Оптимизация, отладка и тестирование программ

Министерство образования и науки

российской федерации

ФГБОУ ВПО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФАКУЛЬТЕТ ВЕЧЕРНЕГО И ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ

Кафедра высшей математики

И физико-математического моделирования

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Информатика»

Тема: Оптимизация, отладка и тестирование программ

Выполнил студент ЛП-111              Р.С. Головенько

              группа              подпись              инициалы, фамилия

Руководитель              В.В. Пешков             

              подпись              инициалы, фамилия

Нормконтроль                           

              подпись              инициалы, фамилия

Защищена              Оценка              

Воронеж 2012

ЗАДАНИЕ

На курсовую работу по информатике

Специальность «Металлургия»

Тема: Оптимизация, отладка и тестирование программ.

Задачи:

1. Составить на языке Турбо Паскаль программу, выводящую на экран точку, пересекающую с постоянной скоростью экран параллельно его горизонтальной оси и отражающуюся от боковых границ экрана.

2. В новой рабочей книге MS Excel создать таблицу результатов сессии для некоторой группы (внести 10-15 чел). Найти следующие показатели сессии: средний балл по итогам сессии для каждого студента; средний балл группы по каждому предмету; количество пятерок, четверок, троек, двоек по каждому предмету  (использовать функцию СЧЁТЕСЛИ); процент успеваемости группы по каждому предмету  (т.е. процент удовл. оценок и выше), процент качества  (т.е. процент хороших и отличных оценок). Построить диаграммы, отражающие относительное число отличных, хороших и т.д. оценок для группы по каждому предмету.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………4

1. Оптимизация программ………………………………………………………5

2. Отладка и тестирование  программ …………………………………………8

3. Классификация ошибок в программах …..………………………………...22

4. Способы обнаружения ошибок..……………………………………………25

Заключение……………………………………………………………….……..26

Список используемых источников……………………………….………....…27

3

Введение

Оптимизация – модификация системы для улучшения ее эффективности. Система может быть одиночной компьютерной программой, набором компьютеров или даже целой сетью, такой как интернет.

Отладка – специальный этап в разработке программы, состоящий

в выявлении и устранении программных ошибок, факт существования которых уже установлен.

Тестирование – процесс выполнения программы (или части программы) с намереньем (или целью) найти ошибки

Эти три пункта помогут создать надежную и стабильно работающую программу, которая сможет отвечать вашим требованиям.

4

1.  Оптимизация программ

Всегда желательно иметь компилятор, который создает эффективно работающие объектные программы. Как правило, программа в кодах машины, полученная в результате трансляции, будет занимать больший объем памяти и работать медленнее, чем такая же программа, написанная опытным программистом. Термин "оптимизация" применяется к попыткам сделать выходные программы более "эффективными", т.е. быстрее работающими или более компактными. Таким образом, оптимизацией называется улучшение выходной программы, а часть транслятора, выполняющая эту функцию
- оптимизирующей частью транслятора.
Оптимизирующая часть транслятора выполняет следующие
действия:
1. Устраняет недостатки программы, вызванные небрежностью или низкой квалификацией программиста. Примером может служить вынесение из цикла операторов, не зависящих от управляющих переменных цикла, что приведет к сокращению времени выполнения программы, поскольку вынесенные операторы будут выполняться только один раз, а не многократно.
2. Устраняет излишние вычисления, неизбежно возникающие в процессе трансляции даже при самом тщательном написании программы на языке высокого уровня. Например, устранение повторного вычисления индексных выражений для элементов массива сокращает время выполнения программы и ее длину. 
              Промежуточный язык.
Для повышения эффективности программы можно произвести над ней последовательность преобразований в различные моменты процесса компиляции. Например, можно оперировать с входной программой, со структурами, порождаемыми на стадии синтаксического анализа, с кодом, порождаемым в качестве выхода фазы генерации кода. Однако оптимизировать программу, уже протранслированную в коды машины, трудно по следующим причинам:
во-первых, единицы действия программы в кодах команд слишком мелки, что уже само по себе затрудняет анализ,
во-вторых, при трансляции входной программы в коды машины возможна потеря имеющейся в ней информации. Например, засылка промежуточных результатов в разные рабочие ячейки памяти делает практически невозможной идентификацию одинаковых частей программы;
 

5

в-третьих из-за нестандартности форматов различных элементов языка и рекурсивных конструкций, широко применяемых в текстах программ.
Поэтому, если транслятор производит оптимизацию программы, необходимо делать специальный проход, переводящий программу с исходного языка на промежуточный.
Строго сформулировать требования, предъявляемые к промежуточному языку, трудно. Однако уже из самого обоснования необходимости промежуточного языка видно, что:
а) операторы языка не должны быть слишком мелкими;
б) символы, идентификаторы и числа должны иметь фиксированный формат;
в) в строении операторов желательно отсутствие рекурсивности;
г) должна сохраняться вся информация, необходимая для оптимизации, которая есть во входном языке;
д) язык должен быть приспособлен к выполнению оптимизирующих преобразований и удобен для последующей трансляции в коды вычислительной машины.
Требования пп. "г" и "д" показывают, что разработать единый универсальный промежуточный язык для трансляции с любого языка программирования в коды любой вычислительной машины трудно. В качестве промежуточного языка можно использовать польскую запись, тетрады, триады, синтаксические деревья.
              При рассмотрении вопросов оптимизации будем считать, что программа протранслирована с входного на некоторый промежуточный язык, оператор которого имеет следующий общий вид:
(mi) код операции аргументы оператора,
где mi - указатель оператора, а также идентификатор результата команды при отсутствии его присваивания некоторой переменной.
Необходимо различать переменные, введенные программистом (программные переменные), и переменные, генерируемые в процессе
трансляции на промежуточный язык (mi - идентификаторы). Между
определением программной переменной и ее использованием в качестве операнда существует следующая зависимость:
- если программная переменная, используемая в области, не определена в ней, то предполагается, что она определена во всех путях, ведущих к области;
- если программная переменная определена и используется в области, то внутри области существует путь между определением переменной и каждым ее использованием ;
- если программная переменная определена в области, то, вообще говоря, это не значит, что она определена на каждом выходном пути.

6

              Помимо программы на промежуточном языке, состоящей из последовательности операторов, для проведения оптимизации формируются следующие таблицы:
1. Таблицы идентификаторов и констант с обычной информацией о переменных и константах.
2. Таблица блоков, определяющая номера блоков (блоки нуме-
руются в произвольном порядке), их границы, непосредственно предшествующие и следующие блоки, а также любую информацию о частоте повторения блока.
3. Таблица последовательности операторов, определяющая линейную последовательность операторов в блоке. Она содержит последовательность указателей операторов mi. Эта таблица необходима, поскольку один указатель может принадлежать нескольким операторам. 
3.Элементы топологии программы .

Вопросы оптимизации обычно связаны с топологией программы, т.е. со способом ее построения. Для того, чтобы локализовать процессы оптимизации и не связывать их с конкретным входным языком, они проводятся внутри отдельных участков программы, называемых блоками и сильно связанными областями.
              Блок (линейный участок) - выполняемая по порядку последовательность операторов, имеющая единственную точку входа - первый оператор с меткой, на который может быть передано управление, и единственную точку выхода - последний оператор.
Формально модель линейного участка может быть представлена следующим образом:
блок B - это тройка вида (P,I,U),где
(1) P - список операторов S1,S2,...Sn (n>=0),
(2) I - множество входных переменных,
(3) U - множество выходных переменных.
При этом оператором называется цепочка (в общем случае) вида
A 
где A,B1,...,Br - переменные,Q - операция.
Здесь оператор присваивает значение переменной А и ссылается на B1,...,Br.
Если оператор Sj ссылается на А, то либо А - входная переменная, либо осуществлено присваивание ей значения некоторым оператором до Sj, (т. е. некоторым оператором Si.
Оператор S в программе называется входом в линейный участок, если он либо первый оператор в программе, либо помечен идентификатором, появляющимся в операторе перехода, либо непосредственно следует за условным оператором.
Линейный участок, относящийся к входу в участок S, состоит из S и всех операторов, следующих за ним вплоть до оператора останова, включая его, или вплоть до входа в следующий блок. 

7

2. Отладка и тестирование  программ

1. Отладка программы

Отладка, как мы уже говорили, бывает двух видов:
Синтаксическая отладка. Синтаксические ошибки выявляет компилятор, поэтому исправлять их достаточно легко.
Семантическая (смысловая) отладка. Ее время наступает тогда, когда синтаксических ошибок не осталось, но результаты программа выдает неверные. Здесь компилятор сам ничего выявить не сможет, хотя в среде программирования обычно существуют вспомогательные средства отладки, о которых мы еще поговорим.
Отладка - это процесс локализации и исправления ошибок в программе.

Как бы тщательно мы ни писали, отладка почти всегда занимает больше времени, чем программирование.

2. Локализация ошибок

Локализация - это нахождение места ошибки в программе.

В процессе поиска ошибки мы обычно выполняем одни и те же действия:
прогоняем программу и получаем результаты;
сверяем результаты с эталонными и анализируем несоответствие;
выявляем наличие ошибки, выдвигаем гипотезу о ее характере и месте в программе;
проверяем текст программы, исправляем ошибку, если мы нашли ее правильно.

Способы обнаружения ошибки:
Аналитический - имея достаточное представление о структуре программы, просматриваем ее текст вручную, без прогона.
Экспериментальный - прогоняем программу, используя отладочную печать и средства трассировки, и анализируем результаты ее работы.

Оба способа по-своему удобны и обычно используются совместно.

8

3. Принципы отладки

Принципы локализации ошибок:
Большинство ошибок обнаруживается вообще без запуска программы - просто внимательным просматриванием текста.
Если отладка зашла в тупик и обнаружить ошибку не удается, лучше отложить программу. Когда глаз "замылен", эффективность работы упорно стремится к нулю.
Чрезвычайно удобные вспомогательные средства - это отладочные механизмы среды разработки: трассировка, промежуточный контроль значений. Можно использовать даже дамп памяти, но такие радикальные действия нужны крайне редко.
Экспериментирования типа "а что будет, если изменить плюс на минус" - нужно избегать всеми силами. Обычно это не дает результатов, а только больше запутывает процесс отладки, да еще и добавляет новые ошибки.

Принципы исправления ошибок еще больше похожи на законы Мерфи:
Там, где найдена одна ошибка, возможно, есть и другие.
Вероятность, что ошибка найдена правильно, никогда не равна ста процентам.
Наша задача - найти саму ошибку, а не ее симптом.
Это утверждение хочется пояснить. Если программа упорно выдает результат 0,1 вместо эталонного нуля, простым округлением вопрос не решить. Если результат получается отрицательным вместо эталонного положительного, бесполезно брать его по модулю - мы получим вместо решения задачи ерунду с подгонкой.
Исправляя одну ошибку, очень легко внести в программу еще парочку. "Наведенные" ошибки - настоящий бич отладки.
Исправление ошибок зачастую вынуждает нас возвращаться на этап составления программы. Это неприятно, но порой неизбежно.

9

4. Методы отладки

Силовые методы
- Использование дампа (распечатки) памяти.
Это интересно с познавательной точки зрения: можно досконально разобраться в машинных процессах. Иногда такой подход даже необходим - например, когда речь идет о выделении и высвобождении памяти под динамические переменные с использованием недокументированных возможностей языка. Однако, в большинстве случаев мы получаем огромное количество низкоуровневой информации, разбираться с которой - не пожелаешь и врагу, а результативность поиска - исчезающе низка.
- Использование отладочной печати в тексте программы - произвольно и в большом количестве.
Получать информацию о выполнении каждого оператора тоже небезынтересно. Но здесь мы снова сталкиваемся со слишком большими объемами информации. Кроме того, мы здорово захламляем программу добавочными операторами, получая малочитабельный текст, да еще рискуем внести десяток новых ошибок.
- Использование автоматических средств отладки - трассировки с отслеживанием промежуточных значений переменых.
Пожалуй, это самый распространенный способ отладки. Не нужно только забывать, что это только один из способов, и применять всегда и везде только его - часто невыгодно.
Сложности возникают, когда приходится отслеживать слишком большие структуры данных или огромное их число. Еще проблематичнее трассировать проект, где выполнение каждой подпрограммы приводит к вызову пары десятков других. Но для небольших программ трассировки вполне достаточно.