FAV-ZCU/KIV PPA1/9. Ověřování správnosti programu, ladění.md

Ověřování správnosti programu, ladění

• Při vytváření programů je do zdrojového kódu (neúmyslně) zaneseno mnoho různých chyb od překlepů přes neošetření hraničních případů až po logické chyby v celkovém chování programu
• Část chyb odhalí překladač (a upozorní nás na ně IDE nástroj) – chyby při překladu
• Část chyb překladač neodhalí a program jde přeložit
  • POZOR!
    • Pokud jde program přeložit, neznamená to, že funguje správně!
    • Program může (někdy nebo vždy) dávat nesprávné výsledky
    • Může docházet k chybám za běhu programu
• Chyby, které překladač neodhalí (chyby za běhu programu), je třeba najít a opravit opakovaným opravováním, překládáním a spouštěním programu s využitím vhodných vstupních dat
  • Tato činnost se nazývá ladění (častěji debugging)
• Lze provádět ručně nebo s využitím specializovaného nástroje zvaného debugger – součást téměř všech IDE nástrojů
  • Často se používá kombinace obou přístupů
• Vyšší fází ladění je testování
  • Zjišťuje se, zda program pracuje správně pro všechny typy vstupů, zda reaguje správně na neplatné vstupy apod.
  • Podrobně viz předmět KIV/OKS

Odhalení chyb při psaní zdrojového kódu a při překladu

• Překladač javac umí odhalit především syntaktické chyby
  • Často způsobené překlepy v názvech proměnných, metod, zapomenutím na import třídy, zapomenutím deklarace proměnné, atd.
  • Všechny nalezené chyby jsou vypsány při překladu
• Překlad v příkazové řádce
  • Pokud překládáme program ručně v příkazové řádce příkazem javac, objevíme chyby až po spuštění překladu
  • Protože překlad netrvá dlouho (pro malé programy), je možné provádět ho během vývoje opakovaně, např. při každém inkrementálním přidání funkcionality
    • Nalezené chyby lze průběžně odstraňovat
    • Odstranění chyby se ověří opakovaným překladem
  • Je možné i napsat celý program a poté odstranit chyby najednou
    • Odstranění chyb se opět ověří opakovaným překladem
  • POZOR!
    • Při opakovaném překladu se počty chyb mohou snižovat i zvyšovat
    • Překladač se snaží při překladu najít co možná nejvíce chyb tj. neskončí při první nalezené chybě, ale pokud to jde, pokračuje dále
    • Některé chyby jsou však z pohledu překladače natolik zásadní (ač z pohledu člověka vypadají banálně – např. zapomenutý středník „;“ nebo složená závorka „}“), že mu znemožní kontrolu velké části kódu
    • Po opravení takové chyby může překladač tuto přeskočenou část zkontrolovat a tím odhalit další, dosud neodhalené chyby počet chyb může po odstranění chyby vzrůst

Čtení a porozumění výstupu překladače

• Výstup překladače (tj. výpis chyb při překladu) se zobrazí po skončení překladu v příkazové řádce nebo v konzoli IDE nástroje
• Výstup nemusí být stejný v IDE a v příkazové řádce

Ladění (debugging)

• Pokud se program podaří přeložit, ještě to neznamená, že funguje správně
  • Většinou správně nefunguje, i když jde přeložit
• Chyby v chování programu neodhalí překladač, musí je najít sám programátor
• Chybné chování programu se typicky projevuje:
  • Program je předčasně ukončen s chybovým hlášením (vždy nebo někdy)
    • Je třeba rozumět chybovému hlášení
  • Program zdánlivě funguje, ale dává pro některé či všechny vstupy zcela špatné nebo částečně špatné výsledky
  • Ladění je možno provádět ručně tzv. metodou ladících výpisů a/nebo s využitím specializovaného ladícího nástroje (debuggeru)
  • POZOR!
    • Program se nedá považovat za odladěný po vyzkoušení jednoho či několika málo vstupů
    • Je potřeba zkoušet více různých vstupních hodnot, netypické hodnoty apod.
    • Je potřeba zkoušet i neplatné hodnoty, na něž by měl program adekvátně reagovat
      • To však zatím není probráno

Chybové hlášení za běhu programu

• Pokud dojde za běhu programu k chybě (přesněji k vyhození výjimky) a tato chyba není v programu ošetřena, program je předčasně ukončen a do konzole (či příkazové řádky) se vypíše chybové hlášení
• Chybové hlášení
  • Vypíše, o jakou chybu (výjimku) se jedná (její název a někdy i popis)
  • Vypíše tzv. stack trace (výpis zásobníku)
    • Zjednodušený obsah zásobníku (stack) programu v okamžiku, kdy k chybě došlo
    • Obsahuje volání metod – je jasné, v jaké metodě přesně došlo k chybě (první uvedená metoda) a ze které metody byla tato metoda volána (další uvedená metoda)
    • Následují další metody, které byly hierarchicky volány až k metodě main()
    • V jednoduchých programech je většinou zobrazeno i číslo řádky, na které k chybě došlo
  • Hlášení o chybách za běhu programu typicky vypadají stejně v příkazové řádce i v konzoli IDE nástroje

Metoda ladících výpisů

• Metoda ladících výpisů se používá, pokud nemáme k dispozici debugger, nebo ho z nějakého důvodu nechceme použít
• Na vhodná místa programu vložíme volání metody System.out.println()
  • Můžeme vypisovat hodnoty důležitých proměnných
  • Můžeme pomocí výpisu unikátních značek (tj. textů) určit, kde se program
• přesně nachází (podle toho, co a v jakém pořadí program vypíše)

Použití debuggeru v Eclipse

• Debugger umožňuje dělat automaticky to, co musíme ručn pomocí kontrolních výpisů a umožňuje mnohem více
  • Sledování hodnot vybraných proměnných a výrazů
  • Krokování programu řádku po řádce
  • Nastavení breakpointů – bodů, ve kterých se program zastaví a umožní od něj krokování
• Spuštění debuggeru v Eclipse
  • Vytvoření breakpointu
    • Pro zapnutí debuggeru je potřeba nastavit breakpoint, tedy bod, od kterého bude program krokován
    • Breakpoint se na určitou řádku nastaví dvojklikem vlevo od požadované řádky
    • Alternativou je kliknout pravým tlačítkem na stejné místo => vybrat Toogle breakpoint
    • Přítomnost breakpointu na řádce je indikována symbolem
    • Stejným způsobem lze breakpoint odstranit
  • Spuštění debuggeru
    • Mít aktivní třídu s breakpointem
    • Debug as… => Java Application
    • Pokud si Eclipse není jistý, který program chcete debuggovat, dá vám na výběr
    • Pokud není zvolen žádný breakpoint, program proběhne jako při normálním spuštění
  • Po spuštění debuggeru program běží normálně, dokud nedosáhne breakpointu
    • Potom se objeví dotaz, zda chceme spustit debug perspektivu, která přepne rozložení oken Eclipse
• Popis debug perspektivy v Eclipse
  • Okno zásobníku
    • Ukazuje, v jaké části programu se právě nacházíme
    • Jde o zobrazení části paměti zásobník obsahující rámce pro jednotlivé volání metod
    • Toto okno příliš nevyužíváme
  • Okno editoru
    • Okno se zdrojovým kódem
    • V debug perspektivě se zpravidla nepoužívá pro úpravu kódu
    • Zelený pruh určuje řádku, na které se program právě nachází při jeho krokování
    • Jsou vidět nastavené breakpointy
    • Nejdůležitější okno debuggeru
  • Okno se strukturou programu (outline)
    • Zobrazuje strukturu programu (jednotlivé třídy a metody)
    • Toto okno příliš nevyužíváme
  • Okno konzole
    • Okno, do kterého se vypisuje výstup programu
    • Uživatel zde rovněž zadává vstup programu, pokud je třeba
  • Okno sledování proměnných
    • Zde můžeme sledovat všechny proměnné a jejich aktuální hodnoty během krokování programu
    • Druhé nejdůležitější okno debuggeru
    • V záložce Breakpoints je seznam všech nastavených breakpointů
• Ovládání debuggeru
  • V okamžiku, kdy se program zastaví na breakpointu, lze pokračovat v jeho krokování různými způsoby
    • Step Into - též klávesa [F5]
      • Provede jeden krok programu
      • Pokud je tímto krokem volání metody, skočí do této metody
    • Step Over – též klávesa [F6]
      • Provede jeden krok programu
      • Pokud je tímto krokem volání metody, provede ji celou jako jeden krok (tj. do metody neskočí)
    • Step Return – též klávesa [F7]
      • Provede všechny zbývající příkazy v metodě, vyskočí z ní a zastaví se na dalším řádku volající metody
    • Resume – též klávesa [F8]
      • Provede všechny příkazy od aktuální pozice až k dalšímu breakpointu (nebo do ukončení programu) normálně (tj. bez krokování)
    • Terminate – též [Ctrl]+[F2]
      • Ukončí provádění programu
  • Nastavení filtrů krokování (step filters)
    • Umožní omezit, do kterých metod je možné při krokování skočit
      • Např. nechceme, abychom se při krokování dostali do knihovních tříd a metod Java Core API
    • Zapnutí filtrů krokování (Use Step Filters – též [Ctrl]+[F5])
      • Pokud je tlačítko zapnuté, filtry jsou použity a do vybraných balíků nevstoupí ani možnost Step Into
    • Sledování hodnot proměnných (okno sledování proměnných)
      • Záložka Variables
      • Automaticky zobrazuje platné lokální proměnné a jejich hodnoty
      • Pro zobrazení statických proměnných a konstant je nutné je zaškrtnout
        • => Java => Show Constants a Show Static Variables
    • Zobrazení aktuální hodnoty proměnné
      • Stačí kurzorem myši najet v okně editoru na proměnnou, která nás zajímá
• Díky debuggeru přesně vidíme, co se v programu děje, jaké jsou hodnoty proměnných
  • Podstatně komfortnější, než kontrolní výpisy
  • Lze vyzkoušet na odhalení chyb v programu pro výpočet faktoriálu