Пристальный взгляд на данные, с которыми работает программа, во многих случаях является лучшим способом увидеть то, что же она делает (или собирается делать). Простейшим примером этого является прямолинейный подход типа "переменная = значение", который может быть реализован в виде печатного текста или в виде полей диалогового окна (списка) графического интерфейса.

Но вы можете проникнуть в суть данных намного глубже, используя отладчик, который позволяет визуализировать данные и все существующие отношения между ними. Существуют отладчики, которые могут представить ваши данные с высоты полета над трехмерным ландшафтом виртуальной реальности или в виде трехмерного временного графика сигналов, или же просто в виде обычных блок-схем, как показано на рисунке 3.2. По мере того как вы перемещаетесь шаг за шагом по вашей программе, рисунки, подобные этим, могут оказаться ценнее, чем тысячи слов, если ошибка, за которой вы охотились, неожиданно выпрыгивает на вас, как зверь на ловца.

Даже если отладчик имеет ограниченную поддержку визуализации данных, вы все равно можете проводить визуализацию сами – либо вручную, с карандашом и бумагой, либо с помощью внешних программ построения графиков.

В отладчике DDD имеются некоторые средства визуализации, которые распространяются бесплатно (см. [URL 19]). Интересно заметить, что отладчик DDD работает со многими языками, включая Ada, С, С++, Fortran, Java, Modula, Pascal, Perl и Python (явно ортогональная конструкция).

Рис. 3.2. Пример отладочной схемы циркулярного связанного списка. Стрелки указывают на узлы.

Отладчики обычно сосредоточены на состоянии программ в данный момент. В ряде случаев вам необходимо нечто большее – отследить состояние программы или структуры данных через какое-то время. Если посмотреть на трассировку стека, то можно лишь сделать вывод, как попасть в эту точку напрямую. Это не дает информации о том, что вы делали до этой последовательности обращений, что особенно важно для систем, основанных на событиях.

Операторы трассировки представляют собой небольшие диагностические сообщения, которые выводятся на экран или в файл и говорят о том, что "это здесь" и "х = 2". Это примитивная методика, сравнимая с отладчиками в стиле ИСР, но она особенно эффективна при диагностировании некоторых классов ошибок, с которыми отладчики справиться не могут. Трассировка имеет большое значение в любой системе, где время само по себе является фактором: в одновременных процессах, системах реального времени и приложениях, основанных на событиях.

Вы можете использовать операторы трассировки для того, чтобы "вбуравиться" в текст. То есть вы можете добавлять элементы трассировки по мере продвижения вниз по дереву обращений.

Трассировочные сообщения должны быть представлены в регулярном, согласованном формате; возможно, вам захочется провести их синтаксический анализ в автоматическом режиме. Например, если вам необходимо отследить утечку ресурсов (несбалансированные операции открытия и закрытия файлов), вы можете трассировать каждый из операторов open и close в файле журнала. Обрабатывая файл журнала с помощью программы на языке Perl, вы легко обнаружите, где встречался оператор-нарушитель open.

Иногда вы исследуете переменную, ожидая увидеть небольшое целое значение, а вместо этого получаете нечто вроде 0x6e696614d. Перед тем как засучив рукава всерьез приняться за отладку, стоит посмотреть на память вокруг искаженного значения. Часто это дает вам ключ к пониманию. В данном случае, изучение окружающей памяти в символьном виде дает следующую картину:

Похоже, что кто-то указал адрес поверх счетчика цикла. Теперь, мы знаем где искать.

Очень простая, но весьма полезная методика поиска причины проблемы, состоит в том, чтобы разъяснить ее кому-либо. Ваш собеседник должен заглядывать через ваше плечо на экран монитора и время от времени утвердительно кивать головой (подобно резиновому утенку, ныряющему и выныривающему в ванне). Ему не нужно говорить ни слова; простое, последовательное объяснение того, что же должна делать ваша программа, часто приводит к тому, что проблема выпрыгивает из монитора и объявляет во всеуслышанье: "А вот и я!" [22].

Звучит просто, но разъясняя проблему вашему собеседнику, вы должны явно заявить о тех вещах, которые считаете само собой разумеющимися при просмотре текста вашей программы. Поскольку вам приходится озвучивать некоторые из этих положений, вы можете по-новому взглянуть на суть данной проблемы – неожиданно для самого себя.

В большинстве проектов отлаживаемая вами программа может представлять собой смесь прикладных программ, написанных лично вами и другими сотрудниками вашей проектной команды, а также программные продукты, созданные независимыми производителями (база данных, обеспечение связи, графические библиотеки, специализированные протоколы связи или алгоритмы, и т. д.) и платформенное окружение (операционная система, системные библиотеки и компиляторы).

Вероятно, ошибка кроется в операционной системе, компиляторе или продукте независимого производителя – но это не должно быть первой мыслью, приходящей вам на ум. Скорее всего, ошибка существует в тексте разрабатываемого приложения. Обычно выгоднее полагать, что прикладная программа некорректно обращается к библиотеке, нежели то, что нарушена сама библиотека. Даже если проблема заключается в продукте независимого производителя, то перед тем, как представлять отчет об ошибках, вам в любом случае надлежит исключить ошибки в вашей собственной программе.

Однажды мы работали над проектом, и старший инженер был уверен, что в системе Solaris имелось нарушение системного вызова select. Никакие убеждения или логические построения не могли изменить сложившегося у него мнения (тот факт, что все другие сетевые приложения работали прекрасно, не принимался во внимание). Неделями он составлял программы обхода этого вызова, которые, по какой-то странной причине, не способствовали решению проблемы. И когда в конце концов он был вынужден сесть за стол и прочесть документацию по вызову select, он обнаружил, в чем заключалась проблема, и исправил ее за несколько минут. Теперь мы используем выражение "вызов select нарушен" как деликатное напоминание, в тех случаях, когда один из нас начинает обвинять систему в наличии ошибки, которая, скорее всего, является его собственной.

Помните: увидев следы копыт, думайте о лошадях, а не о зебрах. Скорее всего, операционная система не нарушена. Да и база данных находится в прекрасном состоянии.

Если вы "внесли всего одно изменение", и система перестала работать, то, скорее всего, именно оно, прямо или косвенно, несет ответственность за случившееся, каким бы притянутым за уши ни казалось это утверждение. Иногда то, что изменяется, находится вне вашего управления: новые версии операционной системы, компилятора, базы данных или программы независимых производителей могут вызывать проблемы и с изначально корректной программой. В ней могут обнаружиться новые ошибки. Ошибки, которые были устранены с помощью программы обхода, преодолевают действие этой программы. Если изменяются API, то изменяются и функциональные возможности; короче говоря, это уже новая история, и вам надлежит провести повторное тестирование системы в новых сложившихся условиях. Так что не спускайте глаз с графика выполнения проекта, если собираетесь провести модернизацию; может быть, придется подождать до выпуска новой версии.