VS实用调试技巧

一.什么是BUG

Bug一词的原意是虫子,而在电脑系统或程序中隐藏着的一些未被发现的缺陷或问题,人们也叫它"bug"。这是为什么呢?这就要追溯到一个程序员与飞蛾的故事了。

Bug的创始人格蕾丝·赫柏(Grace Murray Hopper),是一位为美国海军工作的电脑专家,也是最早将人类语言融入到电脑程序的人之一。而代表电脑程序出错的“bug” 这名字,正是由赫柏所取的。1947年9月9日,赫柏对Harvard Mark II设置好17000个继电器进行编程后,技术人员正在进行整机运行时,它突然停止了工作。于是他们爬上去找原因,发现这台巨大的计算机内部一组继电器的触点之间有一只飞蛾,这显然是由于飞蛾受光和热的吸引,飞到了触点上,然后被高电压击死。所以在报告中,赫柏用胶条贴上飞蛾,并把“bug”来表示“一个在电脑程序里的错误”,“Bug”这个说法一直沿用到今天。

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格蕾丝·赫柏的报告

二.调试及其重要性

2.1 什么是调试

所有发生的事情都一定有迹可循,如果问心无愧,就不需要掩盖也就没有迹象了,如果问心有愧,就必然需要掩盖,那就一定会有迹象,迹象越多就越容易顺藤而上,这就是 推理的途径。顺着这条途径顺流而下就是犯罪,逆流而上,就是真相。

而我们程序员就好比一个侦探,一个用来寻找bug,修改bug的侦探。人们将这个过程叫做"Debug"(中文称作"调试"),意即"捉虫子"或"杀虫子"。每一次调试都是尝试破案的过程。

调试(英语:Debugging / Debug),又称除错,是发现和减少计算机程序或电子仪器设备中程序错误的一个过程。

2.2 调试的基本步骤

  • 发现程序错误的存在

  • 以隔离、消除等方式对错误进行定位

  • 确定错误产生的原因

  • 提出纠正错误的解决办法

  • 对程序错误予以改正,重新测试

本文将详细介绍在windows系统的 VS环境下的调试过程。

2.3 Debug与Release的介绍

在VS中,我们会发现我们的程序可以在两个环境下运行,这两个环境就是Debug版本和Release版本,它们二者有何区别呢?

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VS中的Debug与Release

Debug 通常称为 调试版本,它包含调试信息,并且不作任何优化, 便于程序员调试程序
Release 称为 发布版本,它往往是 进行了各种优化,使得程序在代码大小和运行速度上都是最优的, 以便用户很好地使用

我们可以分别在两种环境下编译代码生成对应的可执行程序如下:

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显然,Release版本的可执行文件比Debug版本的小很多,说明编译器对其作了优化。

因此,我们日常所说的调试是在Debug版本的环境下进行的,这是因为Release版本在不加以配置的情况下其调试信息会被编译器优化,对于程序员来说,调试基本都是在Debug环境下运行(本文下面的调试也都是在Debug环境下进行调试)。而对于测试人员来说,由于要站在用户的角度上来测试程序是否能正常使用,因此测试是在Release版本的环境下进行的

不排除编写的程序在Debug环境下没有问题,在Release版本出现问题的情况。有些问题在Release环境下才会浮现,这时我们就需要对Release版本进行配置,进行"调试"排查错误。我们有以下几种方法:

  1. 项目 -> 属性 -> C/C++ -> 优化 -> 禁用优化,通过禁用优化使其能生成调试信息进行排错,如下:

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  1. 项目 -> 属性 -> C/C++ -> 优化界面处,将选项逐个改为对应的Debug选项,如/O2改为/O1、/Oy改为/Oy-或者将运行时间优化改为程序大小优化。注意的是,一般一次只改一个选项,通过观察改哪个选项时错误消失来锁定该选项相关的错误,针对性地查找。个人较推荐这种方法。

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话又说回来,Release版本下编译器到底可能会做什么优化呢?请看如下代码:

#include 

int main()
{
    int i = 0;
    int arr[10] = {0};
    for(i=0; i<=12; i++)
   {
        arr[i] = 0;
        printf("hehe\n");
   }
    return 0;
}

我们很容易就发现对数组进行了越界访问,当程序运行起来时应该会崩溃。但是在Debug环境下我们发现程序并没有崩溃而是陷入了死循环:

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我们运行调试代码转到反汇编如下:

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我们知道,数据在栈上的开辟是从高地址向低地址处开辟的,因此在Debug环境下变量i的地址比数组arr的地址高。而在数组内部数据的存储是从低地址向高地址的,因此首元素地址arr是在数组所在空间的低位,如下:

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我们很惊讶的发现(arr+12)就是变量i的地址。当循环过程中i等于12时,此时将arr[i]改为0就等价于将i的值修改为0,然后i++后i等于1小于12,继续进行循环,依次反复形成了死循环。如下:

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整个过程简化图如下:

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而在Release版本的环境下程序并不会出现死循环的问题:

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我们可以打印出此时变量i和数组在栈上的地址如下:

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我们发现此时变量i被编译器优化到低地址处,arr[12]存储的值就不是i了,便不会出现死循环的情况。

综上,以上代码在Release版本下,编译器使 变量在内存中开辟的顺序发生了变化,影响到了程序执行的结果,这便是优化带来的好处。

三.windows环境下调试介绍✨

首先第一步,我们需要将环境切换为Debug版本,才能进行调试
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3.1 常用快捷键介绍

以下是在调试过程中最为常用的几个快捷键:

快捷键

功能

Ctrl+F5

开始执行而不进行调试。用于想让程序直接运行起来而不调试时。

F9

作用:创建断点和取消断点

断点:可以使程序在任何你想停下的地方停止执行,继而一步步执行下去。我们可以在任何地方设置断点,一个程序也可以有多个断点。

F10

逐过程,通常用来处理一个过程,一个过程可以是一次函数调用,或者是一条语句

F11

逐语句,每次只执行一条语句,我们可以通过这个快捷键使我们的执行逻辑进入函数内部(这是F10所不具备的,F11是我们在调试过程中最常用的)

F5

启动调试到下一断点处,需要配合F9进行使用,如果程序没有断点则无异于Ctrl+F5

快捷键用法

我们还可以对某一断点设置停止条件,方法是 右键断点->单击条件->输入断点条件->关闭
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例如:我们需要让程序停止在第4次循环处,我们可以输入i==4
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此时单击F5运行到断点,我们查看自动窗口发现程序在停止时i的值为4
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3.2 在调试过程中查看程序当前信息

开启调试后,我们可以在VS上方的调试->窗口看到许多用来查看数据信息的窗口:

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3.3.1 监视窗口

通过监视窗口我们可以查看我们想要查看的 变量甚至是表达式的值在程序运行过程中的变化,十分灵活,这是我们调试中用得最多的窗口之一。如下:
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3.3.2 自动窗口

打开自动窗口后,编译器会将一些可能需要观察的变量显示在窗口中,较为方便。其缺陷是可能无法显示我们真正需要观察的变量,并且 无法灵活显示表达式等的值。如下:
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3.3.3 局部变量窗口

打开局部变量变量窗口,会将程序中的所有 局部变量全部显示出来。如下:
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3.3.4 调用堆栈窗口

通过调用堆栈,可以清晰的反应 函数的调用关系以及当前调用所处的位置。如下:
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通过调用堆栈窗口,我们可以发现,show函数栈帧在main函数栈帧之上,即 show函数是由main函数调用的。并且可以看出此时show函数运行到第20行。

3.3.5 内存窗口

通过内存窗口我们可以看到内存中的信息,可以 观察变量在内存中的存储情况。如下:
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3.3.6 反汇编

我们可以查看当前程序转化后的汇编代码,进而从更底层的角度观察程序的执行过程。如下:
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3.3.7 寄存器

通过寄存器窗口,我们可以观察在当前环境下CPU内的寄存器的使用信息,如ebp栈底寄存器、esp栈顶寄存器等等。

3.3 调试实例

我们上面通过调试分析了数组越界陷入死循环的问题。下面,我们再通过一道实例来掌握调试的技巧:

实现代码:求 1!+2!+3! ...+ n! ;不考虑溢出。我们可能会写出以下代码:
#include
int main()
{
    int i = 0;
    int sum = 0;//保存最终结果

    int n = 0;
    int ret = 1;//保存n的阶乘

    scanf("%d", &n);
    for(i=1; i<=n; i++)
    {
        int j = 0;
        for(j=1; j<=i; j++)
        {
            ret *= j;
        }
        sum += ret;
    }
    printf("%d\n", sum);
    return 0;
}
当你输入3时,理论上应该输出9,但实际上程序却输出了15:
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是什么问题导致出错了呢?这就需要我们动手进行调试。在调试之前我们可以先 预测问题的所在,比如 算阶乘时出错求和时出错等等。做到心里有数,而不是盲目的进行调试。

我们可以在ret*=j处设置一个断点,打开监视窗口监视ret和sum观察每个数阶乘的值和累加后的值,如下:

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我们单击F10逐过程执行,当外层循环i的值为3时,即计算3的阶乘时,我们发现ret的初始值并非为1,而是2的阶乘。此时再计算3的阶乘,就是2*1*2*3=12 != 6,结果出错:

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最后sum+ret的值就为15,与我们的输出相符:

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可见,每次在求阶乘时,我们都应该把ret重置为1,正确的代码如下:

int main()
{
    int i = 0;
    int sum = 0;//保存最终结果

    int n = 0;
    int ret = 1;//保存n的阶乘

    scanf("%d", &n);
    for (i = 1; i <= n; i++)
    {
        int j = 0;
        ret = 1; //将ret置1
        for (j = 1; j <= i; j++)
        {
            ret *= j;
        }
        sum += ret;
    }
    printf("%d\n", sum);
    return 0;
}

3.4 实践出真知

  • 任何事情都不可能一蹴而就,一定要多加练习,才能熟练掌握调试技巧。

  • 一个初学者可能80%的时间在写代码,20%的时间在进行调试;而一个程序员,可能80%的时间在进行调试,剩余20%的时间才是在写代码。

  • 随之学习的深入,后续可能会出现很多更加复杂的调试场景,如多线程等。只有打好基础,在未来才能融会贯通,利于不败之地。

  • 多多使用快捷键可以很大程度上提高效率。

四.如何写出便于调试的优秀代码

4.1 什么是优秀的代码

1. 代码运行正常
2. bug很少
3. 效率高
4. 可读性高
5. 可维护性高
6. 注释清晰
7. 文档齐全

4.2 常用coding(编码)技巧

1.多使用assert断言,可以告知你出错的位置
2.尽量使用const,避免意外修改
3.养成良好的编码风格
4.添加必要的注释
5.避免编码的陷阱

4.3 实例

试模拟实现一个strcpy函数,尽量用到上述的编码技巧。如下:
char* strcpy(char* dst, const char* src) //const修饰防止对源字符串进行修改
{
    assert(dst && src); //避免传入空指针
    char cur = dst; //保存起始位置
    //将src的字符一个个拷贝到det中,包括'\0'
    while ((*dst++ = *src++)!='\0')
    {
        ;
    }
    return cur; //返回目标字符串,以便链式访问
}

五.编程中常见的错误

5.1 编译型错误

编译期间出现的错误。直接看错误提示信息(双击鼠标),解决问题。或者凭借经验就可以搞定。相对来说简单。

5.2 链接型错误

链接期间出现的错误。看错误提示信息,主要在代码中找到错误信息中的标识符,然后定位问题所在。一般是 标识符名不存在或者 拼写错误

5.3 运行时出错

运行期间出现的错误。借助 调试,逐步定位问题。最难搞的一种错误

不要害怕遇到错误,每出现一次的错误就是一次突破自我的机会。
学会积累排错经验,勇于尝试。不经风雨 ,怎能见彩虹

以上,就是本期的全部内容啦

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