Каждый программист знает, что программу надо не только написать, иначе говоря - "заставить работать", а еще и отладить, т.е. заставить ее работать правильно... Для того, чтобы делать это быстро и эффективно, желательно научиться пользоваться встроенными в IDE средствами отладки программ...

Интегрированная интерактивная среда разработки программ Borland Pascal (IDE) включает в себя ряд средств, облегчающих разработку программ: автоматическое управление проектами, средств обеспечения модульной структуры программы, быструю компиляцию и простые в использовании оверлеи. Но, несмотря на все это, Ваша программа все равно может содержать ошибки, что не позволит ей корректно работать.

IDE для DOS Borland Pascal предоставляет вам инструментальные средства для отладки программ, то есть поиска и исправления ошибок. В этой статье описываются инструментальные средства и процедуры отладки программы в интегрированной среде Борланд Паскаль (большинство описанных возможностей применимо также к IDE FreePascal-я).

Что такое отладка?

Какие существуют виды ошибок?

1. Ошибки этапа компиляции
   
   Ошибки этапа компиляции или синтаксические ошибки происходят, когда исходный код программы нарушает правила синтаксиса Паскаля. Компилятор не может скомпилировать программу, пока она не будет содержать только допустимые операторы Паскаля. Когда компилятор встречает оператор, который он не может распознать, соответствующий файл выводится в окне редактирования, курсор устанавливается на то место, которое не понял компилятор, и выводится сообщение об ошибке.
   
   Наиболее общей причиной ошибок этапа компиляции являются ошибки набора (опечатки), пропущенные точки с запятой, ссылки на неописанные переменные, передача неверного числа (или типа) параметров процедуры или функции и присваивание переменной значения неверного типа.
   
   После исправления ошибки компиляцию необходимо выполнить заново. После устранения в программе всех синтаксических ошибок и ее успешной компиляции программа будет готова к выполнению и поиску ошибок этапа выполнения и логических ошибок.
   
   
2. Ошибки этапа выполнения
   
   Ошибки этапа выполнения или семантические ошибки происходят, когда вы запускаете успешно откомпилированную программу, которая при выполнении делает что-то недопустимое. То есть, программа содержит допустимые операторы Паскаля, но при выполнении этих операторов что-то происходит неверно. Например, программа может пытаться открыть для ввода несуществующий файл или выполнить деление на ноль.
   
   Когда такая ошибка обнаруживается, выполнение программы завершается, и выводится сообщение следующего вида:
   
   Run-time error ## at seg:ofs
   
   Если Вы выполняете программу из IDE, она автоматически находит оператор, вызвавший ошибку (как и в случае синтаксических ошибок). Если же программа выполняется вне IDE (EXE-файл запускается из командной строки или файлового менеджера ОС), то вы можете запустить IDE и, чтобы найти вызвавший ошибку оператор, использовать команду Search -> Find Error, которая дает вам адрес сегмента и смещения (seg:ofs).
   
   
3. Логические ошибки
   
   Логические ошибки - это ошибки проектирования и реализации программы. То есть, операторы, используемые в программе, допустимы, и что-то делают, но не то, что Вы предполагали. Эти ошибки часто трудно отследить, поскольку IDE не может найти их автоматически, как синтаксические и семантические ошибки. К счастью, IDE включает в себя также и средства отладки, помогающие вам найти логические ошибки.
   
   Логические ошибки приводят к некорректному или непредвиденному изменению значений переменных, неправильному отображению графики или невыполнению кода тогда, когда это ожидается. В остальной части этой статьи обсуждаются методы отслеживания логических ошибок.
   
   Иногда, когда программа делает что-то непредвиденное, причина достаточно очевидна, и Вы можете быстро исправить код программы. Но другие ошибки более трудноуловимы и вызываются в результате взаимодействия различных частей программы. В этих случаях лучше всего остановить вашу программу в заданной точке, пройти ее шаг за шагом и просмотреть состояние переменных и выражений.

Пошаговый прогон: какая разница между F4, F7 и F8?

1. Выполнять инструкции по шагам
2. Трассировать инструкции
3. Выполнять программу до заданной точки
4. Находить определенную точку
5. Выполнять сброс программы

Что такое шаг?

Выполнение программы по шагам

program StepTest;

  function Negate(X: Integer): Integer;
  begin
    Negate := -X;
  end;

var
  I: Integer;
begin
  for I := 1 to 10 do Writeln(Negate(I));
end.

begin
  for I := 1 to 10 do
    WriteLn(Negate(I));
end.

Трассировка программы

Трассировка или выполнение по шагам?

Пошаговое выполнение и трассировка методов объектов

Выполнение больших фрагментов

Внимание: С использованием этой команды связана одна особенность: если Вы хотите, чтобы программа выполнилась до определенной строки, и устанавливаете курсор внутри модуля (Unit), то этого не произойдет, Вы просто получите ошибку  Cannot Run a Unit , и этим все закончится, т.к. IDE понимает это действие, как приказ запустить модуль, чего делать нельзя. Требуется объяснить IDE, чего Вы от нее хотите примерно так: "Запусти основную программу, и только потом выполни все, до текущего положения курсора". Для этого надо зайти в меню "Compile -> Primary File", указать системе основной файл (НЕ модуль) Вашего приложения, и только после этого установить курсор внутрь модуля, и нажать F4...

Казалось бы, что поменялось? А вот что: теперь IDE точно знает - основным файлом приложения является тот, который был установлен, как Primary File, следовательно, совершенно нет необходимости запускать МОДУЛЬ, достаточно запустить основной файл, и остановиться тогда, когда выполнение дойдет до нужной строки в модуле

Что такое окно Watches и как им пользоваться?

Оба средства вычисления и просмотра работают на уровне выражений, поэтому важно определить, что считается выражением. Выражение состоит из констант, переменных и структур данных, скомбинированных с помощью операций и большинства встроенных функций. Почти все, что вы можете использовать в правой части оператора присваивания, может также использоваться в качестве отладочного выражения.

Элементы выражений отладчика

Элемент выражения	Допустимые значения
Константы	Все допустимые типы: Boolean, Byte, Char, перечислимый тип, Integer, Longint, Real, Shortint, Word и строковый тип.
Переменные	Все типы, включая типы, определенные пользователем.
целочисленный тип	Любое целочисленное выражение с переменными границами диапазона.
тип с плавающей точкой	Любые выражения с плавающей точкой или целочисленные выражения; лишние значащие цифры отбрасываются.
символьный тип	Любое символьное выражение, включая печатаемые символы в одинарных кавычках, целочисленные выражения, тип которых приведен к типу Char, и контанты ASCII (#xx).
булевский тип	True, False и все булевские выражения.
перечислимый тип	Любые совместимые перечислимые константы или целочисленные выражения в рамках диапазона, тип которых приведен к совместимому перечислимому типу.
указатель	Любые совместимые указатели или выражения с приведенными к ним типами; функция Ptr с соответствующим параметрами.
строковый тип	Любая строковая константа (текст в одинарных кавычках); строковые переменные; строковые выражения, состоящие из конкатенированных строковых констант и переменных.
множество	Любая множественная константа; любое выражение, совместимое с множественным типом, в котором используются операции +, - и *.
Приведение типа	Соблюдаются стандартные правила Паскаля.
Операции	Все операции Borland Pascal.
Встроенные функции	Все функции, допустимые в выражениях-константах.
Массивы	Массивы Borland Pascal - Mem, MemL, MemW.

Разберем использование окна Watches.

Вначале это окно нужно отобразить на экране. Делается это выбором пункта меню Debug -> Watch. На экране появится пустое окно с соответствующим заголовком.
Теперь запускаем программу в пошаговом режиме (нажатием клавиши F7, или выбором меню "Run -> Trace Into"), в редакторе устанавливаем курсор на название переменной, за которой будем "следить", и жмем Ctrl+F7 (или меню "Debug -> Add Watch...") и подтверждаем выбор нажатием "Ok"... Всё... Переменная добавлена в окно Watches, и можно наблюдать за ее значением на каждом шаге выполнения программы... Примечание: Если выбрать переменную для просмотра без предварительного отображения пустого окна Watches на экране, ничего страшного не произойдет: IDE автоматически откроет окно Watches самостоятельно.

Например, после выполнения выделенной строки

i := 15;

значение переменной i будет уже равно не 0, а 15...

const
  arr: array[1 .. 10] of integer = (
    1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
  );

... то можно просмотреть одновременно (!!!) как весь этот массив, так и его левую и правую части... Для этого достаточно ввести во втором и третьем случае не только название массива, но и стартовый элемент, и (через запятую) число повторений
Кроме массивов и переменных встроенных типов возможно просматривать также и записи (либо в простом формате - только имя переменной, либо в специальном - с добавлением спецификатора R

Окно Evaluate and Modify

Вычисление выражений

Чтобы вычислить выражение, выбираем команду Debug -> Evaluate/Modify или нажимаем клавиши Ctrl+F4. Отладчик выводит диалоговое окно Evaluate and Modify (Вычисление и модификация). Здесь (в поле ввода Expression) можно занести любое допустимое выражение, или выбрать его из списка ранее вычисленных при помощи этого же диалога выражений и отредактировать. После нажатия на Enter или щелчка мышью на кнопке Evaluate (Вычислить), текущее значение выражения будет показано в поле Result (Результат).
Примечание: если в поле Expression введено выражение, которое не может быть вычислено интегрированной средой, то в поле Result появится вот такая надпись: "Cannot evaluate this expression"

Модификация переменных

var
  i: integer;
begin
  for i := 1 to 20 do
    writeln(i);
  readln;    
end.

Добавляем значение i в окно Watches, начинаем выполнять программу пошагово (F7)... Я остановился, когда значение i было равно трем, хотя это же самое можно было сделать и сразу после входа в цикл, то есть как только i стало равно единице. Теперь ставим курсор под название переменной i и жмем Ctrl+F4 для вызова нужного нам окна... Состояние экрана, которое должно получиться, видно на скриншоте...
Переходим в поле New Value (как я говорил, если в нем записано текущее значение переменной, то нам будет позволено его сменить), печатаем в нем значение 20, и жмем на "Modify"... Как видим, значение i в Watches тоже поменялось на 20, теперь спокойно закрываем окно "Evaluate and Modify" (кнопкой Cancel), и продожлжаем выполнять программу пошагово...

Таким образом, мы пропустили все НЕинтересующие нас в данном случае шаги, выполнение которых могло занять значительное время...

Окно Call Stack - что это такое?

function fact(n: longint): longint;
begin
  if n = 0 then fact := 1
  else fact := n * fact(n - 1);
end;

function b(n: longint): integer;
begin
  b := 2 * fact(n);
end;

begin
  writeln( b(10) );
end.

Вот, например, в данном случае: выполняется функция вычисление факториала 8, которая вызвана из нижестоящей в списке функции вычисления факториала 9, которая в свою очередь... Ну, дальше все понятно... При продолжении пошагового выполнения этой программы в окно Call Stack будут добавляться новые и новые вызовы Fact(7), Fact(6), ... до Fact(0); потом рекурсия начнет раскручиваться обратно...

Кстати, Call Stack - незаменимый помощник именно при работе с рекурсивными подпрограммами, поскольку дает возможность контролировать последовательность вызовов рекурсивной функции, и на ранней стадии определить, например, бесконечную рекурсию...

Например, здесь - совершенно очевидно, что рекурсивная функция оформлена неверно (отсутствует ветка Else), сразу после того, как в окне Call Stack появились вызовы f(-1) и f(-2)...

Что такое точки останова программы?

Точка останова - это обозначенная в коде программы позиция, в которой вы хотите прекратить выполнение программы и вернуть выполнение отладчику. В этом смысле точка останова работает аналогично команде GoTo Cursor, при которой программа выполняется обычным путем до достижения определенной точки. Основное различие состоит в том, что вы можете задать несколько точек останова и точки останова, которые будут срабатывать не при каждом их достижении.

const
  parameter = 10;

function f(x: integer): integer;
begin
  f := 10 * parameter - sqr(x);
end;

var
  i, j: integer;
  arr: array[1 .. 20] of real;
begin
  for i := 1 to 20 do begin
    j := f(i);
    arr[i] := (15 * j / parameter) + i / j - 8;
  end;
  { ... }
end.

Runtime error 200 at 0006:0004.

const
  parameter = 10;

function f(x: integer): integer;
begin
  f := 10 * parameter - sqr(x);
end;

var
  i, j: integer;
  arr: array[1 .. 20] of real;
begin
  for i := 1 to 20 do begin
    j := f(i);
    writeln('j = ', j);
    arr[i] := (15 * j / parameter) + i / j - 8;
  end;
  { ... }
end.

Далее - установим курсор на той строке программы, где происходит деление, и выберем в меню пункт "Debug -> Add Breakpoint..." Экран примет вид, показанный на снимке справа. Примечание: строка, на которую устанавливается BreakPoint, должна содержать выполняемый код и не может быть комментарием, описанием или пустой строкой...
В поле Condition внесем условие, при котором следует остановить программу (условие вводится так же как и при использовании условных операторов в программе, только If здесь присутствовать не должно), и подтверждаем установку BreakPoint-а нажатием кнопки "Ok":

Строка, в которой установлен хотя бы один BreakPoint (а устанавливать можно несколько точек останова для программы, причем даже на одной строке, но с разными условиями, может быть установлено более одного BreakPoint-а) меняет цвет на красный...

Если теперь запустить программу (обычным способом - через Ctrl+F9, или пошагово, не имеет значения), то как только значение j в выделенной строке станет равным 0, прогон программы будет приостановлен с выдачей вот такого сообщения:

Как видим (в окне Watches), происходит это при i = 10... Что и требовалось определить...

Чтобы просмотреть, какие BreakPoint-ы были установлены в программе, достаточно зайти в меню "Debug -> BreakPoints", и будет выведен список всех точек останова для данной программы:

Нажатием на "Clear All" можно удалить все точки останова сразу, "Delete" удалит только подсвеченный BreakPoint, а "Edit"-ом можно отредактировать текущий (подсвеченный) BreakPoint - подкорректировать условие, поменять номер строки, в которой должна производиться проверка, изменить счетчик числа проходов (задание для точки останова счетчика проходов сообщает отладчику, что останавливать программу нужно не при каждом достижении точки останова, а только на n-ый раз. То есть, если счетчик проходов равен 3, то отладчик останавливает программу только при третьем достижении данной точки останова) и т.д.

Поиск нужного места

Повторное выполнение (сброс программы)

Отслеживание вывода программы

1. Переключение экранов
   
   В любой момент сеанса отладки вы можете выполнять переключение экрана IDE и экрана пользователя. Чтобы вывести экран пользователя, нажмите клавиши Alt+F5. Чтобы вернуться в IDE, нажмите любую клавишу или щелкните "мышью".
   
   
2. Окно Output
   
   IDE для DOS предусматривает для экрана пользователя окно, которое называется окном вывода. Выбрав команду меню Debug -> Output, вы можете открыть (вывести на передний план) активное окно, содержащее вывод программы. Настроить размер этого окна можно аналогично окну редактирования.