению способов вывода отладочной информации:

вывод диагностической информации. Эту метод лучше применять в случаях, когда нужно, чтобы выводимые отладочные данные всегда выводились из приложения, особенно когда выводимая строка является сложной и содержит несколько переменных или много информации. Команды Trace зачастую оказываются единственно возможным вариантом при необходимости вывода информации во время выполнения приложения в режиме Release .

точки трассировки. Эту метод лучше применять при отладке приложения для быстрого вывода информации, которая может помочь в исправлении ошибок.

Выполнение отладки в режиме останова

В режим останова ( Break ) можно перейти несколькими способами.

Простой способом перехода – щелчок на кнопке паузы в IDE во время выполнения приложения. Эта кнопка находится в панели инструментов Отладка , панель можно добавить к другим панелям, которые отображаются по умолчанию.

Первые четыре кнопки в этой панели инструментов позволяют вручную управлять остановом. Активная по умолчанию кнопка называется Начать отладку ( Start ) и идентична кнопке, предлагаемой в стандартной панели инструментов.

После запуска приложения три следующих кнопки за Начать отладку , которые были неактивными, становятся доступны и позволяют:

- приостановить приложение и перейти в режим останова (режим Приостановить все , Break );

- полностью останавливать приложение (без перехода в режим Break , т.е. просто выйти из приложения);

- запустить приложение заново.

Точки останова

Точка останова ( breakpoint ) представляет собой отметку в исходном коде, которая приводит к автоматическому переходу в режим Приостановить все . Эти точки можно настраивать так, чтобы они позволяли приложению:

- переходить в режим Break при достижении точки останова;

- переходить в режим Break при достижении точки останова только в случае, если булевское выражение равно true ;

- переходить в режим Break при достижении точки останова определенное количество раз;

- переходить в режим Break при достижении точки останова в случае, если с момента последнего достижения точки останова значение переменной изменилось;

- выводить текст в окно Вывод.

Выполнение всех этих действий возможно только в отладочных сборках. При компиляции рабочей сборки все точки останова игнорируются.

Простые точки останова, предусматривающие перевод приложения в режим Break при достижении соответствующей строки, добавляются, например, щелчком правой кнопки мыши на строке кода и выбором в контекстном меню пункта Точка останова – Вставить точку останова . Точка останова отображается в виде красного круга рядом с указанной строкой кода, которая подсвечивается.

Информацию о точках останова можно просматривать с помощью окна Точки останова . Это окно применяют:

- для отключения точек останова (снимая отметки, отображающиеся слева от их описания). Отключенные точки останова будут иметь вид не закрашенных красных кружков;

- для удаления точек останова;

- для редактирования свойств.

Столбец При попадании отображается в этом окне по умолчанию, является одним из доступных столбцов. Редактировать свойства можно путем выполнения щелчка правой кнопкой мыши на требуемой точке (как в этом окне, так и непосредственно в окне кода) и выбора в контекстном меню, соответствующего пункта.

Выбор пункта Условие приводит к отображению диалогового окна Условие точки останова ( Breakpoint Condition ).

В этом диалоговом окне можно вводить булевское выражение, в котором задействованы любые переменные, лежащие в области видимости данной точки останова. На рисунке показано выражение, согласно которому точка останова должна срабатывать при ее достижении только в том случае, если значение переменной kol_k больше 3.

Выбор пункта Число попаданий приводит к отображению диалогового окна, в котором можно задать различные варианты количества проходов точки останова, после которого она должна срабатывать.

Точка останова с установленными дополнительными свойствами (вроде условия или количества прохождений) отображается несколько иначе. Вместо простого красного кружка конфигурированная точка останова отображается в виде красного кружка, содержащего внутри выделенный белым цветом знак + . Наличие этого знака позволяет сразу видеть, какие точки останова будут сразу же приводить к переходу в режим Break , а какие - только при определенных обстоятельствах.

Существуют еще два способа для перехода в режим Break . Первый подразумевает переход при выдаче необрабатываемого исключения. Второй способ подразумевает переход в режим останова при генерации утверждения ( assertion ).

В режиме Break можно использовать разнообразные приемы анализа кода и состояния приложения в точке останова.

Мониторинг содержимого переменных

Простейший способ проверки значения переменной предусматривает наведение курсора мыши на ее имя в исходном коде. Это приводит к отображению всплывающей подсказки желтого цвета, содержащей информацию о переменной и ее текущем значении.

Подобным образом можно выделять выражения и получать информацию об их результатах. Для сложных значений вроде массивов можно разворачивать записи в подсказке и просматривать отдельные детали элементов.

При запуске приложения компоновка некоторых окон в IDE изменяется.

Одно из новых окон появляется в нижнем левом углу. Оно позволяет наблюдать за значениями переменных в приложении в режиме Break .

Вкладка Видимые ( Autos ). Отображает все переменные, которые используются в текущем и предшествующих ему операторах.

Вкладка Локальные ( Locals ). Отображает все переменные, которые находятся в области видимости.

Вкладка Контрольные значения ( Watch N). Отображает выбранные переменные и выражения (где под N подразумевается одна из тех четырех версий, которые доступны в Отладка – Окна - Контрольные значения ( Debug – Windows - Watch ). Это окно можно вызвать в режиме останова выполнения программы.

Все вкладки работают почти одинаково. Каждая из них содержит список переменных - имя, значение и тип каждой из них. Для сложных переменных, наподобие массивов, предусмотрены символы разворачивания и сворачивания дерева (+ и -), которые отображаются слева от их имени и позволяют получать доступ к древовидному представлению их содержимого. На рисунке показан пример вкладки Локальные. Здесь можно редактировать содержимое переменных. Делается это вводом нового значения в столбце Значение .

Пошаговое выполнение кода

В режиме Break можно выполнять код в пошаговом режиме и просматривать результаты, к которым приводит выполнение каждой строки кода. После перехода в режим Break слева от кода появляется курсор в виде желтой стрелки, который первоначально отображается внутри кружка красного цвета, представляющего точку останова, и указывает на строку, которая должна выполняться следующей. Начиная с этой точки, выполнение кода можно продолжать построчно. Варианты пошагового выполнения:

- Шаг с обходом (клавиша F 10) предусматривает пропуск вложенных блоков кода, кода функций включительно;

- Шаг с заходом (клавиша F 11) позволяет выполнять данный оператор и переходить к следующему оператору, который подлежит выполнению;

- Шаг с выходом ( Shift + F 11) позволяет переходить сразу к концу блока кода и возобновлять режим Break со следующего за ним оператора. При случайном переходе к функции, код которой не представляет интереса, можно воспользоваться режимом Шаг с выходом для возврата в код, где функция вызывалась.

3. Разработка тестов для отладки программы

Рекомендации по организации тестирования:

1. Ожидаемые результаты выполнения теста должны прогнозироваться до его выполнения.

2. Следует проверять работу программы при правильных исходных данных и при данных, содержащих ошибки.

3. Не следует изменять программу для облегчения тестирования.

4. Тесты надо проектировать так, чтобы достигалась высокая вероятность обнаружения ошибки, а не демонстрация правильного выполнения программы..

Рекомендации по составлению тестов для проверки правильности обработки исходных данных

Если условие ввода параметра х задает диапазон xmin … xmax , то тестовые варианты охватывают значения xmin , xmax , значения чуть левее xmin и чуть правее xmax .

Если условие ввода параметра х задает множество значений ( a , b , c ), то тестовые варианты должны проверять работу при минимальном и максимальном значении параметра, при значениях чуть меньше минимального и чуть больше максимального значений.

Если внутренние структуры данных имеют определенные границы, то следует проверить эти структуры на их границах.

Если данные в программе представляют множество значений, то надо тестировать обработку первого и последнего элементов; при наличии одного и «максимального» количества элементов; упорядоченных (по возрастанию, убыванию), неупорядоченных элементов.

Проверка логических условий программы, т.е. правильность конструкций вида

If e 1 «оператор отношения» е2 then … else …

Сложное условие рассматривается как совокупность простых условий.

Каждое простое условие проверяется тремя тестами, которые формируют значение:

е1, большее, чем е2;

е1, равное е2;

е1, меньшее, чем е2.

Тесты для циклов с фиксированным числом п повторений:

- только один проход цикла;

- два прохода цикла;

- п -1 проходов цикла;

- п проходов цикла;

- попытка п +1 прохода цикла.

Тесты для итерационных циклов:

- проверка с различными значениями точности вычислений;

Вопросы для самоподготовки

1. Источники ошибок в программах и результатах их выполнения.

2. Назначение и возможности отладки программ.

3. Понятие проверочного и диагностического теста.

4. Средства языка С # для выдачи отладочной информации.

5. Средства интегрированной среды разработки программ для выдачи отладочной информации.

6. Рекомендации по составлению проверочных тестов.

7. Разработка предложений по составлению проверочных тестов для курсовой работы.