Отладка и тестирование программ

Программы не всегда правильно работают сразу после набора их кода и компиляции. Если программа правильно сработала при первом ее запуске, то все равно нет полной уверенности в том, что она не содержит ошибок. Поэтому важная и трудоемкая часть процесса разработки программ – их отладка и тестирование.

Тестированием называются пробные запуски программы с различными вариантами входных значений и проверка правильности работы. Для того чтобы убедиться в правильности работы программы, нужно проверить, что варианты входных значений охватывают все типичные случаи использования программы.

Особое внимание нужно уделить так называемым «граничным случаям» входных значений. Например, если входными данными некоторой программы является число из некоторого диапазона, то для проверки правильности программы нужно запустить ее со значением входной переменной, равной значению в начале разрешенного диапазона, потом – равной значению в конце диапазона и третий раз запустить программу со значением входной переменной, взятым из середины диапазона.

Если при тестировании программы были обнаружены ошибки, то нужно проводить ее отладку. Отладка – это комплекс действий, предназначенный для нахождения и исправления ошибок в программе. При отладке анализируются результаты тестирования, причины, по которым могла произойти ошибка, фрагменты программы, которые могли вызвать эту ошибку. Производятся также дополнительные тесты, которые позволят локализовать ошибку, т. е. уточнить, в какой части программы ее следует искать.

Простейший способ тестирования и отладки программ состоит в их запуске «по шагам» и в просмотре значений переменных после выполнения каждого оператора в программе. Такой способ легко применить при наличии интегрированной среды разработки, и он в некоторых случаях позволяет быстро найти ошибку.

При увеличении размера программ такой способ тестирования приводит к значительному объему работы, часто бесполезной. Основной способ снизить этот объем – проанализировать ситуацию перед тем, как начинать отладку и тестирование программы.

В рамках изучения дисциплины «Технология программирования» используется платформа для разработки приложений, в которой отсутствуют средства для выполнения программы «по шагам» и просмотра значений переменных. Это сделано с целью выработки у студентов навыков правильного тестирования и отлаживания программы.

Грамотный подход к тестированию состоит в том, что нужно заранее (чаще всего до написания самой программы) составить набор тестов. Отладка любой нетривиальной программы требует неоднократного тестирования после каждой исправленной ошибки, поэтому нужно написать вспомогательную программу или функцию, которая автоматически выполняла бы весь набор тестов. Пример такой программы приведен в приложении. В примере тестируется функция, которая находит количество элементов в наиболее длинной последовательности одинаковых элементов в массиве. В программе заданы три возможных варианта входных значений этой функции и приведен правильный результат, который должна выдать тестируемая функция. Тестируемая функция запускается три раза, и на экран выводятся результаты тестирования: входные данные, полученный результат.

Если не использовать подобные тесты, а пытаться вручную запускать функцию в трех вариантах после каждого исправления ее кода, потребуется выполнить много работы. Чаще всего это приводит к тому, что после исправления ошибки функция тестируется не на все возможные варианты входных значений, что, в свою очередь, приводит к тому, что не все ошибки будут обна-ружены.

После того, как при тестировании будут обнаружены ошибки, нужно их найти. Часто о месте нахождения ошибки в программе можно судить по результатам теста. В других случаях нужно внимательно анализировать код программы и ход ее выполнения.

Просмотр значений переменных, как и тестирование, можно также «автоматизировать». Для этого нужно определить критические участки программы. Далее требуется решить, какие значения переменных нужны для анализа критического участка. После этого следует временно вставить в критический участок оператор, распечатывающий значения нужных переменных. Например, при построении циклов значения переменных лучше смотреть после окончания цикла, интересующими значениями в данном случае обычно являются счетчик циклов и переменные, входящие в условие его окончания.

После этого можно запустить программу и увидеть значения сразу всех переменных на всех критических участках. Такой способ выгодно отличается от просмотра значений отдельных переменных в режиме отладки тем, что, во-первых, видны значения всех переменных в разные моменты времени сразу и, во-вторых, не затрачиваются усилия на то, чтобы остановить выполнение программы и вывести значения переменных.

Для того чтобы быстрее включать и выключать оператор печати отладочных сообщений, можно воспользоваться директивами препроцессора компилятора языка С. Директивы препроцессора – это специальные команды, которые компилятор выполняет во время компиляции.

Для включения или отключения части кода в программу можно воспользоваться директивой «#ifdef символ код #endif». Если определен символ «символ», то «код» будет скомпилирован и включен в программу, иначе «код» будет просто пропущен.

Для того чтобы определить символ препроцессора, можно либо воспользоваться директивой «#define символ», либо указать этот символ непосредственно компилятору с помощью ключа «-D». Примеры использования директив для условной компиляции можно посмотреть в приложении.

При структурной разработке программ тестировать нужно как программу целиком, так и каждую функцию в отдельности. Причем каждая функция должна тестироваться по полной программе так, как если бы это была отдельная программа. В этом состоит еще одно серьезное преимущество структурного подхода. Обнаружив ошибку, можно быстро ее локализовать, запустив тесты функций, лежащих по структуре ниже, чем функция, в которой была обнаружена ошибка.

При таком нисходящем тестировании может быть обнаружен случай входных данных, который не входит в первоначальный набор тестов, но возникает при тестировании вышестоящих функций и приводит к ошибке. Этот случай входных данных должен быть добавлен в набор тестов.

Задание к работе

Разработать набор функций для работы с числами в n-ичной системе (n = = (номер варианта %15) + 10):

1) напишите функцию печати цифры, включите проверку корректности входных данных (цифра входит в нужный диапазон); напишите функцию печати числа, сделайте ее так, чтобы ей передавался указатель на массив;

2) напишите функции копирования, сложения и вычитания чисел. Учтите, что при сложении может возникнуть перенос в следующий разряд, при вычитании ­– заем;

3) напишите функции инициализации числа из целой переменной и сохранения числа в целую переменную;

4) напишите программу, печатающую в файл таблицу, строки которой соответствуют десятичным числам от 1 до 25, а в столбцах эти числа выводятся в десятичной, двоичной, шестнадцатеричной и n -ичной системах. Столбцы выровнять по правому краю.

Особое внимание следует уделить не просто написанию программы, а следованию принципам структурного программирования, изложенным в теоретической части. Структура программы данной лабораторной работы дается в задании. Для каждой функции из этой структуры должны быть разработаны тесты, проверяющие ее работу, при необходимости должны быть включены отладочные сообщения. При выполнении работы должны строго выполняться требования по оформлению и комментариям к программе. Число представляется в виде массива int[10] (число может содержать не более 10 n -ичных цифр). Цифры больше девяти записываются буквами латинского алфавита (A – 10, B – 11 и т. д.).

Содержание отчета

Отчет должен содержать листинг программы, в которой реализованы задание и функции тестирования, представлены результаты работы программы.

Контрольные вопросы

1) Как в общем виде записывается функция на языке С?

2) Перечислите базовые конструкции структурного программирования.

3) Какая конструкция выбора используется в языке С?

4) Что такое отладка программы?

5) Что такое тестирование программы?

6) Какая директива определяет символ для компилятора?

Лабораторная работа 2
ЦИКЛЫ

Цель работы: овладение навыками построения простых и вложенных циклов, повторение основных форм записи циклов на языке С.