Нейл Мэтью - Основы программирования в Linux

□ Попытайтесь выполнить основную часть программы на бумаге, этот процесс называют формальным прогоном. Для наиболее важных подпрограмм запишите значения на входе и вычислите шаг за шагом выходные значения. Для отладки совсем не обязательно всегда применять компьютер, иногда именно компьютер создает проблемы. Даже разработчики, пишущие библиотеки, компиляторы и операционные системы, делают ошибки! С другой стороны, не спешите винить во всем используемые программные средства; гораздо вероятнее, что ошибка закралась в вашу новую программу, а не в компилятор.

Существует несколько разных подходов к отладке и тестированию типовой программы Linux. Обычно разработчик запускает программу и смотрит, что происходит. Если программа не работает, необходимо решить, что с ней делать. Можно изменить программу и попробовать снова (анализ программного кода, метод проб и ошибок), можно попытаться получить больше информации о том, что происходит внутри программы (оснащение контрольными средствами) или можно непосредственно проанализировать работу программы (контролируемое выполнение). Отладка включает в себя пять следующих этапов:

□ тестирование — поиск существующих изъянов или ошибок;

□ стабилизация — обеспечение повторяемости ошибок;

□ локализация — определение строки кода, отвечающей за ошибку;

□ корректировка — исправление программного кода;

□ проверка — подтверждение того, что исправление работает.

Давайте рассмотрим пример программы, содержащей ошибки. Читая данную главу, вы будете пробовать отладить эту программу. Она написана во время разработки большой программной системы. Ее задача — протестировать единственную функцию sort, которая предназначена для реализации сортировки массива структур типа itemметодом "пузырька". Элементы сортируются по возрастанию поля key. Программа вызывает функцию sortдля сортировки контрольного примера, чтобы протестировать функцию. В реальной жизни вы никогда не стали бы обращаться к этому конкретному алгоритму из-за его очень низкой эффективности. Мы же применяем его, потому что он короткий, относительно простой и его легко превратить в неправильный. На самом деле в стандартной библиотеке языка С есть функция с именем qsort, выполняющая эту задачу.

К сожалению, исходный код программы нелегко читается, в нем нет комментариев, и автор уже недоступен. Вам придется биться с ней самостоятельно, начиная с основной подпрограммы debug1.c.

/* 1 */ typedef struct {

/* 2 */ char *data;

/* 3 */ int key;

/* 4 */ } item;

/* 5 */

/* 6 */ item array[] = {

/* 7 */ {"bill", 3},

/* 8 */ {"neil", 4},

/* 9 */ {"john", 2},

/* 10 */ {"rick", 5},

/* 11 */ {"alex", 1},

/* 12 */ };

/* 13 */

/* 14 */ sort(a, n)

/* 15 */ item *a;

/* 16 */ {

/* 17 */ int i = 0, j = 0;

/* 18 */ int s = 1;

/* 19 */

/* 20 */ for(; i < n && s != 0; i++) {

/* 21 */ s = 0;

/* 22 */ for(j = 0; j < n; j++) {

/* 23 */ if(a[j].key > a[j + 1].key) {

/* 24 */ item t = a[j];

/* 25 */ a[j] = a[j+1];

/* 26 */ a[j+1] = t;

/* 27 */ s++;

/* 28 */ }

/* 29 */ }

/* 30 */ n--;

/* 31 */ }

/* 32 */ }

/* 33 */

/* 34 */ main()

/* 35 */ {

/* 36 */ sort(array,5);

/* 37 */ }

Теперь попытайтесь откомпилировать эту программу:

$ сс -о debug1 debug1.с

Она компилируется успешно без каких-либо сообщений об ошибках или предупреждений.

Прежде чем выполнять эту программу, вставьте фрагмент кода для вывода результата. В противном случае вы не будете знать, отработала ли программа. Вы добавите несколько дополнительных строк для отображения массива после сортировки. Назовите новую версию debug2.c.

/* 33 */ #include

/* 34 */ main()

/* 35 */ {

/* 36 */ int i;

/* 37 */ sort(array, 5);

/* 38 */ for(i = 0; i < 5; i++)

/* 39 */ printf("array[3d] = (%s, %d)\n",

/* 40 */ i, array[i].data, array[i].key);

/* 41 */ }

Этот дополнительный код, строго говоря, не является частью, позже добавленной программистом. Мы заставили вас добавить его только для тестирования программы. Следует быть очень внимательным, чтобы не внести новых ошибок в ваш тестовый код. Теперь снова откомпилируйте программу и на этот раз выполните ее:

$ cc -о debug2 debug2.с

$ ./debug2

Что произойдет, когда вы сделаете это, зависит от вашей версии Linux (или UNIX) и особенностей ее установки. В своих системах мы получили следующий результат:

array[0] = {john, 2}

array[1] = {alex, 1}

array[2] = {(null), -1}

array[3] = {bill, 3}

array[4] = {neil, 4}

В еще одной системе (запускающей другое ядро Linux) мы получили следующий вывод:

Segmentation fault

В вашей системе Linux вы увидите один из приведенных результатов или совсем другой. Мы рассчитывали получить приведенный далее вывод:

array[0] = {alex, 1}

array[1] = {john, 2}

array[2] = {bill, 3}

array[3] = {neil, 4}

array[4] = {rick, 5}

Ясно, что в данном программном коде есть серьезная ошибка. Он не выполняет сортировку корректно, если вообще работает, а если он завершается с ошибкой сегментации, то операционная система посылает сигнал программе, сообщая о том, что обнаружен несанкционированный доступ к памяти, и преждевременно завершает программу, чтобы не испортить данные в оперативной памяти.

Способность операционной системы обнаружить несанкционированный доступ к памяти зависит от настройки оборудования и некоторых тонкостей реализации системы управления памятью. В большинстве систем объем памяти, выделяемый программе операционной системой, больше реально используемого. Если несанкционированный доступ осуществляется к этому участку памяти, оборудование может не выявить несанкционированный доступ. Вот почему не все версии Linux и UNIX сгенерируют сигнал о нарушении сегментации.

Некоторые библиотечные функции, такие как printf, в определенных обстоятельствах также будут препятствовать некорректному доступу, например при использовании указателя null.

Когда вы исследуете проблемы доступа к элементам массива, часто полезно увеличить размер этих элементов, поскольку это увеличит размер ошибки. Если вы читаете единственный байт за пределами массива байтов, это может вам сойти с рук, т.к. память, выделенная программе, будет округляться до величины, зависящей от операционной системы, возможно, равной 8 Кбайт.

Если вы увеличите размер элемента массива, заменив элемент типа itemмассивом из 4096 символов, любое обращение к несуществующему элементу массива, возможно, окажется за пределами выделенной памяти. Каждый элемент массива равен 4 Кбайт, поэтому некорректно используемый участок памяти будет находиться за концом массива на расстоянии от 0 до 4 Кбайт.