Логические ошибки: основные беды начинающих программистов

0
5409
views

Логические ошибки

Опытные программисты знают, что ошибки в программе делятся на два основных типа. Первая разновидность — это баги, которые вылавливаются при компиляции. К ним относятся преимущественно проблемы с синтаксисом, явная несовместимости типов и т.д. Эту разновидность багов исправляют на этапе разработки, так как компилятор «вылетает по ошибке». Их просто невозможно не заметить.

Второй тип – системные или логические ошибки – намного сложнее выявить. Компилятор их не замечает. Программа полностью работоспособна. Но в некоторых случаях она начинает выдавать результаты, отличные от ожидаемых.

Выявить этот вид багов удается только на этапе тестирования. И хорошо, если ошибку удается исправить локальной «заплаткой». Нередко приходится менять практически весь алгоритм. А это – дополнительные затраты времени, сил, а в коммерческих проектах – финансовые, а иногда и репутационные потери.

Застраховаться полностью от логических ошибок невозможно. Но вполне реально изучить самые распространенные типы таких багов и проверять на них программу на самых ранних этапах.

Алгоритм – основа всех основ

Написание алгоритма – это самый первый этап разработки, когда идеи только обретают форму еще без привязки к языку программирования. Нередко начинающие программисты относятся к созданию алгоритма «спустя рукава» — делают только «общие наброски» или вообще приступают к кодингу сразу без предварительной проработки логики «на бумаге».

Такой подход возможен при решении учебных задач на 10-15 строк кода. Но при работе над серьезным программным продуктом пренебрежение алгоритмом – почти гарантированный путь к логическим ошибкам и катастрофическим результатам.

Как работать с алгоритмом:

  • Начинайте с малого. Запишите алгоритм упрощенно, в виде «черных ящиков» (логических блоков без подробностей их работы). Это поможет оценить работоспособность идеи в целом.
  • Двигайтесь сверху вниз. Сначала – общая идея «в целом», далее – детализация основных функций и так далее. Не бойтесь ставить «заглушки» и прорабатывать мелкие детали в последнюю очередь. Двигаться сверху вниз проще и с точки зрения логики, и психологически.
  • Пишите команды «от имени компьютера». Помните, что вы имеете дело не с человеком, а с компьютером, который буквально выполняет команды и после каждого шага ждет ответа на вопрос «что делать». Например, логический блок «сохранение документа» будет понятен вам, но не компьютеру. Он вполне подойдет на этапе крупных блоков в качестве заглушки. Но далее придется проработать все действия пошагово с учетом выбранного языка программирования.
  • Делите код на отдельные модули (блоки), которые можно будет запускать отдельно друг от друга. Это сильно облегчит как алгоритмизацию, так и процесс отладки.
  • Читайте алгоритм «как будто компьютер». Проверяйте себя на каждом этапе. Главное правило – одинаковые данные всегда должны вести к одинаковым результатам.

Итак, алгоритм написан и проверен со всех сторон. Выбран язык программирования. Начинается процесс кодинга. Давайте разбираться, на что обращать особое внимание.

Что делать начинающим программистам

«Не туда положил»: о типах данных

Здесь проблемы возникают в двух случаях:

  1. При статической типизации в таких языках, как С++, Java или С# неверно определен тип переменной. Большинство подобных ошибок выявляет компилятор. Но здесь есть свои «лазейки» для багов. Например, в С# вполне возможно «положить» вещественное значение в целочисленную переменную. И оно просто округлится до целого. Т.е. вместо 1,3 у вас будет храниться значение 1. Само собой, все дальнейшие вычисления будут содержать ошибку.
  2. При динамической типизации (JavaScript, Python, PHP) неявное приведение типов – самое обычное дело. А потому здесь даже компилятор промолчит в случае ошибки. Например, вы планируете получить целочисленное значение, для чего отправляете результаты вычислений в переменную типа int. Но программа видит «знаки после запятой», и переменная без вашего участия меняет тип на float.

Самый известный пример подобной ошибки – деление двух целых чисел с остатком.

int a = 25;

int b = 8;

float c = a/b;

Console.Write(c);

Как вы думаете, какое число будет выведено на экран после выполнения последней строки? По идее, это должно быть 3,125. Но, например, в C# вы увидите целую цифру «3». Причем, тип переменной С будет float, как вы и заказывали.

Здесь проблема в другом: компилятор сначала проводит целочисленное деление, так как определяет переменные A и B как относящиеся к типу int. И полученный результат отправляет в переменную C (тип float). Целое значение (32 разряда) прекрасно помещается в 64-разрядный float, отведенный под хранение результата. Компилятор не видит ошибки. А у вас в программе появляются неточные вычисления, которые могут повлечь за собой большие проблемы.

Аналогичным образом компилятор округлит значение до целого и в Python 2. А уже в Python 3 алгоритм преобразования типов сработает иначе: сначала определится тип переменной, куда отправляется значение, а потом будет проводиться деление. После компиляции кода в Python 3 вы получите c=3,125.

Необходимо четко понимать, как работает преобразование типов в выбранном языке программирования. И в случае любых сомнений проверять результаты в отладчике.

Высвобождение ресурсов: до 100% загрузки процессора

Если вы работаете с языком, где реализована автоматическая сборка мусора, внимательно следите за тем, как происходит высвобождение ресурсов. В отдельных случаях эта полезная функция может начать работать во вред: отбирать для себя максимум памяти, загружать дополнительными задачами процессор, замедлять и даже «подвешивать» программу.

Например, в Java этот процесс работает так:

  • Виртуальная машина проводит поиск ненужных объектов;
  • Составляет из них очередь на удаление;
  • По мере продвижения очереди очищает ячейки памяти.

В результате очередь может стать настолько большой, что компьютер перестанет с ней справляться. А до удаления всех ненужных объектов дело может даже не дойти.

Как итог, программа «загрязняет» память служебной информацией. Кроме того, формируется уязвимость: в этой «свалке данных» могут оказаться логины с паролями и другие личные данные.

Намного надежнее своевременно применять функции типа try-with-resources и try-finally. И все ресурсы очищать в том коде, где вы их получили.

И еще: не забывайте закрывать сессии и файлы сразу после того, как они перестают быть нужны. Это должно быть также естественно, как закрыть скобку в коде.

Конфликт интересов

Конфликт потоков: кто первый успеет?

Если программа работает с несколькими потоками одновременно, необходимо исключить ситуацию конфликта потоков. Так бывает, когда процессы наперегонки пытаются работать с общими ресурсами, в итоге нарушают целостность данных и последовательность действий.

Например: первый поток в результате вычислений получает значение 1, отправляет его в переменную. В это время второй поток перехватывает доступ и обнуляет эту переменную. А первый – сохраняет значение. В результате вы планировали запомнить значение 1. А у вас сразу после вычислений сохраняется 0. И далее копятся ошибка за ошибкой.

Чтобы избежать этой проблемы не забывайте при работе с разными потоками ставить блокировки, чтобы они не обращались одновременно к одним и тем же ресурсам. Можно применять и другие методы синхронизации – события, семафоры, критические секции.

Переменные: склонность к глобализации

Эта ошибка популярна у новичков – стремление объявить сразу все переменные и сделать их глобальными. В результате таких действий вы:

  • перегружаете ресурсы оборудования;
  • получаете множество уязвимостей, которые сложно закрыть;
  • усложняете в разы отладку и поиск багов.

На глобальном уровне определяют только необходимый минимум – те самые глобальные переменные, с которыми работают практически все модули. Все остальные объявляйте в тех модулях, где они работают. И не забывайте об идентификаторах ограничения доступа: public, private и protected.

Переполнение буфера в С/С++: «танцы на граблях»

В большинстве современных языках программирования высокого уровня вопрос буферизации решен на автоматическом уровне. Например, Java самостоятельно контролирует размер буфера и определяет границы массивов.

Но нередко для экономии ресурсов программисты используют C-библиотеки. В этом случае очень важно следить за буферизацией. Дело в том, что языки C/С++ очень уязвимы к переполнению буфера. Если он окажется меньше, чем нужно для работы, программа попытается использовать память за пределами выделенного участка. Результат – многочисленные, можно сказать, легендарные ошибки, когда в обрабатываемые данные попадает «неведомый мусор».

Хуже того, это очень известная уязвимость. С 1988 года хакеры пользуются этой «дырой», чтобы подменить адрес возврата в стеке на собственный. Так в программу попадает подставная функция, которая передает управление коду мошенников.

Изучите особенности работы с буфером и методы борьбы с его переполнением, чтобы не пополнить число «танцующих на граблях с 30-летней историей».

Отладка и поиск логических багов

И, напоследок, несколько советов, как выявить проблему, если вы подозреваете, что с программой что-то не так.

  • Пользуйтесь возможностями отладчика вашей IDE. Ставьте контрольные точки, отражайте на консоли ход выполнения и значения переменных, переходите в «пошаговый режим» выполнения в наиболее «подозрительных» участках кода. Так вы быстрее сможете локализовать проблему.
  • Помните: компилятор может неправильно указывать строку с ошибкой. Если вам повезло, и компилятор помог вам выявить баг, не спешите радоваться. При «завершении с ошибкой» вы видите номер строки, в которой выполнение программы стало невозможным. Если проблема в простейшей опечатке (синтаксис), то строка с багом вам известна. В случае логических ошибок вероятнее всего, проблема появилась на более ранних этапах работы программы. А в указанной строке была попытка использовать ошибочные данные, что и привело к аварийному завершению.
  • Старый добрый листинг программы тоже может помочь. Если вы запутались и не знаете, что делать, распечатайте код и попробуйте его «выполнить» как будто вы – и есть компьютер. Шаг за шагом двигайте по командам. Переходите от блока к блоку так, как это делает программа. На каждом этапе вычисляйте и фиксируйте значения переменных (калькулятором пользоваться можно). И сверяйте результаты с ожидаемыми. Все в порядке? Двигайтесь дальше. Что-то не так? Ура! Вы локализовали баг. Можно возвращаться за компьютер и разбираться подробнее в этом фрагменте кода в отладчике.

И самое главное: не бойтесь что-то менять, в том числе, на глобальном уровне. Лучше переписать «сырой» код на раннем этапе разработки практически полностью, чем из-за серьезной логической ошибки терять в скорости и качестве работы программы, пытаясь использовать кучу «заплаток». От ошибок не застрахован никто. Потраченного времени жаль, но это – ваш личный практический опыт. А программа должна работать быстро, надежно и, самое главное, правильно.



ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here