10 полезных советов для отладки и устранения неполадок в программировании

Несколькими тысячами строк кода позже, тот же самый проект может оказаться отягощенным ошибками, из-за которых добавление новых функций становится головной болью, и падает энтузиазм программистов. Лучшие разработчики знают, как найти и устранить ошибки, и придерживаются лучших практик в разработке программного обеспечения, чтобы свести к минимуму, в первую очередь, возникновение ошибок.

Ни один программист никогда не напишет абсолютно верный код, но с некоторой практикой и решимостью вполне возможно писать чистый код , сдерживать ошибки и разрабатывать надежные программные системы.

Ваш набор инструментов для борьбы с ошибками

1. Оператор печати

Инструмент номер один для отладки кода – это опробованный и верный способ вставки операторов печати. В качестве равнозначной замены, для случаев, когда операторов печати много, и ими трудно управлять, может быть использована система протоколирования вместо операторов печати. Во многих языках программирования для этого есть в свободном доступе специальные библиотеки, как, например, библиотека logging , встроенная в Python.

Операторы печати – это самый быстрый, простой и непосредственный для программиста способ инспектирования значений данных и типов переменных. Правильно размещенные операторы печати позволяют программисту отслеживать поток данных на участке кода и быстро определять источник ошибки.

Не имеет значения, сколько передовых технологий используется, скромный оператор печати должен быть первым инструментом, к которому обращается программист, когда пытается отладить участок кода.

2. Отладчик

Отладчики исходного кода доводят метод отладки с помощью операторов печати до его логического завершения. Они позволяют программисту отследить по шагам выполнение кода строка за строкой и инспектировать все, что угодно, начиная от значений переменных и заканчивая состоянием виртуальной машины.

Большинство языков программирования имеют множество доступных отладчиков, которые предлагают различные возможности, включая графические интерфейсы, настройки точек останова для приостановки выполнения программы, и выполнение произвольного кода внутри среды исполнения.

Применение отладчика может быть излишним во многих ситуациях, но при надлежащем использовании, отладчик может стать мощным и эффективным инструментом. Для лучшего понимания возможностей отладчика, познакомьтесь с отладчиком Python pdb .

3. Система отслеживания ошибок

Использование какой-либо системы отслеживания ошибок является жизненно важным условием для нетривиальных проектов по созданию программного обеспечения. Типичная ситуация, которая складывается, когда не используют систему отслеживания ошибок, такова: программисты вынуждены разбираться в старых е-мейлах или переписке в чате в поисках информации об ошибках, или того хуже — единственным хранилищем информации об ошибках является память программиста.

Когда такое случается, некоторые ошибки неизбежно остаются неисправленными, и что более важно, их труднее обнаружить и устранить другие, связанные с ними ошибки.

Простой текстовый файл может служить начальной системой отслеживания ошибок для проекта. С ростом объема кода количество ошибок выйдет за рамки текстового файла.

Существует большой выбор систем отслеживания ошибок в программном обеспечении, как коммерческих, так и с открытым исходным кодом. Самым важным критерием в выборе такой системы является доступность для сотрудников-непрограммистов, которым нужно работать с файлом ошибок.

4. Верификация программ

В некоторых языках программирования верификатор может проводить статический анализ кода для обнаружения проблемных мест до того, как код будет откомпилирован или выполнен, а в других языках верификатор полезен для проверки синтаксиса и стиля написания.

Исполнение программы верификации внутри редактора во время написания кода или прогон кода через верификатор до компиляции и выполнения помогает программистам находить и исправлять неисправности до того, как они переросли в ошибки в исполняемом программном обеспечении.

Использование верификации позволяет значительно сэкономить время по отслеживанию источника неисправности, вызванных синтаксическими ошибками, опечатками, и некорректными типами данных. Чтобы получить более полное представление о возможностях верификатора, посмотрите Pyflakes , верификатор для Python.

5. Контроль версий

Также как и использование системы отслеживания ошибок, применение системы контроля версии – это самая лучшая практика в разработке программного обеспечения, которая не может быть игнорирована при разработке любого проекта значительного размера.

Системы контроля версии, такие как Git , Mercurial и SVN , позволяют разным версиям базы кода быть разделенными, основываясь на том, над чем работают или кто разрабатывает код. Разные версии могут быть объединены вместе, поэтому несколько программистов могут работать с базой кода в одно то же время, не создавая ошибки, которые могли бы повлиять на ход работы остальных разработчиков.

Системы контроля версий играют ключевую роль еще и потому, что позволяют программистам откатить изменения до более ранней версии кода, просто возвратившись в состояние базы до появления ошибок, не допуская при этом других ошибок, за исправление которых пришлось бы дорого поплатиться.

6. Модульность

Плохо спроектированный код – это главный источник трудно исправляемых ошибок. Если код легко понять, и он может быть « выполнен » в уме или на бумаге, есть большая вероятность, что программисты смогут быстро находить и исправлять ошибки.

Самый лучший способ добиться этого – писать функции, выполняющие что-то одно. А вот участок кода с большим количеством функций имеет большую склонность к возникновению ошибок, которые сложно отслеживать.

Проектирование компонентов программного обеспечения, которые осуществляет только одну функцию, часто называется модульным дизайном. Модульность помогает программистам рассматривать системы программного обеспечения в двух измерениях. Во-первых, модульность создает уровень абстракции, позволяющий думать о модуле системы без понимания всех деталей его работы.

Например, программист, разрабатывающий систему электронной коммерции, мог бы, рассматривая модуль обработки кредитной карты, видеть, как он связан с остальным кодом, не вдаваясь в детали самой обработки кредитной карты. С другой стороны, детали модуля (в нашем примере того, который занимается обработкой кредитной карты) могут быть рассмотрены и поняты без обращения к не имеющему отношение к этому модулю коду.

7. Автоматизированные тесты

Модульные тесты и другие типы автоматизированных тестов идут рука об руку с модульным программированием.

Автоматизированный код – это участок кода, который выполняет программу с определенными входными параметрами и проверяет, соответствует ли поведение программы ожидаемому.

Модульные тесты проверяют функционирование отдельных функций или методов класса, в то время как функциональные тесты проверяют специфичное поведение всей программы, а интеграционные тесты проверяют большие части системы или всю систему в целом.

Существует много фреймворков для тестирования, которые делают написание тестов легче. Многие из известных фреймворков, используемых сегодня, были получены из библиотеки JUnit, написанной Кентом Бентом (Kent Bent), одним из первых сторонников идеи разработки через тестирование. Стандартная библиотека Python включает свою версию JUnit под именем PyUni или просто unittest .

8. Метод «Плюшевый мишка» (или отладка «Резиновая уточка»)

Если верить легендам программирования Брайану Кернигану и Робу Пайку (Brain Kernighan и Rob Pike), отладка по типу «Резиновая уточка» возникла в университетском компьютерном центре, где студенты должны были садиться напротив плюшевого мишки и объяснять ему их ошибки, прежде чем обращаться за помощью к живому человеку.

Этот метод отладки оказался настолько эффективным, что быстро распространился во всем мире разработки программного обеспечения, и также как простой оператор печати, продолжает существовать по сей день, несмотря на то, что есть, казалось бы, более сложные инструменты. Практически все может заменить плюшевого мишку: резиновые уточки, как терпеливые слушатели, тоже пользуются спросом.

Важной частью этого метода является то, что нужно объяснять код и проблему вслух в простых и понятных терминах. Есть подобная методика, которая также полезна – вести журнал программирования, в который нужно записывать мысли о коде до и после его реализации.

9. Пишите комментарии к коду

Комментарии должны объяснять цель кода на низком уровне. Должна существовать возможность легко ответить на вопросы о том, что строка кода делает и как она это делает, прочитав сам код. Это достигается путем написания читаемого кода, который разработан настолько просто, насколько это возможно, и использует осмысленные имена для функций и переменных.

Комментарии к коду должны заполнять пробелы информации в максимально возможной степени, отвечая на такие вопросы, как: почему используется конкретная реализация, или как данный участок кода взаимодействует с остальной частью программы.

Написание хороших комментариев – это отличная практика разработки программного обеспечения даже в свободном от ошибок коде, но когда ошибки появляются, комментарии помогут сэкономить массу времени, затрачиваемого на понимание кода, написанного несколько дней, недель или даже месяцев назад.

10. Пишите документацию

В то время как комментарии описывают код на низком уровне, с точки зрения программиста, программная документация описывает функционирование всей системы в доступной для пользователей форме. В зависимости от типа разрабатываемого программного обеспечения, документация может описывать интерфейсы программирования, графические интерфейсы или рабочие процессы.

Написание документации демонстрирует понимание программной системы, и часто указывает на те части системы, которые не до конца понятны и являются вероятным источником ошибок.

На пути к мастерству: избавляемся от ошибок

Программирование – это, прежде всего, искусство. И также как для любого другого вида искусства, путь к мастерству в нем вымощен трудолюбием и стремлением учиться. Работа по изучению программирования никогда не заканчивается. Всегда есть что-то новое для изучения и новые способы по улучшению.

Какими из этих 10 средств отладки вы пользуетесь сейчас? Какими вы могли бы начать пользоваться с сегодняшнего дня? Какие из этих инструментов требуют времени на практику и освоения новых навыков?

Программисты пользуются преимуществом, которым только некоторые другие мастера могут когда-либо воспользоваться: самые лучшие инструменты и знания о программировании свободно и бесплатно доступны для всех, кто заинтересован в этом вопросе. Вы можете стать профи в отладке кода: все, что вы должны сделать для этого – просто взять инструменты по отладке и приступить к работе.

Часть 3 – Отладка программы

В предыдущей части мы рассмотрели исходный код и его составляющие.

После того, как вы начнете проверять фрагменты кода или попытаетесь решить связанные с ним проблемы, вы очень скоро поймете, что существуют моменты, когда программа крашится, прерывается и прекращает работу.

Это часто вызвано ошибками, известными как дефекты или исключительные ситуации во время выполнения. Акт обнаружения и удаления ошибок из нашего кода – это отладка программы. Вы лучше разберетесь в отладке на практике, используя ее как можно чаще. Мы не только отлаживаем собственный код, но и порой дебажим написанное другими программистами.

Для начала необходимо рассортировать общие ошибки, которые могут возникнуть в исходном коде.

Синтаксические ошибки

Эти эрроры не позволяют скомпилировать исходный код на компилируемых языках программирования. Они обнаруживаются во время компиляции или интерпретации исходного кода. Они также могут быть легко обнаружены статическими анализаторами (линтами). Подробнее о линтах мы узнаем немного позже.

Синтаксические ошибки в основном вызваны нарушением ожидаемой формы или структуры языка, на котором пишется программа. Как пример, это может быть отсутствующая закрывающая скобка в уравнении.

Семантические ошибки

Отладка программы может потребоваться и по причине семантических ошибок, также известных как логические. Они являются наиболее сложными из всех, потому что не могут быть легко обнаружены. Признак того, что существует семантическая ошибка, – это когда программа запускается, отрабатывает, но не дает желаемого результата.

Рассмотрим данный пример:

По порядку приоритета, называемому старшинством операции, с учетом математических правил мы ожидаем, что сначала будет оценена часть умножения, и окончательный результат будет равен 33. Если программист хотел, чтобы сначала происходило добавление двух чисел, следовало поступить иначе. Для этого используются круглые скобки, которые отвечают за смещение приоритетов в математической формуле. Исправленный пример должен выглядеть так:

3 + 5, заключенные в скобки, дадут желаемый результат, а именно 48.

Ошибки в процессе выполнения

Как и семантические, ошибки во время выполнения никогда не обнаруживаются при компиляции. В отличие от семантических ошибок, эти прерывают программу и препятствуют ее дальнейшему выполнению. Они обычно вызваны неожиданным результатом некоторых вычислений в исходном коде.

Вот хороший пример:

Фрагмент кода выше будет скомпилирован успешно, но input 25 приведет к ZeroDivisionError. Это ошибка во время выполнения. Другим популярным примером является StackOverflowError или IndexOutofBoundError. Важно то, что вы идентифицируете эти ошибки и узнаете, как с ними бороться.

Существуют ошибки, связанные с тем, как ваш исходный код использует память и пространство на платформе или в среде, в которой он запущен. Они также являются ошибками во время выполнения. Такие ошибки, как OutOfMemoryErrorand и HeapError обычно вызваны тем, что ваш исходный код использует слишком много ресурсов. Хорошее знание алгоритмов поможет написать код, который лучше использует ресурсы. В этом и заключается отладка программы.

Процесс перезаписи кода для повышения производительности называется оптимизацией. Менее популярное наименование процесса – рефакторинг. Поскольку вы тратите больше времени на кодинг, то должны иметь это в виду.

Отладка программы

Вот несколько советов о том, как правильно выполнять отладку:

1. Использовать Linters. Linters – это инструменты, которые помогают считывать исходный код, чтобы проверить, соответствует ли он ожидаемому стандарту на выбранном языке программирования. Существуют линты для многих языков.
2. Превалирование IDE над простыми редакторами. Вы можете выбрать IDE, разработанную для языка, который изучаете. IDE – это интегрированные среды разработки. Они созданы для написания, отладки, компиляции и запуска кода. Jetbrains создают отличные IDE, такие как Webstorm и IntelliJ. Также есть NetBeans, Komodo, Qt, Android Studio, XCode (поставляется с Mac), etc.
3. Чтение кода вслух. Это полезно, когда вы ищете семантическую ошибку. Читая свой код вслух, есть большая вероятность, что вы зачитаете и ошибку.
4. Чтение логов. Когда компилятор отмечает Error, обязательно посмотрите, где он находится.

Двигаемся дальше

Поздравляем! Слово «ошибка» уже привычно для вас, равно как и «отладка программы». В качестве новичка вы можете изучать кодинг по книгам, онлайн-урокам или видео. И даже чужой код вам теперь не страшен

В процессе кодинга измените что-нибудь, чтобы понять, как он работает. Но будьте уверены в том, что сами написали.