Алгоритмические ошибки это ошибки

Цель лекции

Освоить работу с встроенным отладчиком, изучить категории ошибок, способы их обнаружения и устранения.

Тестирование и отладка программы

Чем больше опыта имеет программист, тем меньше ошибок в коде он совершает. Но, хотите верьте, хотите нет, даже самый опытный программист всё же допускает ошибки. И любая современная среда разработки программ должна иметь собственные инструменты для отладки приложений, а также для своевременного обнаружения и исправления возможных ошибок. Программные ошибки на программистском сленге называют багами (англ. bug — жук), а программы отладки кода — дебаггерами (англ. debugger — отладчик). Lazarus, как современная среда разработки приложений, имеет собственный встроенный отладчик, работу с которым мы разберем на этой лекции.

Ошибки, которые может допустить программист, условно делятся на три группы:

1. Синтаксические
2. Времени выполнения (run-time errors)
3. Алгоритмические

Синтаксические ошибки

Синтаксические ошибки легче всего обнаружить и исправить — их обнаруживает компилятор, не давая скомпилировать и запустить программу. Причем компилятор устанавливает курсор на ошибку, или после неё, а в окне сообщений выводит соответствующее сообщение, например, такое:

Подобные ошибки могут возникнуть при неправильном написании директивы или имени функции (процедуры); при попытке обратиться к переменной или константе, которую не объявляли (
рис.
27.1); при попытке вызвать функцию (процедуру, переменную, константу) из модуля, который не был подключен в разделе uses; при других аналогичных недосмотрах программиста.

Как уже говорилось, компилятор при нахождении подобной ошибки приостанавливает процесс компиляции, выводит сообщение о найденной ошибке и устанавливает курсор на допущенную ошибку, или после неё. Программисту остается только внести исправления в код программы и выполнить повторную компиляцию.

Ошибки времени выполнения

Ошибки времени выполнения (run-time errors) тоже, как правило, легко устранимы. Они обычно проявляются уже при первых запусках программы, или во время тестирования. Если такую программу запустить из среды Lazarus, то она скомпилируется, но при попытке загрузки, или в момент совершения ошибки, приостановит свою работу, выведя на экран соответствующее сообщение. Например, такое:

В данном случае программа при загрузке должна была считать в память отсутствующий текстовый файл MyFile.txt. Поскольку программа вызвала ошибку, она не запустилась, но в среде Lazarus процесс отладки продолжается, о чем свидетельствует сообщение в скобках в заголовке главного меню, после названия проекта. Программисту в подобных случаях нужно сбросить отладчик командой меню «Запуск -> Сбросить отладчик«, после чего можно продолжить работу над проектом.

Ошибка времени выполнения может возникнуть не только при загрузке программы, но и во время её работы. Например, если бы попытка чтения несуществующего файла была сделана не при загрузке программы, а при нажатии на кнопку, то программа бы нормально запустилась и работала, пока пользователь не нажмет на эту кнопку.

Если программу запустить из самой Windows, при возникновении этой ошибки появится такое же сообщение. При этом если нажать «OK«, программа даже может запуститься, но корректно работать все равно не будет.

Ошибки времени выполнения бывают не только явными, но и неявными, при которых программа продолжает свою работу, не выводя никаких сообщений, а программист даже не догадывается о наличии ошибки. Примером неявной ошибки может служить так называемая утечка памяти. Утечка памяти возникает в случаях, когда программист забывает освободить выделенную под объект память. Например, мы объявляем переменную типа TStringList, и работаем с ней:

begin
  MySL:= TStringList.Create;
  MySL.Add('Новая строка');
end;
    

В данном примере программист допустил типичную для начинающих ошибку — не освободил класс TStringList. Это не приведет к сбою или аварийному завершению программы, но в итоге можно бесполезно израсходовать очень много памяти. Конечно, эта память будет освобождена после выгрузки программы (за этим следит операционная система), но утечка памяти во время выполнения программы тоже может привести к неприятным последствиям, потребляя все больше и больше ресурсов и излишне нагружая процессор. В подобных случаях после работы с объектом программисту нужно не забывать освобождать память:

begin
  MySL:= TStringList.Create;
  MySL.Add('Новая строка');
  ...; //работа с объектом
  MySL.Free; //освободили объект
end;
    

Однако ошибки времени выполнения могут случиться и во время работы с объектом. Если есть такой риск, программист должен не забывать про возможность обработки исключительных ситуаций. В данном случае вышеприведенный код правильней будет оформить таким образом:

begin
  try
    MySL:= TStringList.Create;
    MySL.Add('Новая строка');
    ...; //работа с объектом
  finally
    MySL.Free; //освободили объект, даже если была ошибка
  end;
end;
    

Итак, во избежание ошибок времени выполнения программист должен не забывать делать проверку на правильность ввода пользователем допустимых значений, заключать опасный код в блоки try…finally…end или try…except…end, делать проверку на существование открываемого файла функцией FileExists и вообще соблюдать предусмотрительность во всех слабых местах программы. Не полагайтесь на пользователя, ведь недаром говорят, что если в программе можно допустить ошибку, пользователь эту возможность непременно найдет.

Алгоритмические ошибки

Если вы не допустили ни синтаксических ошибок, ни ошибок времени выполнения, программа скомпилировалась, запустилась и работает нормально, то это еще не означает, что в программе нет ошибок. Убедиться в этом можно только в процессе её тестирования.

Тестирование — процесс проверки работоспособности программы путем ввода в неё различных, даже намеренно ошибочных данных, и последующей контрольной проверке выводимого результата.

Если программа работает правильно с одними наборами исходных данных, и неправильно с другими, то это свидетельствует о наличии алгоритмической ошибки. Алгоритмические ошибки иногда называют логическими, обычно они связаны с неверной реализацией алгоритма программы: вместо «+» ошибочно поставили «-«, вместо «/» — «*», вместо деления значения на 0,01 разделили на 0,001 и т.п. Такие ошибки обычно не обнаруживаются во время компиляции, программа нормально запускается, работает, а при анализе выводимого результата выясняется, что он неверный. При этом компилятор не укажет программисту на ошибку — чтобы найти и устранить её, приходится анализировать код, пошагово «прокручивать» его выполнение, следя за результатом. Такой процесс называется отладкой.

Отладка — процесс поиска и устранения ошибок, чаще алгоритмических. Хотя отладчик позволяет справиться и с ошибками времени выполнения, которые не обнаруживаются явно.

Алгоритмическая ошибка

Cтраница 1

Алгоритмические ошибки значительно труднее поддаются обнаружению методами формализованного автоматического контроля, чем предыдущие типы ошибок. К алгоритмическим следует отнести прежде всего ошибки, обусловленные некорректной постановкой функциональных задач, когда в спецификациях не полностью оговорены все условия, необходимые для получения правильного результата. Эти условия формируются и уточняются в значительной части в процессе тестирования и выявления ошибок в результатах функционирования программ. Ошибки, обусловленные неполным учетом всех условий решения задач, являются наиболее частыми в этой группе и составляют до 70 % всех алгоритмических ошибок или около 30 % общего количества ошибок на начальных этапах проектирования.
 [1]

Алгоритмические ошибки и ошибки кодирования, связанные с некорректной формулировкой и реализацией алгоритмов программным путем.
 [2]

Алгоритмические ошибки значительно труднее поддаются обнаружению методами формального автоматического контроля, чем все предыдущие типы ошибок. Это определяется прежде всего отсутствием для большинства логических управляющих алгоритмов строго формализованной постановки задач, которую можно использовать в качестве эталона для сравнения результатов функционирования разработанных алгоритмов. Разработка управляющих алгоритмов осуществляется обычно при наличии большого количества параметров и в условиях значительной неопределенности самой исходной постановки задачи. Эти условия формируются в значительной части в процессе выявления ошибок по результатам функционирования алгоритмов. Ошибки некорректной постановки задач приводят к сокращению полного перечня маршрутов обработки информации, необходимых для получения всей гаммы числовых и логических решений, или к появлению маршрутов обработки информации, дающих неправильный результат. Таким образом, область получающихся выходных результатов изменяется.
 [3]

Алгоритмические ошибки представляют собой ошибки в программной трактовке алгоритма, например недоучет всех вариантов работы алгоритма.
 [4]

К алгоритмическим ошибкам следует отнести также ошибки связей модулей и функциональных групп программ.
 [5]

К алгоритмическим ошибкам следует отнести также ошибки сопряжения алгоритмических блоков, когда информация, необходимая для функционирования некоторого блока, оказывается неполностью подготовленной блоками, предшествующими по моменту включения. Этот тип ошибок также можно квалифицировать как ошибки некорректной постановки задачи, однако в данном случае некорректность может проявляться при определенной временной последовательности функционирования алгоритмических блоков.
 [6]

С алгоритмическими ошибками дело обстоит иначе. Компиляция программы, в которой есть алгоритмическая ошибка, завершается успешно. При пробных запусках программа ведет себя нормально, однако при анализе результата выясняется, что он неверный. Для того чтобы устранить алгоритмическую ошибку, приходится анализировать алгоритм, вручную прокручивать его выполнение.
 [8]

Особую часть алгоритмических ошибок составляют просчеты в использовании доступных ресурсов ВС. Одновременная разработка множества модулей различными специалистами затрудняет оптимальное распределение ограниченных ресурсов ЭВМ по всем задачам, так как отсутствуют достоверные данные потребных ресурсов для решения каждой из них. В результате возникает либо недоиспользование, либо ( в подавляющем большинстве случаев) нехватка каких-то ресурсов ЭВМ для решения задач в первоначальном варианте. Наиболее крупные просчеты обычно происходят при оценке времени реализации различных групп программ и при распределении производительности ЭВМ.
 [9]

Этот побочный эффект может привести к алгоритмическим ошибкам при работе программы. Для того чтобы избавить программиста от необходимости помнить о таком побочном эффекте, достаточно в начале макрокоманды сохранять, а после выполнения восстанавливать содержимое этих регистров. Для этих целей в СМ ЭВМ обычно используется стек. Необходимо отметить, что в отдельных случаях сохранение регистров не обязательно.
 [10]

В предыдущем параграфе был рассмотрен характер формирования алгоритмической ошибки вычислений при отсутствии искажающих воздействий со стороны окружающей среды и вычислительной системы. В реальных условиях на процесс смены состояний АлСУ и ошибку выходных сигналов существенное влияние оказывают искажающие воздействия, которые по отношению к управляющему объекту могут быть как внешними, так и внутренними. Внешние воздействия, источником которых является внешняя ( по отношению к управляющему объекту) среда, связаны с ошибками определения параметров управляемого процесса, отказами и сбоями в работе датчиков информации, каналов связи и преобразующих устройств. Внутренние воздействия, источниками которых являются ЦВМ или комплексы ЦВМ, используемые для реализации алгоритмической системы, обусловлены сбоями, частичными отказами и прерываниями.
 [11]

Кроме того, значительные трудности представляет разделение системных и алгоритмических ошибок и выделение доработок, которые не следует квалифицировать как ошибки.
 [12]

Однако формула ( 29) позволяет судить о характере формирования алгоритмической ошибки в реальных системах и сделать важный вывод о несостоятельности попыток оценки качества АлСУ всякого рода контрольными просчетами.
 [13]

Защита от перегрузки ЭВМ по пропускной способности предполагает обнаружение и снижение влияния последствий алгоритмических ошибок, обусловленных неправильным определением необходимой пропускной способности ЭВМ для работы в реальном времени. Кроме того, перегрузки могут быть следствием неправильного функционирования источников информации и превышения интенсивности потоков сообщений расчетного, нормального, уровня. Последствия обычно сводятся к прекращению решения некоторых функциональных задач, обладающих низким приоритетом.
 [14]

В настоящее время структурные методы контроля ориентированы в основном на обнаружение и доказательство отсутствия технологических и некоторых алгоритмических ошибок в записи программ, которые выполняются на этапе программной отладки.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

Типичные ошибки
в программных комплексах.
Статистические характеристики ошибок
могут служить ориентиром для разработчиков
при распределении усилий на создание
программ. Кроме того, характеристики
ошибок в процессе проектирования
программ помогают:

1. оценивать реальное
   состояние проекта и планировать
   трудоемкость и длительность до его
   завершения;

2. рассчитывать
   необходимую эффективность средств
   оперативной защиты от невыявленных
   первичных ошибок;

3. оценивать
   требующиеся ресурсы ЭВМ по памяти и
   производительности с учетом затрат на
   устранение ошибок;

4. проводить
   исследования и осуществлять адекватный
   выбор показателей сложности компонент
   и КП, а также некоторых других показателей
   качества.

Анализ первичных
ошибок в программах производится на
двух уровнях детализации:

1. дифференциально
   — с учетом
   типов ошибок, сложности и степени
   автоматизации их обнаружения, затрат
   на корректировку и этапов наиболее
   вероятного устранения;

2. обобщенно —
   по суммарным характеристикам их
   обнаружения в зависимости от
   продолжительности разработки,
   эксплуатации и сопровождения комплекса
   программ.

Технологические
ошибки
документации и фиксирования программ
в памяти ЭВМ составляют 5…10 % от общего
числа ошибок, обнаруживаемых при отладке
[12]. Большинство технологических ошибок
выявляется автоматически формализованными
методами.

Программные
ошибки по
количеству и типам в первую очередь
определяются степенью автоматизации
программирования и глубиной формализованного
контроля текстов программ. Количество
программных ошибок зависит от квалификации
разработчиков, от общего объема комплекса
программ, от глубины логического и
информационного взаимодействия модулей
и от ряда других факторов. При разработке
программ на автокодах программные
ошибки можно классифицировать по видам
используемых операций на следующие
группы: ошибки типов операций; ошибки
переменных; ошибки управления и циклов.

В комплексе программ
информационно-справочных систем эти
виды ошибок близки по удельному весу,
однако для автоматизации их обнаружений
применяются различные методы. На
начальных этапах разработки и автономной
отладки модулей программные ошибки
составляют около 1/3 всех ошибок. Ошибки
применения операций на начальных этапах
разработки достигают 14 %, а затем быстро
убь-1вают при повышении квалификации
программистов. Ошибки в переменных
составляют около 13 %, а ошибки управления
и организации циклов—около 10 %. Каждая
программная ошибка влечет за собой
необходимость изменения около шести
команд, что существенно меньше, чем при
алгоритмических и системных ошибках.
На этапах комплексной отладки и
эксплуатации удельный вес программных
ошибок падает и составляет около 15 и 3
% соответственно от общего количества
ошибок, выявляемых в единицу времени.

Алгоритмические
ошибки
значительно труднее поддаются обнаружению
методами формализованного автоматического
контроля, чем предыдущие типы ошибок.
К алгоритмическим следует отнести
прежде всего ошибки, обусловленные
некорректной постановкой функциональных
задач, когда в спецификациях не полностью
оговорены все условия, необходимые для
получения правильного результата. Эти
условия формируются и уточняются в
значительной части в процессе тестирования
и выявления ошибок в результатах
функционирования программ. Ошибки,
обусловленные неполным учетом всех
условий решения задач, являются наиболее
частыми в этой группе и составляют до
70 % всех алгоритмических ошибок или
около 30 % общего количества ошибок на
начальных этапах проектирования.

К алгоритмическим
ошибкам следует отнести также ошибки
связей модулей и функциональных групп
программ. Этот вид ошибок составляет
6…8 % от общего количества, их можно
квалифицировать как ошибки некорректной
постановки задач. Алгоритмические
ошибки проявляются в неполном учете
диапазонов изменения переменных, в
неправильной оценке точности используемых
и получаемых величин, в неправильном
учете связи между различными переменными,
в неадекватном представлении
формализованных условий решения задачи
в спецификациях или схемах, подлежащих
программированию, и т. д. Эти обстоятельства
являются причиной того, что для исправления
каждой алгоритмической ошибки приходится
изменять в среднем около 14 команд, т. е.
существенно больше, чем при программных
ошибках.

Особую часть
алгоритмических ошибок составляют
просчеты в использовании доступных
ресурсов ВС. Одновременная разработка
множества модулей различными специалистами
затрудняет оптимальное распределение
ограниченных ресурсов ЭВМ по всем
задачам, так как отсутствуют достоверные
данные потребных ресурсов для решения
каждой из них. В результате возникает
либо недоиспользование, либо (в подавляющем
большинстве случаев) нехватка каких-то
ресурсов ЭВМ для решения задач в
первоначальном варианте. Наиболее
крупные просчеты обычно происходят при
оценке времени реализации различных
групп программ и при распределении
производительности ЭВМ.

Системные ошибки
в сложных комплексах программ определяются
прежде всего неполной информацией о
реальных процессах, происходящих в
источниках и потребителях информации.
Кроме того, эти процессы зачастую зависят
от самих алгоритмов и поэтому не могут
быть достаточно определены и описаны
заранее без исследования функционирования
комплекса программ во взаимодействии
с внешней средой. На начальных стадиях
проектирования не всегда удается точно
сформулировать целевую задачу всей
системы, а также целевые задачи основных
групп программ, и эти задачи уточняются
в процессе проектирования. В соответствии
с этим уточняются и конкретизируются
технические задания или спецификации
на отдельные программы и выявляются
отклонения от уточненного задания,
которые могут квалифицироваться как

системные ошибки.

При автономной и
в начале комплексной отладки доля
системных ошибок невелика (около 10 %),
но она существенно возрастает (до 35…40
%) на завершающих этапах комплексной
отладки. В процессе эксплуатации
системные ошибки являются преобладающими
(около 80 % от всех ошибок). Следует также
отметить большое количество команд,
корректируемых при исправлении каждой
ошибки (около 25 команд на одну ошибку).

Убывание ошибок
в комплексе программ и интенсивности
их обнаружения не беспредельно. После
отладки в течение некоторого времени
интенсивность обнаружения ошибок при
самом активном тестировании снижается
настолько, что коллектив, ведущий
разработку, попадает в зону
нечувствительности к
ошибкам и отказам. При такой интенсивности
отказов трудно прогнозировать затраты
времени, необходимые для обнаружения
очередной ошибки. Создается представление
о полном отсутствии ошибок, о невозможности
и бесцельности их поиска, поэтому усилия
на отладку сокращаются и интенсивность
обнаружения ошибок еще больше снижается.
Этой предельной интенсивности обнаружения
отказов соответствует наработка на
обнаруженную ошибку, при которой
прекращается улучшение характеристик
комплекса программ на этапах отладки
и испытаний у заказчика.

Отладка программ

Введение

Успешное завершение процесса компиляции не означает, что в программе нет ошибок. Убедиться, что программа работает правильно, можно только в процессе проверки ее работоспособности, который называется тестирование. Обычно программа редко сразу начинает работать так, как надо, или работает правильно только на некотором ограниченном наборе исходных данных. Это свидетельствует о том, что в программе есть алгоритмические ошибки. Процесс поиска и устранения ошибок называется отладкой

Классификация ошибок

Введение

Ошибки, которые могут быть в программе, принято делить на три группы:

• синтаксические;
• ошибки времени выполнения;
• алгоритмические.

Синтаксические ошибки

Синтаксические ошибки, их также называют ошибками времени компиляции (Compile-time error), наиболее легко устранимы. Их обнаруживает компилятор, а программисту остается внести изменения в текст программы и выполнить повторную компиляцию.

Ошибки времени выполнения

Ошибки времени выполнения, они называются исключениями (Exception), тоже, как правило, легко устранимы. Они обычно проявляются уже при первых запусках программы и во время тестирования

При возникновении ошибки в программе, запущенной из ИСР, среда прерывает работу программы и в окне сообщений дает информацию о типе ошибки.

После возникновения ошибки программист может либо прервать выполнение программы, либо продолжить ее выполнение, например, по шагам, наблюдая результат выполнения каждой инструкции.

Если программа запущена из Windows, то при возникновении ошибки на экране также появляется сообщение об ошибке, но тип ошибки (исключения) в сообщении не указывается. После щелчка на кнопке ОК программа, в которой проявилась ошибка, продолжает (если сможет) работу.

Алгоритмические ошибки

С алгоритмическими ошибками дело обстоит иначе. Компиляция программы, в которой есть алгоритмическая ошибка, завершается успешно. При пробных запусках программа ведет себя нормально, однако при анализе результата выясняется, что он неверный. Для того чтобы устранить алгоритмическую ошибку, приходится анализировать алгоритм, вручную “прокручивать” его выполнение.

Предотвращение и обработка ошибок

В программе во время ее работы могут возникать ошибки, причиной которых, как правило, являются действия пользователя. Например, пользователь может ввести неверные данные или, что бывает довольно часто, удалить нужный программе файл. Нарушение в работе программы называется исключением. Обработку исключений (ошибок) берет на себя автоматически добавляемый в выполняемую программу код, который обеспечивает, в том числе, вывод информационного сообщения.

FPC и ИСР предоставляют программисту мощные средства:

• Компилятор с регулируемыми опциями.

Отладчик для поиска и устранения ошибок в программе. Отладчик позволяет выполнять трассировку программы, наблюдать значения переменных, контролировать выводимые программой данные.

Ошибки, которые могут
быть в программе, принято делить на три группы:

• синтаксические;

• ошибки времени выполнения;

• алгоритмические.

Синтаксические ошибки,
их также называют ошибками времени компиляции (Compile-time error), наиболее
легко устранимы. Их обнаруживает компилятор, а программисту остается только
внести изменения в текст программы и выполнить повторную компиляцию.

Ошибки времени выполнения,
в Delphi они называются исключениями (exception), тоже, как правило, легко устранимы.
Они обычно проявляются уже при первых запусках программы и во время тестирования.

При возникновении ошибки
в программе, запущенной из Delphi, среда разработки прерывает работу программы,
о чем свидетельствует заключенное в скобки слово Stopped в заголовке
главного окна Delphi, и на экране появляется диалоговое окно, которое содержит
сообщение об ошибке и информацию о типе (классе) ошибки. На рис. 13.1 приведен
пример сообщения об ошибке, возникающей при попытке открыть несуществующий файл.

После возникновения
ошибки программист может либо прервать выполнение программы, для этого надо
из меню Run выбрать команду Program Reset, либо продолжить ее
выполнение, например, по шагам (для этого из меню
Run надо выбрать команду Step), наблюдая результат выполнения
каждой инструкции.

Рис. 13.1. Сообщение
об ошибке при запуске программы из Delphi

Если программа запущена
из Windows, то при возникновении ошибки на экране также появляется сообщение
об ошибке, но тип ошибки (исключения) в сообщении не указывается (рис. 13.2).
После щелчка на кнопке ОК программа, в которой проявилась ошибка, продолжает
(если сможет) работу.

Рис. 13.2. Сообщение
об ошибке при запуске программы из Windows

С алгоритмическими
ошибками дело обстоит иначе. Компиляция программы, в которой есть алгоритмическая
ошибка, завершается успешно. При пробных запусках программа ведет себя нормально,
однако при анализе результата выясняется, что он неверный. Для того чтобы устранить
алгоритмическую ошибку,» приходится анализировать алгоритм, вручную «прокручивать»
его выполнение.