Выявление и устранение ошибок программного кода информационных систем

Предупреждение,
обнаружение, исправление ошибок,
обеспечение устойчивости к ошибкам.
Тестирование, доказательство, контроль,
испытание, аттестация, отладка.

ПРОВЕРКА
ПРАВИЛЬНОСТИ ПРОГРАММ.

Программу
нельзя использовать до тех пор, пока не
будет уверенности в ее надежности.
Надежность — это свойство программы,
более строгое, чем корректность, поскольку
программа может быть корректной, но не
быть надежной. Программа является
корректной, если удовлетворяет внешним
спецификациям, т.е. выдает ожидаемые
ответы на определенные комбинации
значений входных данных. Программа
является надежной, если она корректна,
приемлемо реагирует на неточные входные
данные и удовлетворительно функционирует
в необычных условиях.

В
процессе создания программы программист
старается предвидеть все возможные
ситуации и написать программу так, чтобы
она реагировала на них вполне
удовлетворительно. Этап тестирования
является последней попыткой определить
надежность и корректность программы.
Проверка надежности включает в себя
просмотр проектной документации и
текста программы, анализ текста программы,
тестирование и, наконец, демонстрацию
заказчику того, что программа работает
надежно.

Все
принципы и методы разработки надежного
программного обеспечения можно разбить
на четыре группы:

1.
Предупреждение ошибок.

2.
Обнаружение ошибок.

3.
Исправление ошибок.

4.
Обеспечение устойчивости к ошибкам.

Предупреждение
ошибок.
К этой группе относятся принципы и
методы, цель которых — не допустить
появление ошибок в готовой программе.
Большинство методов концентрируется
на отдельных процессах перевода и
направлено на предупреждение ошибок в
этих процессах (упрощение программ,
достижение большей точности при переводе,
немедленное обнаружение и устранение
ошибок).

Обнаружение
ошибок.
Если предполагать, что в программном
обеспечении какие-то ошибки все же
будут, то лучшая стратегия в этом случае
— включить средства обнаружения ошибок
в само программное обеспечение.
Немедленное обнаружение имеет два
преимущества: можно минимизировать как
влияние ошибки, так и последующие
затруднения для человека, которому
придется извлекать информацию об этой
ошибке, находить ее место и исправлять.

Исправление
ошибок.
После того, как ошибка обнаружена, либо
она сама, либо ее последствия должны
быть исправлены программным обеспечением.
Некоторые устройства способны обнаружить
неисправные компоненты и перейти к
использованию резервных. Другой метод
— восстановление информации (например,
при сбое питания).

Устойчивость
к ошибкам.
Методы этой группы ставят своей целью
обеспечит функционирование программной
системы при наличии в ней ошибок. Они
разбиваются на три подгруппы: динамическая
избыточность (методы голосования,
резервных копий); методы отступления
(когда необходимо корректно закончить
работу — например, закрыть базу данных);
изоляция ошибок (основная идея — не дать
последствиям ошибки выйти за пределы
как можно меньшей части системы
программного обеспечения, так, чтобы
если ошибка возникнет, то не вся система
оказалась бы неработоспособной).

8.1.
Основные определения.

Тестирование
— процесс выполнения программы с
намерением найти ошибки. Если Ваша цель
— показать отсутствие ошибок, Вы их
найдете не слишком много. Если же Ваша
цель — показать наличие ошибок, Вы найдете
значительную их часть.

Доказательство
— попытка найти ошибки в программе
безотносительно к внешней для программы
среде. Большинство методов доказательства
предполагает формулировку утверждений
о поведении программы и затем вывод и
доказательство математических теорем
о правильности программы. Доказательства
могут рассматриваться как форма
тестирования, хотя они и не предполагают
прямого выполнения программы.

Контроль
— попытка найти ошибки, выполняя программу
в тестовой, или моделируемой, среде.

Испытание
— попытка найти ошибки, выполняя программу
в заданной реальной среде.

Аттестация
— авторитетное подтверждение правильности
программы. При тестировании с целью
аттестации выполняется сравнение с
некоторым заранее определенным
стандартом.

Отладка
— не является разновидностью тестирования.
Хотя слова «отладка» и «тестирование»
часто используются как синонимы, под
ними подразумеваются разные виды
деятельности. Тестирование — деятельность,
направленная на обнаружение ошибок;
отладка направлена на установление
точной природы известной ошибки, а затем
— на исправление этой ошибки. Эти два
вида деятельности связаны — результаты
тестирования являются исходными данными
для отладки.

Тестирование
модуля, или автономное тестирование —
контроль отдельного программного
модуля, обычно в изолированной среде.
Тестирование модуля иногда включает
также математическое доказательство.

Тестирование
сопряжений — контроль сопряжений между
частями системы (модулями, компонентами,
подсистемами).

Тестирование
внешних функций — контроль внешнего
поведения системы, определенного
внешними спецификациями.

Комплексное
тестирование — контроль и испытание
системы по отношению к исходным целям.
Комплексное тестирование является
процессом испытания, если выполняется
в среде реальной, жизненной.

Тестирование
приемлемости — проверка соответствия
программы требованиям пользователя.

Тестирование
настройки — проверка соответствия
каждого конкретного варианта установки
системы с целью выявить любые ошибки,
возникшие в процессе настройки системы.

8.2.
Базовые правила тестирования.

Обсудим
некоторые из важнейших аксиом тестирования.
они приведены в настоящем разделе и
являются фундаментальными принципами
тестирования.

Хорош
тот тест, для которого высока вероятность
обнаружить ошибку, а не тот, который
демонстрирует правильную работу
программы. Поскольку невозможно показать,
что программа не имеет ошибок и, значит,
все такие попытки бесплодны, процесс
тестирования должен представлять собой
попытки обнаружить а программе прежде
не найденные ошибки.

Одна
из самых сложных проблем при тестировании
— решить, когда нужно закончить. Как уже
говорилось, исчерпывающее тестирование
(т.е. испытание всех входных значений)
невозможно. Таким образом, при тестировании
мы сталкиваемся с экономической
проблемой: как выбрать конечное число
тестов, которое дает максимальную отдачу
(вероятность обнаружения ошибок) для
данных затрат. Известно слишком много
случаев, когда написанные тесты имели
крайне малую вероятность обнаружения
новых ошибок, в то время как довольно
очевидные хорошие тесты оставались
незамеченными.

Невозможно
тестировать свою собственную программу.
Ни один программист не должен пытаться
тестировать свою собственную программу.
Тестирование должно быть в высшей
степени разрушительным процессом, но
имеются глубокие психологические
причины, по которым программист не может
относится к своей программе как
разрушитель.

Необходимая
часть всякого теста — описание ожидаемых
выходных данных или результатов. Одна
из самых распространенных ошибок при
тестировании состоит в том, что результаты
каждого теста не прогнозируются до его
выполнения. Ожидаемые результаты нужно
определять заранее, чтобы не возникла
ситуация, когда «глаз видит то, что
хочет увидеть». Чтобы совсем исключить
такую возможность, лучше разрабатывать
самопроверяющиеся тесты, либо пользоваться
инструментами тестирования, способными
автоматически сверять ожидаемые и
фактические результаты.

Избегайте
невоспроизводимых тестов, не тестируйте
«с лету». В условиях диалога
программист слишком часто выполняет
тестирование «с лету», т.е., сидя за
терминалом, задает конкретные значения
и выполняет программу, чтобы посмотреть,
что получится. Это -неряшливая и
нежелательная форма тестирования.
Основной ее недостаток в том, что такие
тесты мимолетны; они исчезают по окончании
их выполнения. Никогда не используйте
тестов, которые тут же выбрасываются.

Готовьте
тесты как для правильных, так и для
неправильных входных данных. Многие
программисты ориентируются в своих
тестах на «разумные» условия на
входе, забывая о последствиях появления
непредусмотренных или ошибочных входных
данных. Однако многие ошибки, которые
потом неожиданно обнаруживаются в
работающих программах, проявляются
вследствии никак не предусмотренных
действий пользователя программы. Тесты,
представляющие неожиданные или
неправильные входные данные, часто
лучше обнаруживают ошибки, чем «правильные»
тесты.

Детально
изучите результаты каждого теста. Самые
изощренные тесты ничего не стоят, если
их результаты удостаиваются лишь беглого
взгляда. Тестирование программы означает
большее, нежели выполнение достаточного
количества тестов; оно также предполагает
изучение результатов каждого теста.

По
мере того как число ошибок, обнаруженных
в некоторой компоненте программного
обеспечения увеличивается, растет также
относительная вероятность существования
в ней необнаруженных ошибок. Этот феномен
наблюдался во многих системах. Его
понимание способно повысить качество
тестирования, обеспечивая обратную
связь между результатами прогона тестов
и их проектированием. Если конкретная
часть системы окажется при тестировании
полной ошибок, для нее следует подготовить
дополнительные тесты.

Поручайте
тестирование самым способным программистам.
Тестирование, и в особенности проектирование
тестов, — этап в разработке программного
обеспечения, требующий особенно
творческого подхода. К сожалению, во
многих организациях на тестирование
смотрят совсем не так. Его часто считают
рутинной, нетворческой работой. Однако
практика показывает, что проектирование
тестов требует даже больше творчества,
чем разработка архитектуры и проектирование
программного обеспечения.

Считайте
тестируемость ключевой задачей Вашей
разработки. Хотя «тестируемость»
и не фигурировала явно в «проектных»
главах, сложность тестирования программы
напрямую зависит от ее структуры и
качества проектирования. Несмотря на
то, что эта связь осознана еще недостаточно
глубоко, можно утверждать, что многие
характеристики хорошего проекта
(например, небольшие, в значительной
степени независимые модули и независимые
подсистемы), улучшают и тестируемость
программы.

Никогда
не изменяйте программу, чтобы облегчить
ее тестируемость. Часто возникает
соблазн изменить программу, чтобы было
легче ее тестировать. Например,
программист, тестируя модуль, содержащий
цикл, который должен повторяться 100 раз,
меняет его так, чтобы цикл повторялся
только 10 раз.

8.3.
Отладка.

Рекомендуемый
подход к методам отладки аналогичен
особенностям проектирования и включает
в себя следующие этапы:

1.
Поймите задачу. Многие программисты
начинают процесс отладки бессистемно,
пропуская жизненно важный этап детального
анализа имеющихся данных. Первым делом
нужно тщательно исследовать, что в
программе выполнено правильно, а что —
неправильно, чтобы выработать одну или
несколько гипотез о природе ошибки.
Одна из самых распространенных причин
затруднений при отладке — не учтен
какой-нибудь существенный фактор в
выходных данных программы. Важно
исследовать данные в поисках противоречий
гипотезе (например, ошибка возникает
только в каждой второй записи), потому
что это поведет к уточнению гипотезы
или, возможно, покажет, что имеется не
одна причина ошибки.

2.
Разработайте план. Следующий шаг —
построить одну или несколько гипотез
об ошибке и разработать план проверки
этих гипотез.

3.
Выполните план. Следуя своему плану,
пытайтесь доказать гипотезу. Если план
включает несколько шагов, нужно проверить
каждый.

4.
Проверьте решение. Если кажется, что
точное местоположение ошибки обнаружено,
необходимо выполнить еще несколько
проверок, прежде чем пытаться исправить
ошибку. Проанализируйте, может ли
предполагаемая ошибка давать в точности
известные симптомы. Убедитесь, что
найденная причина полностью объясняет
все симптомы, а не только их часть.
Проверьте, не вызовет ли ее исправление
новой ошибки.

Главная
причина затруднений при отладке — такая
психологическая установка, когда разум
видит то, что он ожидает увидеть, а совсем
не то, что имеет место в действительности.
Один из способов преодоления такой
установки — скептицизм в отношении
всего, что Вы изучаете, в особенности
комментариев и документации. Опытные
специалисты по отладке, изучая модуль,
часто закрывают комментарии, поскольку
комментарии нередко описывают, что
программа делает, по мнению ее создателя.
Обратный просмотр (чтение программы в
обратном направлении) — еще один полезный
тактический прием, поскольку он помогает
по-новому взглянуть на алгоритм.

Еще
одна трудность при отладке — такое
состояние, когда все идеи зашли в тупик
и найти местоположение ошибки кажется
просто невозможно. Это означает, что Вы
либо смотрите не туда, куда нужно, и
следует еще раз изучить симптомы и
построить новую гипотезу, либо подозрения
правильные, но разум уже не способен
заметить ошибку. Если кажется, что именно
так и есть , то лучший принцип — «утро
вечера мудренее». Переключите внимание
на другую деятельность, и пусть над
задачей работает Ваше подсознание.
Многие программисты признают, что самые
трудные свои задачи они решают во время
бритья или по дороге на работу.

Когда
Вы найдете и проверите ошибку и убедитесь
в том, что нашли ее правильно, не забудьте
о том, что вероятность других ошибок в
этой части программы теперь выше. Изучите
программу в окрестности найденной
ошибки в поисках новых неприятностей.
Проверьте, не была ли сделана такая же
ошибка в других местах программы.

Исследования
методов отладки вначале концентрировались
на сравнении отладки в пакетном и
диалоговом режимах, причем большинство
исследований приходило к выводу, что
диалоговый режим предпочтительнее.
Однако более поздняя работа показала,
что, вероятно, наилучший способ отладки
— просто читать программу и изо всех сил
стараться вникнуть в алгоритм, хотя это
требует усердия и собранности.

Важно
подчеркнуть, что многие из методов
проектирования помогают и в процессе
отладки, такие методы, как структурное
программирование и хороший стиль
программирования не только уменьшают
исходное количество ошибок, но и облегчают
отладку, делая программу более простой
для понимания.

После
того, как точно установлено, где находится
ошибка, надо ее исправить. Самая большая
трудность на этом шаге — суметь охватить
проблему целиком; самая распространенная
неприятность — устранить только некоторые
симптомы ошибки. Избегайте «экспериментальных»
исправлений; они показывают, что Вы еще
недостаточно подготовлены к отладке
этой программы, поскольку не понимаете
ее.

В
деле исправления ошибок очень важно
понимать, что оно возвращает нас назад,
к стадии проектирования. Обидно, если
после завершения хорошо организованного
проектирования весь его строгий порядок
нарушается, когда вносятся поправки.
Исправления должны выполняться по
крайней мере так же строго, как
первоначальное выполнение программы.
Если необходимо, следует обновить
документацию, поправки должны проходить
сквозной структурный контроль или
другие формы контрольного чтения
программы. Ни одна поправка не «мала»
настолько, чтобы не нуждаться в
тестировании.

По
самой своей природе исправления всегда
имеют некоторое отрицательное влияние
на структуру программы и легкость ее
чтения. Тот факт, что они делаются в
условиях жесткого давления, усиливает
это влияние. Опыт показывает, что при
исправлении довольно высока вероятность
внесения в программу новой ошибки
(обычно от 20 до 50).
Из этого следует, что отладка должна
выполняться лучшими программистами
проекта.

Изучение
процесса отладки.

Один
из лучших способов повысить надежность
программного обеспечения в нынешних
или в будущих проектах — очевидный, но
часто упускаемый из виду процесс обучения
на сделанных ошибках. Каждую ошибку
следует внимательно изучить, чтобы
понять, почему она возникла и что должно
было бы сделано, чтобы ее предотвратить
или обнаружить раньше. Редко можно
встретить программиста или организацию,
которые выполняли бы такой полезный
анализ, а когда он проводится, то обычно
имеет поверхностный характер и сводится,
например, к классификации ошибок: ошибки
проектирования, логические ошибки,
ошибки сопряжения или другие, не имеющие
особого смысла категории.

Нужно
уделять время изучению природы каждой
обнаруженной ошибки. Необходимо
подчеркнуть, что анализ ошибок должен
быть в значительной мере качественным
и не сводиться просто к упражнению в
количественном подсчете. Чтобы понять
причины , лежащие в основе ошибок, и
усовершенствовать процессы проектирования
и тестирования, нужно ответить на
следующие вопросы:

1.
Почему возникла именно такая ошибка? В
ответе должны быть указаны как
первоисточник, так и непосредственный
источник ошибки. Например, ошибка могла
быть сделана при программировании
конкретного модуля, но в ее основе могла
лежать неоднозначность в спецификациях
или исправление другой ошибки.

2.
Как и когда ошибка была обнаружена?
Поскольку мы только что добились
значительного успеха, почему бы нам не
воспользоваться приобретенным опытом?

3.
Почему эта ошибка не была обнаружена
при проектировании, контроле или на
предыдущей фазе тестирования?

4.
Что следовало сделать при проектировании
или тестировании, чтобы предупредить
появление этой ошибки или обнаружить
ее раньше?

Собирать
эту информацию нужно не только для того,
чтобы учиться на ошибках. Официально
отчетность об ошибках и об их исправлении
необходима и для того, чтобы гарантировать,
что обнаруженные ошибки в работающих
или тестируемых системах не упущены и
что исправления выполнены в соответствии
с принятыми нормами.

Другой
способ обучения на ошибках в программном
обеспечении — учиться на опыте других
организаций. К сожалению, это не жизненный
вариант, поскольку даже в лучшие времена
научного книгоиздания, такие материалы
если и встречались то крайне редко.

Отладка программы — один их самых сложных этапов разработки программного обеспечения, требующий глубокого знания:

•специфики управления используемыми техническими средствами,

•операционной системы,

•среды и языка программирования,

•реализуемых процессов,

•природы и специфики различных ошибок,

•методик отладки и соответствующих программных средств. 

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. Доя 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.

Вцелом сложность отладки обусловлена следующими причинами:

•требует от программиста глубоких знаний специфики управления используемыми техническими средствами, операционной системы, среды и языка программирования, реализуемых процессов, природы и специфики различных ошибок, методик отладки и соответствующих программных средств;

•психологически дискомфортна, так как необходимо искать собственные ошибки и, как правило, в условиях ограниченного времени;

•возможно взаимовлияние ошибок в разных частях программы, например, за счет затирания области памяти одного модуля другим из-за ошибок адресации;

•отсутствуют четко сформулированные методики отладки.

Всоответствии с этапом обработки, на котором проявляются ошибки, различают (рис. 10.1):

    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.

Синтаксические ошибки. 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, имеющий очень простой и четко определенный синтаксис, хорошо проверяемый при компиляции программы, ко вторым — Си со всеми его модификациями. Чего стоит хотя бы возможность выполнения присваивания в условном операторе в Си, например:

if (c = n) x = 0; /* в данном случае не проверятся равенство с и n, а выполняется присваивание с значения n, после чего результат операции сравнивается с нулем, если программист хотел выполнить не присваивание, а сравнение, то эта ошибка будет обнаружена только на этапе выполнения при получении результатов, отличающихся от ожидаемых */ 

Ошибки компоновки. 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.

    Ошибки выполнения. 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:

• появление сообщения об ошибке, зафиксированной схемами контроля выполнения машинных команд, например, переполнении разрядной сетки, ситуации «деление на ноль», нарушении адресации и т. п.;

•появление сообщения об ошибке, обнаруженной операционной системой, например, нарушении защиты памяти, попытке записи на устройства, защищенные от записи, отсутствии файла с заданным именем и т. п.;

•«зависание» компьютера, как простое, когда удается завершить программу без перезагрузки операционной системы, так и «тяжелое», когда для продолжения работы необходима перезагрузка;

•несовпадение полученных результатов с ожидаемыми.

Примечание. Отметим, что, если ошибки этапа выполнения обнаруживает пользователь, то в двух первых случаях, получив соответствующее сообщение, пользователь в зависимости от своего характера, степени необходимости и опыта работы за компьютером, либо попробует понять, что произошло, ища свою вину, либо обратится за помощью, либо постарается никогда больше не иметь дела с этим продуктом. При «зависании» компьютера пользователь может даже не сразу понять, что происходит что-то не то, хотя его печальный опыт и заставляет волноваться каждый раз, когда компьютер не выдает быстрой реакции на введенную команду, что также целесообразно иметь в виду. Также опасны могут быть ситуации, при которых пользователь получает неправильные результаты и использует их в своей работе.

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,

•логические ошибки,

•накопление погрешностей результатов вычислений (рис. 10.2).

Н е в е р н о е о п р е д е л е н и е и с х о д н ы х д а н н ы х происходит, если возникают любые ошибки при выполнении операций ввода-вывода: ошибки передачи, ошибки преобразования, ошибки перезаписи и ошибки данных. Причем использование специальных технических средств и программирование с защитой от ошибок (см.§ 2.7) позволяет обнаружить и предотвратить только часть этих ошибок, о чем безусловно не следует забывать.

Л о г и ч е с к и е о ш и б к и 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.

Кпоследней группе относят:

ошибки некорректного использования переменных, например, неудачный выбор типов данных, использование переменных до их инициализации, использование индексов, выходящих за границы определения массивов, нарушения соответствия типов данных при использовании явного или неявного переопределения типа данных, расположенных в памяти при использовании нетипизированных переменных, открытых массивов, объединений, динамической памяти, адресной арифметики и т. п.;

ошибки вычислений, например, некорректные вычисления над неарифметическими переменными, некорректное использование целочисленной арифметики, некорректное преобразование типов данных в процессе вычислений, ошибки, связанные с незнанием приоритетов выполнения операций для арифметических и логических выражений, и т. п.;

ошибки межмодульного интерфейса, например, игнорирование системных соглашений, нарушение типов и последовательности при передачи параметров, несоблюдение единства единиц измерения формальных и фактических параметров, нарушение области действия локальных и глобальных переменных;

другие ошибки кодирования, например, неправильная реализация логики программы при кодировании, игнорирование особенностей или ограничений конкретного языка программирования.

На к о п л е н и е п о г р е ш н о с т е й 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.

Все указанные выше причины возникновения ошибок следует иметь в виду в процессе отладки. Кроме того, сложность отладки увеличивается также вследствие влияния следующих факторов:

опосредованного проявления ошибок;

возможности взаимовлияния ошибок;

возможности получения внешне одинаковых проявлений разных ошибок;

отсутствия повторяемости проявлений некоторых ошибок от запуска к запуску – так называемые стохастические ошибки;

возможности устранения внешних проявлений ошибок в исследуемой ситуации при внесении некоторых изменений в программу, например, при включении в программу диагностических фрагментов может аннулироваться или измениться внешнее проявление ошибок;

написания отдельных частей программы разными программистами.

Методы отладки программного обеспечения

Отладка программы в любом случае предполагает обдумывание и логическое осмысление всей имеющейся информации об ошибке. Большинство ошибок можно обнаружить по косвенным признакам посредством тщательного анализа текстов программ и результатов тестирования без получения дополнительной информации. При этом используют различные методы:

ручного тестирования;

индукции;

дедукции;

обратного прослеживания.

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.

Метод индукции. Метод основан на тщательном анализе симптомов ошибки, которые могут проявляться как неверные результаты вычислений или как сообщение об ошибке. Если компьютер просто «зависает», то фрагмент проявления ошибки вычисляют, исходя из последних полученных результатов и действий пользователя. Полученную таким образом информацию организуют и тщательно изучают, просматривая соответствующий фрагмент программы. В результате этих действий выдвигают гипотезы об ошибках, каждую из которых проверяют. Если гипотеза верна, то детализируют информацию об ошибке, иначе — выдвигают другую гипотезу. Последовательность выполнения отладки методом индукции показана на рис. 10.3 в виде схемы алгоритма.

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.

Метод дедукции. 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 (рис. 10.4).

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 предложения о значениях переменных в предыдущей точке. Процесс продолжают, пока не обнаружат причину ошибки.

Отладка, или debugging, — это поиск (локализация), анализ и устранение ошибок в программном обеспечении, которые были найдены во время тестирования.

Виды ошибок

Ошибки компиляции

Это простые ошибки, которые в компилируемых языках программирования выявляет компилятор (программа, которая преобразует текст на языке программирования в набор машинных кодов). Если компилятор показывает несколько ошибок, отладку кода начинают с исправления самой первой, так как она может быть причиной других.

В интерпретируемых языках (например Python) текст программы команда за командой переводится в машинный код и сразу исполняется. К моменту обнаружения ошибки часть программы уже может исполниться.

Ошибки компоновки

Ошибки связаны с разрешением внешних ссылок. Выявляет компоновщик (редактор связей) при объединении модулей программы. Простой пример — ситуация, когда требуется обращение к подпрограмме другого модуля, но при компоновке она не найдена. Ошибки также просто найти и устранить.

Ошибки выполнения (RUNTIME Error)

Ошибки, которые обнаруживают операционная система, аппаратные средства или пользователи при выполнении программы. Они считаются непредсказуемыми и проявляются после успешной компиляции и компоновки. Можно выделить четыре вида проявления таких ошибок:

• сообщение об ошибке, которую зафиксировали схемы контроля машинных команд. Это может быть переполнение разрядной сетки (когда старшие разряды результата операции не помещаются в выделенной области памяти), «деление на ноль», нарушение адресации и другие;
• сообщение об ошибке, которую зафиксировала операционная система. Она же, как правило, и документирует ошибку. Это нарушение защиты памяти, отсутствие файла с заданным именем, попытка записи на устройство, защищенное от записи;
• прекращение работы компьютера или зависание. Это и простые ошибки, которые не требуют перезагрузки компьютера, и более сложные, когда нужно выключать ПК;
• получение результатов, которые отличаются от ожидаемых. Программа работает стабильно, но выдает некорректный результат, который пользователь воспринимает за истину.

Ошибки выполнения можно разделить на три большие группы.

Ошибки определения данных или неверное определение исходных данных. Они могут появиться во время выполнения операций ввода-вывода.

К ним относятся:

• ошибки преобразования;
• ошибки данных;
• ошибки перезаписи.

Как правило, использование специальных технических средств для отладки (API-логгеров, логов операционной системы, профилировщиков и пр.) и программирование с защитой от ошибок помогает обнаружить и решить лишь часть из них.

Логические ошибки. Они могут возникать из ошибок, которые были допущены при выборе методов, разработке алгоритмов, определении структуры данных, кодировании модуля.

В эту группу входят:

• ошибки некорректного использования переменных. Сюда относятся неправильный выбор типов данных, использование индексов, выходящих за пределы определения массивов, использование переменных до присвоения переменной начального значения, нарушения соответствия типов данных;
• ошибки вычислений. Это некорректная работа с переменными, неправильное преобразование типов данных в процессе вычислений;
• ошибки взаимодействия модулей или межмодульного интерфейса. Это нарушение типов и последовательности при передаче параметров, области действия локальных и глобальных переменных, несоблюдение единства единиц измерения формальных и фактических параметров;
• неправильная реализация логики при программировании.

Ошибки накопления погрешностей. Могут возникать при неправильном округлении, игнорировании ограничений разрядной сетки, использовании приближенных методов вычислений и т.д. 

Методы отладки программного обеспечения

Метод ручного тестирования

Отладка программы заключается в тестировании вручную с помощью тестового набора, при работе с которым была допущена ошибка. Несмотря на эффективность, метод не получится использовать для больших программ или программ со сложными вычислениями. Ручное тестирование применяется как составная часть других методов отладки.

Метод индукции

В основе отладки системы — тщательный анализ проявлений ошибки. Это могут быть сообщения об ошибке или неверные результаты вычислений. Например, если во время выполнения программы завис компьютер, то, чтобы найти фрагмент проявления ошибки, нужно проанализировать последние действия пользователя. На этапе отладки программы строятся гипотезы, каждая из них проверяется. Если гипотеза подтвердилась, информация об ошибке детализируется, если нет — выдвигаются новые.

Вот как выглядит процесс:

Важно, чтобы выдвинутая гипотеза объясняла все проявления ошибки. Если объясняется только их часть, то либо гипотеза неверна, либо ошибок несколько.

Метод дедукции

Сначала специалисты предлагают множество причин, по которым могла возникнуть ошибка. Затем анализируют их, исключают противоречащие имеющимся данным. Если все причины были исключены, проводят дополнительное тестирование. В обратном случае наиболее вероятную причину пытаются доказать.

Метод обратного прослеживания

Эффективен для небольших программ. Начинается с точки вывода неправильного результата. Для точки выдвигается гипотеза о значениях основных переменных, которые могли привести к ошибке. Далее на основании этой гипотезы строятся предположения о значениях переменных в предыдущей точке. Процесс продолжается до момента, пока не найдут ошибку.

Как выполняется отладка в современных IDE

Ранние отладчики, например gdb, представляли собой отдельные программы с интерфейсами командной строки. Более поздние, например первые версии Turbo Debugger, были автономными, но имели собственный графический интерфейс для облегчения работы. Сейчас большинство IDE имеют встроенный отладчик. Он использует такой же интерфейс, как и редактор кода, поэтому можно выполнять отладку в той же среде, которая используется для написания кода.

Отладчик позволяет разработчику контролировать выполнение и проверять (или изменять) состояние программ. Например, можно использовать отладчик для построчного выполнения программы, проверяя по ходу значения переменных. Сравнение фактических и ожидаемых значений переменных или наблюдение за ходом выполнения кода может помочь в отслеживании логических (семантических) ошибок.

Пошаговое выполнение — это набор связанных функций отладчика, позволяющих поэтапно выполнять код.

Шаг с заходом (step into)

Команда выполняет очередную инструкцию, а потом приостанавливает процесс, чтобы с помощью отладчика было можно проверить состояние программы. Если в выполняемом операторе есть вызов функции, step into заставляет программу переходить в начало вызываемой функции, где она приостанавливается.

Шаг с обходом (step over)

Команда также выполняет очередную инструкцию. Однако когда step into будет входить в вызовы функций и выполнять их строка за строкой, step over выполнит всю функцию, не останавливаясь, и вернет управление после ее выполнения. Команда step over позволяет пропустить функции, если разработчик уверен, что они уже исправлены, или не заинтересован в их отладке в данный момент.

Шаг с выходом (step out)

В отличие от step into и step over, step out выполняет не следующую строку кода, а весь оставшийся код функции, исполняемой в настоящее время. После возврата из функции он возвращает управление разработчику. Эта команда полезна, когда специалист случайно вошел в функцию, которую не нужно отлаживать.

Как правило, при пошаговом выполнении можно идти только вперед. Поэтому легко перешагнуть место, которое нужно проверить. Если это произошло, необходимо перезапустить отладку.

У некоторых отладчиков (таких как GDB 7.0, Visual Studio Enterprise Edition 15.5 и более поздних версий) есть возможность вернуться на шаг назад. Это полезно, если пропущена цель либо нужно повторно проверить выполненную инструкцию. 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ «СЕВЕРО -КАВКАЗСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

СРЕДНЕПРОФЕСИОНАЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ

Практическое занятие 8-9

«Выявление и устранение ошибок программного кода информационных систем»

Выполнил студент 3 курса

группа: 09.02.07-202

Гонтарь Родион

Работу принял преподаватель «ИТПСИС»:

Иванов Сергей Владимирович

Черкесск, 2023г

Этапы жизненного цикла программного продукта

1. Анализ требований

Данная стадия является одной из важнейших, поскольку определяет успех всего проекта. На данном этапе формируются цели и задачи проекта, устанавливается область применения программного обеспечения (ПО) и определяются граничные условия, выделяются базовые сущности и взаимосвязи между ними.

Определяются сроки и стоимость разработки ПО, формируется и подписывается техническое задание на разработку ПО.

2. Стадия проектирования и дизайн

Проектирование включает в себя определение архитектуры программной системы, её функций, внешних условий функционирования, интерфейсы и распределение функций между пользователями и системой, требования к программным и информационным компонентам. Проектирование системы проводится на основе результатов формирования требований.

Разрабатывается функциональная спецификация ПО, выбирается архитектура системы, определяется наиболее подходящая СУБД, проектируются структуры хранения данных, оговариваются требования к аппаратному обеспечению, определяется набор организационных мероприятий, которые необходимы для внедрения ПО, а также перечень документов регламентирующих его использование.

3. Кодирование (программирование)

На данной стадии строятся прототипы как целой программной системы, так и её частей, осуществляется физическая реализация структур данных, разрабатывается программные коды, выполняется отладочное тестирование, создается техническая документация. В результате этапа кодирования появляется рабочая версия продукта.

4. Тестирование и отладка

Тестирование ПО тесно связано с этапами проектирования и реализации. В систему встраиваются специальные механизмы, которые дают возможность производить тестирование программного обеспечения на соответствие требований к нему, проверку оформления и наличие необходимого пакета документации.

Результатом тестирования является устранение всех недостатков программного продукта и заключение о её качестве.

5. Эксплуатация и сопровождение

Ввод в эксплуатацию ПО предусматривают установку программной системы, обучение пользователей, документирование. Поддержка функционирования ПО должна осуществляться группой технической поддержки разработчика.

Сопровождение – это процесс адаптации поставляемого ПО к новым условиям, внесения изменений в ПО и соответствующую документацию, вызванных возникшими проблемами или потребностями в модификации при сохранении неизменными его основных функций.

Вывод из эксплуатации программного обеспечения осуществляется в результате его морального, прихода на смену более совершенных продуктов или по иным объективным или субъективным причинам.

Выявлять ошибки буду на программе которая представляет информационную систему предприятия Фотостудии

Диаграмма базы данных

Окно авторизации. Предназначено для входа в программу.(рис.1)

Главная форма приложения. На ней отображаются все таблицы из Sql, также с помощью кнопок можно Добавлять, Редактировать, Удалять данные. С помощью поиска мы ищем нужные данные с таблиц (рис.2)

Рисунок 2 – Форма “главная”

Формы добавить. С помощью их мы добавляем данные в таблицы. (рис.3-7)

Рисунок 3 – Форма “Добавить поставщика”

Рисунок 4 – Форма “Добавить сотрудника”

Рисунок 5 – Форма “Добавить технику”

Рисунок 6– Форма “Добавить услугу”

Рисунок 7 – Форма “Добавить заказ”

формы Редактировать С помощью их мы редактируем данные в таблицах. (рис.8-16)

Рисунок 8 – Форма “Редактировать заказ”

Рисунок 9 – Форма “Редактировать расходный материал”

Рисунок 10 – Форма “Редактировать поставщика”

Рисунок 11 – Форма “Редактировать Услугу”

Рисунок 12 – Форма “Редактировать технику”

Рисунок 13 – Форма “Редактировать сотрудников”

Рисунок 14 – Форма “Редактировать заказчика”

Рисунок 15 – Форма “Добавить заказчика”

Рисунок 16 – Форма “Добавить расходный материал”

1. Идентифицикация ошибок, возникающих в процессе эксплуатации системы

Ошибка №1 возникла в строке подключения (рис. 17)

Рисунок 17 – Ошибка в строке подключения
Ошибка №2 возникла при открытии окна авторизации и попытки войти в приложение (рис. 18)

Рисунок 18 Ошибка из-за неверного написания запроса
Ошибка №3 возникла при редактировании данных без предварительного выбора строки в DataGridView(рис. 19)

Рисунок 19 – Ошибка в коде

1. Исправление ошибки в программном коде информационной системы в процессе эксплуатации

Для исправления ошибки №1 (рис. 20) необходимо добавить в строку подключения следующий текст:

Рисунок 20 – Исправление ошибки в строке подключения
Для исправления ошибки №2 (рис. 21) необходимо дописать в запрос после слова Password слово and

Рисунок 21 – Исправление ошибки при написании запроса
Для исправления ошибки №3 (рис. 22) необходимо добавить в код Главной формы код для автоматического выбора строк в DataGridView

Рисунок 22 – Исправление ошибки в коде

Контрольные вопросы

1. На что направлен контроль за преждевременными ошибками? –

Контроль за преждевременными ошибками направлен на предотвращение ошибок, которые могут возникнуть в процессе выполнения задачи. Эти ошибки могут быть вызваны недостаточной подготовкой, нехваткой информации или просто опечатками. Контроль за преждевременными ошибками помогает улучшить качество работы и избежать неприятностей, связанных с неправильным выполнением задачи.

1. Из-за чего возникают непреднамеренные ошибки респондентов? –

Непреднамеренные ошибки респондентов могут возникать по разным причинам. Это может быть недостаток информации, человеческий фактор, технические проблемы

3. Назовите примеры злоумышленного кодирования –

• Вирусы – это программы, которые могут копировать и распространяться самостоятельно, заражая другие файлы на устройстве пользователя или на сетевой системе.
• Черви – это программа, которая может распространяться через сеть без действия пользователя, в отличие от вирусов, которые требуют определенных действий от пользователя.
• Трояны – это программа, которая выдает себя за полезную программу, но в действительности содержит злонамеренный код, который может использоваться для того, чтобы украсть информацию;
• Фишинг – это атака на пользователей, при которой злоумышленники используют поддельные веб-сайты или сообщения чтобы выманить у них важную информацию, такую как пароли и данные кредитных карт.

Заключение

В заключении практической работы «Выявление и устранение ошибок программного кода информационных систем» необходимо подчеркнуть важность этого процесса для обеспечения качества ПО и безопасности данных.

В процессе выполнения работы было изучено несколько методов и инструментов, которые позволяют выявить ошибки в коде и исправить их, такие как тестирование, анализ кода, использование отладчика и др. Была проделана работа по поиску и устранению конкретных ошибок в программном коде.

В ходе работы было показано, что даже небольшие ошибки в коде могут привести к серьезным проблемам в работе приложений, поэтому необходимо уделять большое внимание отладке кода. Важно также периодически производить аудиты кода, тестирования и обновления для обеспечения безопасности и стабильности работы программных систем.

Одним из основных выводов работы является то, что процесс выявления и устранения ошибок в программном коде необходим для обеспечения эффективной, функциональной и безопасной работы приложения. Особое внимание необходимо уделять процессам отладки, тестирования, анализу и обновлению кода. Каждая деталь приложения важна, и даже малейшие ошибки могут привести к негативным последствиям.