75.40 Algoritmos y Programación I Cátedra Ing. Pablo Guarna. Debugging. Ezequiel González Busquin

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1 Debugging Ezequiel González Busquin

2 Contenidos Contenidos... 2 Versiones... 2 Etimología... 3 Bugs más comunes... 5 División por cero... 5 Uso de variables sin inicializar... 5 Desbordamiento (overflow) de variables numéricas... 5 Pérdida de precisión en la conversión de tipos de datos numéricos... 6 Ciclos infinitos... 6 Iteraciones fuera de rango... 6 Instrucciones fuera del bloque... 6 Variables pasadas por valor en lugar de pasadas por referencia... 7 Desbordamiento de pila (Stack overflow)... 7 Asignación en lugar de preguntar por igual... 7 Otros... 7 Debugging... 8 Debugging en Free Pascal... 8 Menú Run... 9 Menú Debug... 9 Conclusiones Referencias Versiones Versión Fecha Autor(es) Descripción 1.0 Marzo de 2008 Ezequiel González Busquin Versión inicial egbusquin(arroba)gmail.com Técnicas de Debugging Página 2

3 Si una secuencia de pasos puede fallar, lo hará en la peor secuencia posible Ley de Murphy Etimología Si alguien busca la definición de bug en un diccionario de inglés descubrirá que significa insecto o bicho. E inmediatamente se preguntará qué tienen que ver los insectos con la programación. Si bien el término ya se utilizaba en otras áreas de la ingeniería como ser la aeronáutica, para la informática un bug es cualquier error, mal funcionamiento o falla que produce que el software no funcione como se esperaba. La mayoría de los bugs provienen de los errores cometidos al programar, aunque algunos otros pueden provenir de fallas en el diseño y los menos de la conversión que los compiladores hacen del código fuente a código de máquina. Cuando se construyeron las primeras computadoras, que ocupaban cuartos enteros como ser la ENIAC (Fig. 1), durante los años 40 en Estados Unidos la circuitería consistía miles de elementos tales como relés, resistencias, capacitares y tubos de vacío. Fig. 1: Computadora ENIAC Los relés (Fig. 2) son llaves que abren y cierran circuitos eléctricos tales como las llaves de luz que utilizamos hoy en día cuya activación se hace por medio de una Técnicas de Debugging Página 3

4 corriente. Cuando esta corriente pasa a través de un electroimán se mueve una armadura que abre o cierra el circuito. Fig. 2: Relé abierto y cerrado Las resistencias y tubos de vacío producían calor, lo cual atrae a los insectos. Si los insectos morían entre los dos contactos de un relé, el circuito podía cerrarse (o no llegar a hacerlo) lo cual producía resultados inesperados e incorrectos. rado Fig. 3: Esta polilla es posiblemente el primer bug detectado en una computadora, encontrada por Grace Hopper en la computadora Mark II de la Universidad de Harvard, el 9 de Septiembre de Técnicas de Debugging Página 4

5 Bugs más comunes Entre los bugs más comunes que cometemos podemos encontrar División por cero La división por cero no está definida como operación matemática. Es por esto que si intentamos dividir una variable por otra cuyo valor es cero, el programa se cuelga. La ejecución es finalizada automáticamente. Var a, b: integer; Writeln('Ingrese los valores de A y B'); Readln (a, b); Writeln (a, ' dividido ', b, ' resulta ser ', a / b ); { si b=0 se cuelga!} Uso de variables sin inicializar No siempre las variables toman un valor inicial, esto depende del lenguaje, del compilador e incluso de opciones del compilador que son modificables por el usuario. Una variable sin inicializar contiene basura, es decir, su valor es cualquier valor, dado por la interpretación de los bytes en memoria que esa variable ocupa. Var cantidad, acumulador: integer; Repeat Writeln ( Ingrese cantidades, 0 para terminar ); Readln (cantidad); acumulador := acumulador + cantidad; { inicialmente cuánto vale acumulador?} Until cantidad = 0; Desbordamiento (overflow) de variables numéricas Dependiendo de la plataforma donde se esté trabajando y del tipo de variable, las variables numéricas tienen un rango posible de valores. Por ejemplo un byte utiliza siempre 8 bits. Con esta cantidad de bits se pueden representar hasta 2 8 = 256 cifras distintas. Si se intenta almacenar un valor mayor en un byte se desborda su capacidad y el valor resultante no es el esperado. Existen opciones en el compilador que permiten que si se detecta un desbordamiento de un entero se aborte la ejecución del programa. Técnicas de Debugging Página 5

6 Var a, b, c: byte; {byte: números enteros de 0 a 255} a := 250; b := 10; c := a + b; writeln (a, +, b, =, c); Pérdida de precisión en la conversión de tipos de datos numéricos Este error sucede generalmente al asignar un valor con parte decimal a una variable entera. El compilador automáticamente efectúa un redondeo (acercar al entero más próximo) ó un truncamiento (uso sólo de la parte entera). Ciclos infinitos Número original Redondeado Truncado 5, , , Condiciones de corte de un ciclo iterativo que jamás se cumplen hacen que el ciclo nunca termine y el programa se cuelgue. Si bien el programa sigue ejecutándose, jamás terminará ni saldrá del ciclo, con lo cual para el usuario el programa ha dejado de funcionar. a := 1; while (a = 1) do begin {no se modifica el valor de a en el ciclo} end; Iteraciones fuera de rango Al recorrer todos los elementos de un arreglo, lo más normal es utilizar un ciclo y una variable de control que indica qué elemento del arreglo es el actual. Si la variable de control supera el límite superior del arreglo se intenta acceder a una posición inexistente del mismo. Este error es muchas veces detectado y el programa se interrumpe, pero puede que esto no suceda y que se acceda a posiciones basura del arreglo. Instrucciones fuera del bloque Por errores de sangría o indentación (castellanización del término inglés indentation) en el código puede confundirse qué sentencias están dentro o fuera de un bloque. Técnicas de Debugging Página 6

7 Código original var a, b; Readln(a, b); while (a < b) do a := a + 1; b := b 1; Código correcto var a, b; Readln(a, b); while (a < b) do begin a := a + 1; b := b 1; end; Variables pasadas por valor en lugar de pasadas por referencia Las variables que se pasan como parámetro a procedimientos y funciones por valor no son modificadas dentro del procedimiento o función invocados, sino que se utiliza una copia. Si se deseaba hacer modificaciones de las variables dentro del procedimiento debe indicarse que su pasaje se realiza por referencia. Desbordamiento de pila (Stack overflow) El uso de procedimientos y funciones no es gratuito a nivel uso de memoria: Cada invocación hace que el programa almacene desde dónde se invoca a la subrutina. Luego se reserva la memoria necesaria para el uso de las variables locales. Al salir de la subrutina la memoria de variables locales se libera y se retorna al lugar desde donde se invocó. Por consiguiente, el uso de una gran cantidad de llamadas a subrutina y de variables locales puede llegar a saturar el tamaño de la memoria donde se almacena esa información, denominada pila o stack de llamadas, provocando un desbordamiento y un posterior cuelgue. Asignación en lugar de preguntar por igual Es un problema típico en C en y los lenguajes que derivan su sintaxis de ellos. Dado que en C el operador de asignación es = y el de comparación por igual es == es común la confusión y el incorrecto funcionamiento del programa. Otros Existen otros problemas muy comunes que son los principales bugs de la programación, pero que dejamos fuera de análisis. Sin ser abarcativos y sólo para mencionar algunos, diremos que están aquellos relacionados al uso de memoria dinámica: Referenciar un puntero nulo Acceso a memoria no solicitada: violación de acceso Desbordamiento de búfers (Buffer overflow) Pérdida de memoria dinámica (Memory leaks) Técnicas de Debugging Página 7

8 Y aquellos que suceden cuando hay concurrencia: Abrazos mortales (Deadlocks) Condiciones de carrera (Race conditions) Debugging El debugging o depuración en informática se refiere a las acciones llevadas a cabo para eliminar bugs del software. Existen diversas técnicas de debugging, así como también herramientas específicas de software denominados debuggers. Los debuggers están disponibles para casi todos los lenguajes de programación y plataformas de desarrollo. Muchos de ellos se encuentran integrados junto al compilador y un editor de texto en lo que se denomina IDE (Integrated Development Enviroment, Entorno Integrado de Desarrollo) con lo cual desde una misma aplicación o ventana se puede codificar un programa, compilar y depurar. El debugging del software es fundamental. Es necesario para entender cómo funciona un programa y un arma poderosísima para la detección de problemas. Las técnicas van desde el uso de banderas (por ejemplo, escribir por pantalla Pasé por acá para ver si el flujo de un programa alcanza una determinada línea, La variable X vale 3 para visualizar el valor de una variable en un momento dado, etc) hasta el uso de breakpoints y watches. Debugging en Free Pascal Una vez que tenemos el programa codificado, guardamos este código fuente del programa como un archivo con extensión.pas. Luego, En Compile > Compile invocamos al compilador de nuestro código fuente. El compilador se encargará de transformar nuestro código fuente en código máquina o código ejecutable, que es el código que entiende la computadora. Si tenemos errores, se desplegará una ventana donde se nos indica cuál es, en qué línea del archivo fuente ocurre y una breve descripción del mismo. El compilador puede de esta misma forma reportar advertencias (warnings) sobre posibles errores cometidos. Un compilador por lo general toma una decisión ante una advertencia que puede no resultar en lo que el programador quería, y es por eso que la advertencia se genera. Haciendo ajustes en el código pueden eliminarse (y es altamente recomendable) todas las advertencias de un programa. En Free Pascal tenemos dos menúes que son de especial interés a la hora de hacer debugging de un programa. Ellos son Debug y Run. Técnicas de Debugging Página 8

9 Menú Run Fig. 4: El menu Run de Free Pascal Run (correr): Lanza a correr, ejecuta el programa. El mismo corre desde un principio ejecutando cada sentencia del mismo una tras otra. Step over (Pasar por encima): Ejecuta el programa desde la primera sentencia o desde la sentencia actual, de a una sentencia a la vez. Si se encuentra una invocación a subrutirna, no se entra en la misma, se la ejecuta como si fuera una sentencia común. Trace into (Seguir adentro): Es igual que la opción anterior, pero ante una subrutina se salta a su primera sentencia. Goto cursor (Ir hasta el cursor): Ejecuta el programa hasta llegar a la línea sobre la cual está posicionado el cursor actualmente. Until return (Hasta un return): Ejecuta la subrutina hasta alcanzar la sentencia return o, como caso particular, al programa principal hasta su finalización. Program reset (Reinicio del programa): Inicia la ejecución del programa nuevamente desde el principio. Menú Debug Output (Salida): Muestra la salida por pantalla del programa. Es lo que se vería si el programa no se estuviera ejecutando desde el IDE. User screen (Pantalla del usuario): Muestra la salida del programa en otra ventana del IDE. Técnicas de Debugging Página 9

10 Fig. 5: El menú Debug de Free Pascal Add Watch (Agregar Visor): Agrega una variable para ser visto su valor en cada instante. Watches (Visores): Despliega la lista de variables bajo inspección. Fig. 6: Un programa en Free Pascal con la ventana de watches. Se puede visualizar el valor de las variables al haber llegado la ejecución a la línea actual. En rojo, el valor de la variable que se modificó en la sentencia inmediata anterior. Breakpoint (Punto de detención): Agrega a la sentencia bajo el cursor como punto de detención en la ejecución del programa. Técnicas de Debugging Página 10

11 Breakpoint List (Lista de Puntos de detención): Despliega una ventana con el listado de breakpoints. Fig. 7: Ventana con la lista de breakpoints del programa de la Fig. 6. El breakpoint de la línea 11 tiene la condición de que el valor de la variable c sea menor que el de la a. Type (tipo): Existen diversos tipos de breakpoints, el más común es el file-line que detiene la ejecución al llegar ésta a una sentencia determinada. Status (estado): Cada breakpoint puede activarse (enabled) o desactivarse (disabled). Los breakpoints desactivados son ignorados, como si no existieran. Position (posición): Indica la línea y el archivo de código fuente donde está el breakpoint. Conditions (condiciones): Pueden agregarse condiciones al breakpoint. Al alcanzarse la sentencia donde está el breakpoint se evalúan las condiciones. Si las mismas se cumplen, se detiene la ejecución del programa, en caso contrario la ejecución continúa como si el breakpoint no existiese. Evaluate (Evaluar): Al estar el programa en ejecución, permite evaluar expresiones haciendo uso de las variables con visibilidad en el ámbito actual (como ser, variables globales y las variables locales de la subrutina actual). Call Stack (Pila de llamadas): Muestra el apilamiento de las invocaciones a subrutinas, indicando desde qué línea se hizo la invocación, el nombre de la subrutina invocada y en caso de existir, los parámetros actuales de invocación. Técnicas de Debugging Página 11

12 Fig. 8: Pila de llamadas y ventana de watches en un pequeño programa Existen otros comandos más avanzados y de uso no tan frecuente, los cuales son: Disassemble (Desensamblar): Muestra el código assembler generado por el compilador a partir del código fuente y permite su depuración, ejecución instrucción a instrucción, etc. Registers (Registros): Permite visualizar el estado de los registros de la CPU (Central Processing Unit, Unidad Central de Procesamiento). Floating point unit (Unidad de Punto Flotante): Permite visualizar el estado de la unidad de punto flotante, que es un hardware especialmente diseñado para realizar operaciones de punto flotante. Vector unit (Unidad vectorial): Permite visualizar el estado de la unidad de cálculos vectoriales, hardware específico para el manejo de operaciones vectoriales, de especial interés en aplicaciones con gráficos 3D. GDB window (Ventana GDB): GDB es el GNU Debugger. Es un debugger que funciona en diversas plataformas y con distintos lenguajes de programación. GDB no tiene una interfaz, sino que recibe los comandos en este caso desde la interfaz de Free Pascal. Con esta ventana pueden darse a GDB instrucciones directas, en caso de ser necesario. Conclusiones Los bugs del software son caros: su detección es complicada, insume horas de trabajo. Su corrección puede también ser compleja, porque un pequeño cambio en un programa puede tener consecuencias terribles alejadas en el tiempo y en el código. Desde hacer Técnicas de Debugging Página 12

13 fallar una misión de la NASA hasta hacer que un cliente pierda sus datos y deje de comprar nuestros productos, los bugs afectan económicamente a los proyectos y pueden hacerlos fracasar. Un minucioso control, buenas prácticas de programación y un testing eficiente del software hacen disminuir el riesgo. Los bugs del software pueden ser mortales: han ocurrido casos en donde errores en la programación de aparatos de medicina han provocado la muerte a pacientes. Los bugs del software siempre están: no existe la posibilidad de armar un sistema informático sin bugs: al crecer el sistema aumenta la complejidad y pueden darse condiciones que no estuvieron contempladas desde un comienzo. Los bugs se producen generalmente por errores humanos, nadie es perfecto y todos cometemos errores. Es importante cada vez que se utiliza un nuevo entorno, un nuevo lenguaje de programación, buscar, aprender y utilizar las herramientas para debug disponibles. Cada vez hay más y mejores debuggers ( incluso hay algunos que permiten hacer un debug hacia atrás en el tiempo de ejecución!) y seguramente en el futuro más y mejores aplicaciones harán cada vez más eficiente la erradicación de bugs. Técnicas de Debugging Página 13

14 Referencias Imagen de la portada. Software bug. GDB (GNU Debugger). Técnicas de Depuración (en Turbo Pascal 7.0). Augusto Vega. Los peores bugs de la historia. Debugging hacia atrás en el tiempo. Bil Lewis, Google TechTalks Técnicas de Debugging Página 14

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