Как найти ошибку в программном коде

Представляем перевод статьи «How to fix bugs, step by step», опубликованный сайтом tproger.ru.

Искать ошибки в программах — непростая задача. Здесь нет никаких готовых методик или рецептов успеха. Можно даже сказать, что это — искусство. Тем не менее есть общие советы, которые помогут вам при поиске. В статье описаны основные шаги, которые стоит предпринять, если ваша программа работает некорректно.

Шаг 1: Занесите ошибку в трекер

После выполнения всех описанных ниже шагов может так случиться, что вы будете рвать на себе волосы от безысходности, все еще сидя на работе, когда поймете, что:

1. Вы забыли какую-то важную деталь об ошибке, например, в чем она заключалась.
2. Вы могли делегировать ее кому-то более опытному.

Трекер поможет вам не потерять нить размышлений и о текущей проблеме, и о той, которую вы временно отложили. А если вы работаете в команде, это поможет делегировать исправление коллеге и держать все обсуждение в одном месте.

Вы должны записать в трекер следующую информацию:

1. Что делал пользователь.
2. Что он ожидал увидеть.
3. Что случилось на самом деле.

Это должно подсказать, как воспроизвести ошибку. Если вы не сможете воспроизвести ее в любое время, ваши шансы исправить ошибку стремятся к нулю.

Шаг 2: Поищите сообщение об ошибке в сети

Если у вас есть сообщение об ошибке, то вам повезло. Или оно будет достаточно информативным, чтобы вы поняли, где и в чем заключается ошибка, или у вас будет готовый запрос для поиска в сети. Не повезло? Тогда переходите к следующему шагу.

Шаг 3: Найдите строку, в которой проявляется ошибка

Если ошибка вызывает падение программы, попробуйте запустить её в IDE под отладчиком и посмотрите, на какой строчке кода она остановится. Совершенно необязательно, что ошибка будет именно в этой строке (см. следующий шаг), но, по крайней мере, это может дать вам информацию о природе бага.

Шаг 4: Найдите точную строку, в которой появилась ошибка

Как только вы найдете строку, в которой проявляется ошибка, вы можете пройти назад по коду, чтобы найти, где она содержится. Иногда это может быть одна и та же строка. Но чаще всего вы обнаружите, что строка, на которой упала программа, ни при чем, а причина ошибки — в неправильных данных, которые появились ранее.

Если вы отслеживаете выполнение программы в отладчике, то вы можете пройтись назад по стектрейсу, чтобы найти ошибку. Если вы находитесь внутри функции, вызванной внутри другой функции, вызванной внутри другой функции, то стектрейс покажет список функций до самой точки входа в программу (функции main()). Если ошибка случилась где-то в подключаемой библиотеке, предположите, что ошибка все-таки в вашей программе — это случается гораздо чаще. Найдите по стектрейсу, откуда в вашем коде вызывается библиотечная функция, и продолжайте искать.

Шаг 5: Выясните природу ошибки

Ошибки могут проявлять себя по-разному, но большинство из них можно отнести к той или иной категории. Вот наиболее частые.

1. Ошибка на единицу
   Вы начали цикл for с единицы вместо нуля или наоборот. Или, например, подумали, что метод .count() или .length() вернул индекс последнего элемента. Проверьте документацию к языку, чтобы убедиться, что нумерация массивов начинается с нуля или с единицы. Эта ошибка иногда проявляется в виде исключения Index out of range.
2. Состояние гонки
   Ваш процесс или поток пытается использовать результат выполнения дочернего до того, как тот завершил свою работу. Ищите использование sleep() в коде. Возможно, на мощной машине дочерний поток выполняется за миллисекунду, а на менее производительной системе происходят задержки. Используйте правильные способы синхронизации многопоточного кода: мьютексы, семафоры, события и т. д.
3. Неправильные настройки или константы
   Проверьте ваши конфигурационные файлы и константы. Я однажды потратил ужасные 16 часов, пытаясь понять, почему корзина на сайте с покупками виснет на стадии отправки заказа. Причина оказалась в неправильном значении в /etc/hosts, которое не позволяло приложению найти ip-адрес почтового сервера, что вызывало бесконечный цикл в попытке отправить счет заказчику.
4. Неожиданный null
   Бьюсь об заклад, вы не раз получали ошибку с неинициализированной переменной. Убедитесь, что вы проверяете ссылки на null, особенно при обращении к свойствам по цепочке. Также проверьте случаи, когда возвращаемое из базы данных значение NULL представлено особым типом.
5. Некорректные входные данные
   Вы проверяете вводимые данные? Вы точно не пытаетесь провести арифметические операции с введенными пользователем строками?
6. Присваивание вместо сравнения
   Убедитесь, что вы не написали = вместо ==, особенно в C-подобных языках.
7. Ошибка округления
   Это случается, когда вы используете целое вместо Decimal, или float для денежных сумм, или слишком короткое целое (например, пытаетесь записать число большее, чем 2147483647, в 32-битное целое). Кроме того, может случиться так, что ошибка округления проявляется не сразу, а накапливается со временем (т. н. Эффект бабочки).
8. Переполнение буфера и выход за пределы массива
   Проблема номер один в компьютерной безопасности. Вы выделяете память меньшего объема, чем записываемые туда данные. Или пытаетесь обратиться к элементу за пределами массива.
9. Программисты не умеют считать
   Вы используете некорректную формулу. Проверьте, что вы не используете целочисленное деление вместо взятия остатка, или знаете, как перевести рациональную дробь в десятичную и т. д.
10. Конкатенация строки и числа
    Вы ожидаете конкатенации двух строк, но одно из значений — число, и компилятор пытается произвести арифметические вычисления. Попробуйте явно приводить каждое значение к строке.
11. 33 символа в varchar(32)
    Проверяйте данные, передаваемые в INSERT, на совпадение типов. Некоторые БД выбрасывают исключения (как и должны делать), некоторые просто обрезают строку (как MySQL). Недавно я столкнулся с такой ошибкой: программист забыл убрать кавычки из строки перед вставкой в базу данных, и длина строки превысила допустимую как раз на два символа. На поиск бага ушло много времени, потому что заметить две маленькие кавычки было сложно.
12. Некорректное состояние
    Вы пытаетесь выполнить запрос при закрытом соединении или пытаетесь вставить запись в таблицу прежде, чем обновили таблицы, от которых она зависит.
13. Особенности вашей системы, которых нет у пользователя
    Например: в тестовой БД между ID заказа и адресом отношение 1:1, и вы программировали, исходя из этого предположения. Но в работе выясняется, что заказы могут отправляться на один и тот же адрес, и, таким образом, у вас отношение 1:многим.

Если ваша ошибка не похожа на описанные выше, или вы не можете найти строку, в которой она появилась, переходите к следующему шагу.

Шаг 6: Метод исключения

Если вы не можете найти строку с ошибкой, попробуйте или отключать (комментировать) блоки кода до тех пор, пока ошибка не пропадет, или, используя фреймворк для юнит-тестов, изолируйте отдельные методы и вызывайте их с теми же параметрами, что и в реальном коде.

Попробуйте отключать компоненты системы один за другим, пока не найдете минимальную конфигурацию, которая будет работать. Затем подключайте их обратно по одному, пока ошибка не вернется. Таким образом вы вернетесь на шаг 3.

Шаг 7: Логгируйте все подряд и анализируйте журнал

Пройдитесь по каждому модулю или компоненту и добавьте больше сообщений. Начинайте постепенно, по одному модулю. Анализируйте лог до тех пор, пока не проявится неисправность. Если этого не случилось, добавьте еще сообщений.

Ваша задача состоит в том, чтобы вернуться к шагу 3, обнаружив, где проявляется ошибка. Также это именно тот случай, когда стоит использовать сторонние библиотеки для более тщательного логгирования.

Шаг 8: Исключите влияние железа или платформы

Замените оперативную память, жесткие диски, поменяйте сервер или рабочую станцию. Установите обновления, удалите обновления. Если ошибка пропадет, то причиной было железо, ОС или среда. Вы можете по желанию попробовать этот шаг раньше, так как неполадки в железе часто маскируют ошибки в ПО.

Если ваша программа работает по сети, проверьте свитч, замените кабель или запустите программу в другой сети.

Ради интереса, переключите кабель питания в другую розетку или к другому ИБП. Безумно? Почему бы не попробовать?

Если у вас возникает одна и та же ошибка вне зависимости от среды, то она в вашем коде.

Шаг 9: Обратите внимание на совпадения

1. Ошибка появляется всегда в одно и то же время? Проверьте задачи, выполняющиеся по расписанию.
2. Ошибка всегда проявляется вместе с чем-то еще, насколько абсурдной ни была бы эта связь? Обращайте внимание на каждую деталь. На каждую. Например, проявляется ли ошибка, когда включен кондиционер? Возможно, из-за этого падает напряжение в сети, что вызывает странные эффекты в железе.
3. Есть ли что-то общее у пользователей программы, даже не связанное с ПО? Например, географическое положение (так был найден легендарный баг с письмом за 500 миль).
4. Ошибка проявляется, когда другой процесс забирает достаточно большое количество памяти или ресурсов процессора? (Я однажды нашел в этом причину раздражающей проблемы «no trusted connection» с SQL-сервером).

Шаг 10: Обратитесь в техподдержку

Наконец, пора попросить помощи у того, кто знает больше, чем вы. Для этого у вас должно быть хотя бы примерное понимание того, где находится ошибка — в железе, базе данных, компиляторе. Прежде чем писать письмо разработчикам, попробуйте задать вопрос на профильном форуме.

Ошибки есть в операционных системах, компиляторах, фреймворках и библиотеках, и ваша программа может быть действительно корректна. Но шансы привлечь внимание разработчика к этим ошибкам невелики, если вы не сможете предоставить подробный алгоритм их воспроизведения. Дружелюбный разработчик может помочь вам в этом, но чаще всего, если проблему сложно воспроизвести вас просто проигнорируют. К сожалению, это значит, что нужно приложить больше усилий при составлении багрепорта.

Полезные советы (когда ничего не помогает)

1. Позовите кого-нибудь еще.
   Попросите коллегу поискать ошибку вместе с вами. Возможно, он заметит что-то, что вы упустили. Это можно сделать на любом этапе.
2. Внимательно просмотрите код.
   Я часто нахожу ошибку, просто спокойно просматривая код с начала и прокручивая его в голове.
3. Рассмотрите случаи, когда код работает, и сравните их с неработающими.
   Недавно я обнаружил ошибку, заключавшуюся в том, что когда вводимые данные в XML-формате содержали строку xsi:type='xs:string', все ломалось, но если этой строки не было, все работало корректно. Оказалось, что дополнительный атрибут ломал механизм десериализации.
4. Идите спать.
   Не бойтесь идти домой до того, как исправите ошибку. Ваши способности обратно пропорциональны вашей усталости. Вы просто потратите время и измотаете себя.
5. Сделайте творческий перерыв.
   Творческий перерыв — это когда вы отвлекаетесь от задачи и переключаете внимание на другие вещи. Вы, возможно, замечали, что лучшие идеи приходят в голову в душе или по пути домой. Смена контекста иногда помогает. Сходите пообедать, посмотрите фильм, полистайте интернет или займитесь другой проблемой.
6. Закройте глаза на некоторые симптомы и сообщения и попробуйте сначала.
   Некоторые баги могут влиять друг на друга. Драйвер для dial-up соединения в Windows 95 мог сообщать, что канал занят, при том что вы могли отчетливо слышать звук соединяющегося модема. Если вам приходится держать в голове слишком много симптомов, попробуйте сконцентрироваться только на одном. Исправьте или найдите его причину и переходите к следующему.
7. Поиграйте в доктора Хауса (только без Викодина).
   Соберите всех коллег, ходите по кабинету с тростью, пишите симптомы на доске и бросайте язвительные комментарии. Раз это работает в сериалах, почему бы не попробовать?

Что вам точно не поможет

1. Паника
   Не надо сразу палить из пушки по воробьям. Некоторые менеджеры начинают паниковать и сразу откатываться, перезагружать сервера и т. п. в надежде, что что-нибудь из этого исправит проблему. Это никогда не работает. Кроме того, это создает еще больше хаоса и увеличивает время, необходимое для поиска ошибки. Делайте только один шаг за раз. Изучите результат. Обдумайте его, а затем переходите к следующей гипотезе.
2. «Хелп, плиииз!»
   Когда вы обращаетесь на форум за советом, вы как минимум должны уже выполнить шаг 3. Никто не захочет или не сможет вам помочь, если вы не предоставите подробное описание проблемы, включая информацию об ОС, железе и участок проблемного кода. Создавайте тему только тогда, когда можете все подробно описать, и придумайте информативное название для нее.
3. Переход на личности
   Если вы думаете, что в ошибке виноват кто-то другой, постарайтесь по крайней мере говорить с ним вежливо. Оскорбления, крики и паника не помогут человеку решить проблему. Даже если у вас в команде не в почете демократия, крики и применение грубой силы не заставят исправления магическим образом появиться.

Ошибка, которую я недавно исправил

Это была загадочная проблема с дублирующимися именами генерируемых файлов. Дальнейшая проверка показала, что у файлов различное содержание. Это было странно, поскольку имена файлов включали дату и время создания в формате yyMMddhhmmss. Шаг 9, совпадения: первый файл был создан в полпятого утра, дубликат генерировался в полпятого вечера того же дня. Совпадение? Нет, поскольку hh в строке формата — это 12-часовой формат времени. Вот оно что! Поменял формат на yyMMddHHmmss, и ошибка исчезла.

Недавно мы рассказали о том, как начать писать программы на JavaScript:

Теперь шагнём дальше — изучим отладку скриптов в браузере и посмотрим, чем она может нам помочь.

Что такое отладка

Отладка — это поиск и исправление ошибок в программе. Например, мы написали скрипт, добавили его на страницу, настроили запуск по нажатию кнопки — а при нажатии ничего не происходит. При этом в консоли нет никаких ошибок — все команды верные, браузер просто что-то делает, а результата нет. Отладка нужна как раз для того, чтобы найти ошибку и исправить её.

Варварская отладка

Самый примитивный вариант отладки — добавить в код на JavaScript метод console.log(), поместив в скобки нужные данные для отладки. Console.log() — это просто способ вывести в консоль какой-нибудь текст. 

Например, внутри функции можно сказать: console.log(‘Вызвана такая-то функция’) — и в нужный момент мы увидим, что функция вызвалась (или нет). 

Минус этого подхода в том, что в коде появляется много отладочного мусора. А ещё, если мы не предусмотрели логирование для какой-то функции, то мы не поймаем в ней ошибку. 

К счастью, помимо console.log() человечество изобрело много удобных инструментов отладки. 

Что нужно для отладки

Для несложных проектов на JavaScript проще всего использовать встроенный отладчик в браузере Google Chrome. Единственное ограничение — он работает только с файлами скриптов, а не со встроенным в страницу кодом. Это значит, что если код скрипта находится внутри HTML-файла внутри тега <script>, то отладка не сработает.

Чтобы открыть панель отладки в Chrome, нажимаем ⌘+⌥+I и переходим на вкладку Sources (Источники):

Открываем скрипт

Допустим, мы хотим посмотреть, как работает скрипт из задачи про выпечку и как он перебирает все варианты. 

Всё, что у нас есть, — это код. Чтобы мы смогли его отладить, его нужно положить в отдельный файл скрипта, присоединить к HTML-документу и запустить в браузере. 

Открываем любой текстовый редактор, например Sublime Text, вставляем код скрипта и сохраняем файл как temp.js. Имя может быть любым, а после точки всегда должно стоять js — так браузер поймёт, что перед нами скрипт.

После этого в новом файле вставляем шаблон пустой HTML-страницы и подключаем наш скрипт — добавляем в раздел <body> такую строку:

<script type="text/javascript" src="temp.js"></script>

Получиться должно что-то вроде такого:

<!DOCTYPE html>
<html lang="ru">
<head>
	<meta charset="utf-8">
	<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
	<title></title>
</head>
<body>
	<script type="text/javascript" src="temp.js"></script>
</body>
</html>

Сохраняем этот код как HTML-файл, например index.html, и кладём в ту же папку, что и скрипт. Теперь заходим в папку и дважды щёлкаем по HTML-файлу, чтобы открыть эту страницу в браузере:

На странице ничего нет, но нам нужна не страница, а скрипт, поэтому находим слева наш файл temp.js и нажимаем на него — откроется код скрипта. Теперь можно начинать отладку:

Добавляем точки остановки

Точка остановки — это место, в котором наш скрипт должен остановиться и ждать дальнейших действий программиста. Их ещё называют брейкпоинты, от английского breakpoint — точка, где всё останавливается. 

Когда скрипт доходит до этой точки, он ставит скрипт на паузу. При этом все данные и значения переменных скрипта остаются в памяти — в них можно заглянуть.

Брейкпоинт нужен для того, чтобы выполнить скрипт по шагам, начиная с первой команды. Чтобы его установить, нажимаем на номер строки с первой командой — в нашем случае это строка 2:

Обновим страницу и увидим, что скрипт начал работу и остановился. Но он остановился не на второй строке, а на шестой — всё потому, что это первая строка в скрипте, где происходит какое-то действие. Дело в том, что просто объявление новых переменных не влияет на работу скрипта, поэтому он ищет первую команду с действием. В нашем случае — это цикл for:

Пошаговая отладка

Чтобы посмотреть на работу скрипта по шагам, надо нажимать F9 или стрелку вправо с точкой на панели отладки:

Каждый раз, как мы будем нажимать F9 или эту кнопку, скрипт будет переходить к следующей команде, выполнять её и снова становиться на паузу:

Добавляем переменные для отслеживания

Если просто выполнять скрипт по шагам, то мы увидим, какие команды и в каком порядке выполняются, но не будем знать, какие значения лежат в переменных на каждом шагу. Их можно увидеть, просто наведя курсор на любую переменную — над ней появится всплывающая подсказка с текущим значением. Но так работать неудобно — проще сразу видеть значения всех переменных.

Чтобы добавить переменную и видеть её значение во время выполнения, в панели отладки в разделе Watch нажимаем плюсик, вводим имя переменной, выбираем её из списка и нажимаем энтер:

Теперь видно, что на этом шаге значение переменной a равно нулю:

Точно так же добавим остальные переменные: i, b, c. Так мы увидим, что первые два цикла только начались, а внутренний прошёл уже три итерации:

Так, нажимая постоянно F9, мы прогоним весь скрипт до конца и посмотрим, при каких значениях какие условия выполняются и как находится решение:

Но у такого подхода есть минус — если вложенных циклов много или скрипт очень большой, то на пошаговое выполнение уйдёт много времени. Чтобы не перебирать всё вручную, ставят дополнительные брейкпойнты в нужных местах.

Отладка брейкпойнтами

Допустим, нам важно понять, в какой момент скрипт находит и выдаёт решение. Глядя в код, мы понимаем, что как только скрипт дошёл до команды console.log() — он нашёл очередное решение. Это значит, что мы можем поставить брейкпоинт только на эту строчку и не прогонять вручную весь скрипт: он сам остановится, когда дойдёт до неё, а мы сможем посмотреть значения переменных в этот момент.

Для этого:

После этого скрипт продолжит работу сам и снова остановится, как только дойдёт до этой строки. Обратите внимание на значения переменных — они меняются к каждой остановке, а значит, скрипт работает как обычно, но останавливается в нужном нам месте:

Таких точек остановки можно поставить сколько угодно и в любой момент — на каждой из них отладчик остановится и покажет текущее состояние скрипта.

Зачем это всё

Отладка нужна, чтобы найти ошибки в программе. Если мы видим, что на очередном шаге в переменной находится не то, что мы ожидали увидеть, значит, что-то в коде идёт не так. Мы ставим брейкпоинт на начало нужных команд, запускаем отладку и находим команду, которая приводит к ошибке.

В следующей статье мы покажем на примере с реальным кодом, как отладка помогает находить и исправлять такие ошибки. Подпишитесь, чтобы не пропустить это.

Вчера всё работало, а сегодня не работает / Код не работает как задумано

или

Debugging (Отладка)

---

В чем заключается процесс отладки? Что это такое?

Процесс отладки состоит в том, что мы останавливаем выполнения скрипта в любом месте, смотрим, что находится в переменных, в функциях, анализируем и переходим в другие места; ищем те места, где поведение отклоняется от правильного.

Заметка: Отладка производится как правило в IDE (Интегрированная среда разработки). Что это такое можно чуть подробнее ознакомиться в вопросе

Какие есть способы предупреждения ошибок, их нахождения и устранения?

В данном случае будет рассмотрен пример с Visual Studio, но отладить код можно и в любой другой IDE.

---

Подготовка

Достаточно иметь в наличии IDE, например Visual Studio

Запуск

Для начала в левой части панели с кодом на любой строке можно кликнуть ЛКМ, тем самым поставив точку останова (breakpoint — брейкпойнт). Это то место, где отладчик автоматически остановит выполнение C#, как только до него дойдёт. Количество breakpoint’ов не ограничено. Можно ставить везде и много.

Отладка запускается сочетанием F5 или выбором в верхнем меню Debug → Start Debugging

В данном случае, т.к. функция вызывается сразу на той же странице, то при нажатии кнопки Debug — отладчик моментально вызовет метод, выполнение «заморозится» на первом же брейкпойнте. В ином случае, для активации требуется исполнить действие, при котором произойдет исполнение нужного участка кода (клик на кнопку в UI, передача POST запроса с данными и прочие другие действия)

Цифрами обозначены:

1. Стэк вызовов, все вложенные вызовы, которые привели к текущему месту кода.
2. Переменные. На текущий момент строки ниже номера 8 ещё не выполнилась, поэтому определена лишь data и numsStringArr
3. Показывает текущие значения любых переменных и выражений. В любой момент здесь можно вписать имя любой переменной в поле name и посмотреть её значение в реальном времени. Например data или nums[0], а можно и nums[i] и item.test.data.name[5].info[key[1]] и т.д. На текущий момент строки ниже номера 24 ещё не выполнилась, поэтому num (которая появляется лишь в цикле foreach) во вкладке Watch обозначена красным цветом с надписью «The name ‘num’ does not exist in the current context».

Процесс

Для самого процесса используются элементы управления (см. изображение выше, выделено зеленым прямоугольником)

Show Next Statement (Alt+Num *) — переносит в файл и текущую линию отлаживаемого скрипта. Например если файлов много, решили посмотреть что в других вкладках, а потом забыли где у вас отладка

Step Over (F10) — делает один шаг не заходя внутрь функции. Т.е. если на текущей линии есть какая-то функция, а не просто переменная со значением, то при клике данной кнопки, отладчик не будет заходить внутрь неё.

Step Into (F11) — делает шаг. Но в отличие от предыдущей, если есть вложенный вызов (например функция), то заходит внутрь неё.

Step Out (Shift+F11) — выполняет команды до завершения текущей функции. Удобна, если случайно вошли во вложенный вызов и нужно быстро из него выйти, не завершая при этом отладку.

Restart (Ctrl+Shift+F5) — Перезапустить отладку

Continue (F5) — Продолжает выполнения скрипта с текущего момента. Если больше нет других точек останова, то отладка заканчивается и скрипт продолжает работу. В ином случае работа прерывается на следующей точке останова.

Stop Debugging (Shift+F5) — Завершить отладку

…

Итак, в текущем коде видно значение входного параметра:

• data = "23 24 11 18" — строка с данными через пробел
• numsStringArr = {"23", "24", "11", "18"} — массив строк, который получился из входной переменной.

Если нажмем F10 2 раза, то окажемся на строке 11; во вкладках Watch и Variables и в самой странице с кодом увидим, что nums была инициализирована и в ней лежит массив целых чисел {23, 24, 11, 18} .

Если теперь нажмем F10, то попадем внутрь цикла foreach и нажимая теперь F10 пока не окончится цикл, можно будет наблюдать на каждой итерации, как значение num и sum постоянно изменяются. num теперь можно будет наблюдать во вкладке Watch, потому что сейчас она доступна внутри цикла. Тем самым мы можем проследить шаг за шагом весь процесс изменения любых переменных и значений на любом этапе, который интересует.

Дальнейшие нажатия F10 переместит линию кода на строки 15, 16 и, наконец, 20.

---

Дополнительно

Если перейти во вкладку Breakpoints в нижней панели, то можно посмотреть все брейкпойнты, удалить все брейкпойнты, включить/выключить, а также еще более тонко настроить условие, при котором на данной отметке надо остановиться. В методе выше, например, нужно остановиться только когда sum превысит значение 20.

Это удобно, если останов нужен только при определённом значении, а не всегда (особенно в случае с циклами).

Больше информации об отладке можно посмотреть в Сведения об отладке кода C# с помощью Visual Studio.