М. Бен-Ари - Языки программирования. Практический сравнительный анализ (2000) (1160781), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Отладчики поддерживают три функции.

Трассировка. Пошаговое выполнение программы, позволяющее програм­мисту точно отслеживать команды в порядке их выполнения.

Контрольные точки. Средство, предназначенное для того, чтобы заставить программу выполняться до конкретной строки в программе. Специ­альный вид контрольной точки — точка наблюдения — вызывает вы­полнение программы, пока не произойдет обращение к определенной ячейке памяти.

Проверка/изменение данных. Возможность посмотреть и изменить значе­ние любой переменной в любой точке вычисления.

Символьные отладчики работают с символами исходного кода (именами переменных и процедур), а не с абсолютными машинными адресами. Сим­вольный отладчик требует взаимодействия компилятора и компоновщика для того, чтобы создать таблицы, связывающие символы и их адреса.

Современные отладчики чрезвычайно мощны и гибки. Однако ими не сле­дует злоупотреблять там, где надо подумать. Часто несколько дней трасси­ровки дают для поиска ошибки меньше, чем простая попытка объяснить про­цедуру другому программисту.

Некоторые проблемы трудно решить даже с помощью отладчика. Напри­мер, динамические структуры данных (списки и деревья) нельзя исследовать в целом; вместо этого нужно вручную проходить по каждой связи. Есть более серьезные проблемы типа затирания памяти (см. раздел 5.3), которые вызваны ошибками, находящимися далеко от того места, где они проявились. В этих ситуациях мало проку от отладчиков, нацеленных на выявление таких симптомов, как «деление на ноль в процедуре p1».

Наконец, некоторые системы не могут быть «отлажены» как таковые: нельзя по желанию создать тяжелое положение больного только для того, чтобы отладить программное обеспечение сердечного монитора; нельзя послать группу программистов в космический полет для того, чтобы отла­дить управляющую программу полета. Такие системы должны проверять­ся с помощью специальных аппаратных средств и программного обеспече­ния для моделирования входных и выходных данных; программное обес­печение в таких случаях никогда не проверяется и не отлаживается в ре­альных условиях! Программные системы, критичные в отношении надеж­ности, стимулируют исследование языковых конструкций, повышающих надежность программ и вносящих вклад в формальные методы их верифи­кации.

3.7. Профилировщик

Часто говорят, что попытки улучшить эффективность программы вызывают больше ошибок, чем все другие причины. Этот вывод столь пессимистичен из-за того, что большинство попыток улучшения эффективности ни к чему хорошему не приводят или в лучшем случае позволяют добиться усовершен­ствований, которые несоразмерны затраченным усилиям. В этой книге мы обсудим относительную эффективность различных программных конструк­ций, но этой информацией стоит воспользоваться только при выполнении трех условий:

• Текущая эффективность программы неприемлема.

• Не существует лучшего способа улучшить эффективность. В общем слу­чае выбор более эффективного алгоритма даст лучший результат, чем по­пытка перепрограммировать существующий алгоритм (для примера см. раздел 6.5).

• Можно выявить причину неэффективности.

Чрезвычайно сложно обнаружить причину неэффективности без помощи измерительных средств. Дело в том, что временные интервалы, которые мы инстинктивно воспринимаем (секунды), и временные интервалы работы компьютера (микро- или наносекунды) отличаются на порядки. Функция, которая нам кажется сложной, возможно, оказывает несущественное влияние на общее время выполнения программы.

Профилировщик периодически опрашивает указатель выполняемой ко­манды компьютера и затем строит гистограмму, отображающую процент времени выполнения для каждой процедуры или команды. Очень часто результат удивляет программиста, выявляя узкие места, которые совсем не были оче­видны. Крайне непрофессионально выполнять оптимизацию программы без использования профилировщика.

Даже с профилировщиком может оказаться трудно улучшить эффектив­ность программы. Одна из причин состоит в том, что большая часть времени выполнения тратится в получаемых извне компонентах программы, таких как базы данных или подсистемы работы с окнами, которые часто разрабатыва­ются больше по критериям гибкости, чем эффективности.

3.8. Средства тестирования

Тестирование большой системы может занять столько же времени, сколько и программирование вместе с отладкой. Для автоматизации отдельных аспек­тов тестирования были разработаны программные инструментальные средст­ва. Одно из них — анализатор покрытия (coverage analyzer), который отслежи­вает, какие команды были протестированы. Однако такой инструмент не по­могает создавать и выполнять тесты.

Более сложные инструментальные средства выполняют заданные Тесты, а затем сравнивают вывод со спецификацией. Тесты также могут генериро­ваться автоматически, фиксируя ввод с внешнего источника вроде нажатия пользователем клавиш на клавиатуре. Зафиксированную входную последо­вательность затем можно выполнять неоднократно. Всякий раз при выпуске новой версии программной системы следует предварительно снова запускать тесты. Такое регрессивное тестирование необходимо, потому что предполо­жения, лежащие в основе программы, настолько взаимосвязаны, что любое изменение может вызвать ошибки даже в модулях, где «ничего не изменя­лось».

3.9. Средства конфигурирования

Инструментальные средства конфигурирования используются для автомати­зации управленческих задач, связанных с программным обеспечением. Инс­трумент сборки (make) создает исполняемый файл из исходных текстов, вы­зывая компилятор, компоновщик, и т.д. При проектировании большой сис­темы может оказаться трудно в точности отследить, какие файлы должны быть перекомпилированы, в каком порядке и с какими параметрами, и лег­ко, найдя и исправив ошибку, тут же вызвать другую, использовав устарев­ший объектный модуль. Инструмент сборки программы гарантирует, что но­вый исполняемый файл создан корректно с минимальным количеством перекомпиляций.

Инструментальные средства управления исходными текстами (source control) или управления изменениями (revision control) используются для от­слеживания и регистрации всех изменений модулей исходного текста. Это важно, потому что при проектировании больших систем часто необ­ходимо отменить изменение, которое вызвало непредвиденные пробле­мы, либо проследить изменения для конкретной версии или сделанные конкретным программистом. Кроме того, разным заказчикам могут по­ставляться различные версии программы, а без программных средств при­шлось бы устранять общую ошибку во всех версиях. Инструментальные средства управления изменениями упрощают эти задачи, поскольку сохра­няют изменения (так называемые дельты) относительно первоначальной версии и позволяют на их основе легко восстановить любую предыдущую версию.

3.10. Интерпретаторы

Интерпретатор — это программа, которая непосредственно выполняет код исходной программы. Преимущество интерпретатора перед компилятором состоит в чрезвычайной простоте использования, поскольку не нужно вызы­вать всю последовательность инструментальных средств: компилятор, ком­поновщик, загрузчик, и т.д. К тому же интерпретаторы легко писать, по­скольку они могут не быть машинно-ориентированными; они непосредст­венно выполняют программу, и у них на выходе нет никакого машинного ко­да. Таким образом, интерпретатор, написанный на стандартизированном языке, является переносимым. Относительная простота интерпретаторов связана также с тем, что они традиционно не пытаются что-либо оптими­зировать.

В действительности провести различие между интерпретатором и компи­лятором бывает трудно. Очень немногие интерпретаторы действительно вы­полняют исходный код программы; вместо этого они переводят (то есть ком­пилируют) исходный код программы в код некой воображаемой машины и за­тем выполняют абстрактный код (рис. 3.2).

Предположим теперь, что некто изобрел компьютер с машинным кодом, в точности совпадающим с этим абстрактным кодом; или же предположим, что некто написал набор макрокоманд, которые заменяют абстрактный машинный код фактическим машинным кодом реального компьютера. В любом случае так называемый интерпретатор превращается в компилятор, не изме­нившись при этом ни в одной своей строке.

Первоначально Pascal-компилятор был написан для получения ма­шинного кода конкретной машины (CDC 6400). Немного позже Никлаус Вирт создал компилятор, который вырабатывал код, названный Р-кодом, для абстрактной стековой машины. Написав интерпретатор для Р-кода или компилируя Р-код в машинный код конкретной машины, можно создать интерпретатор или компилятор для языка Pascal, затратив относительно небольшие усилия. Компилятор для Р-кода был решающим фактором в превращении языка Pascal в широко распространенный язык, каким он яв­ляется сегодня.

Язык логического программирования Prolog (см. гл. J7) рассматривался вначале как язык, пригодный только для интерпретации. Дэвид Уоррен (David Warren) создал первый настоящий компилятор для языка Prolog, опи­сав абстрактную машину (абстрактная машина Уоррена, или WAM), которая управляла основными структурами данных, необходимыми для выполнения программы на языке. Как компиляцию Prolog в WAM-программы, так и ком­пиляцию WAM-программы в машинный код проделать не слишком трудно; достижение Уоррена состояло в том, что он сумел между двух уровней опреде­лить правильный промежуточный уровень — уровень WAM. Многие исследо­вания по компиляции языков логического программирования опирались на WAM.

Похоже, что споры о различиях между компиляторами и интерпретато­рами не имеют большого практического значения. При сравнении сред про­граммирования особое внимание следует уделять надежности, правильной компиляции, высокой производительности, эффективной генерации объек­тного кода, хорошим средствам отладки и т.д., а не технологическим сред­ствам создания самой среды.

3.11. Упражнения

1. Изучите документацию используемого вами компилятора и перечисли­те оптимизации, которые он выполняет. Напишите программы и про­верьте получающийся в результате объектный код на предмет оптими­зации.

2. В какой информации от компилятора и от компоновщика нуждается от­ладчик?

3. Запустите профилировщик и изучите, как он работает.

4. Как можно написать собственный простой инструментарий для тести­рования? В чем заключается влияние автоматизированного тестирова­ния на проектирование программы?

5. AdaS — написанный на языке Pascal интерпретатор для подмножества Ada. Он работает, компилируя исходный код в Р-код и затем выполняя Р-код. Изучите AdaS-программу (см. приложение А) и опишите Р-ма-шину.

2 Основные понятия

Глава 4

Элементарные типы данных

4.1. Целочисленные типы

Слово «целое» (integer) в математике обозначает неограниченную, упорядо­ченную последовательность чисел:

...,-3, -2,-1,0,1,2,3,...

В программировании этот термин используется для обозначения совсем другого — особого типа данных. Вспомним, что тип данных — это множество значений и набор операций над этими значениями. Давайте начнем с опреде­ления множества значений типа Integer (целое).

Для слова памяти мы можем определить множество значений, просто ин­терпретируя биты слова как двоичные значения. Например, если слово из 8 битов содержит последовательность 10100011, то она интерпретируется как:

(1 х 2⁷) + (1 х 2⁵) + (1 х 2¹) + (1 х 2°) = 128 + 32 + 2 + 1 = 163

Диапазон возможных значений — 0.. 255 или в общем случае 0.. 2^В - 1 для слова из В битов. Тип данных с этим набором значений называется unsigned integer (целое без знака), а переменная этого типа может быть объявлена в язы­ке С как:

unsigned intv;

Обратите внимание, что число битов в значении этого типа может быть разным для разных компьютеров.

Сегодня чаще всего встречается размер слова в 32 бита, и целое (без знака) находится в диапазоне 0.. 2³² - 1 к 4 х 10⁹. Таким образом, набор математиче­ских целых чисел неограничен, в то время как целочисленные типы имеют ко­нечный диапазон значений.

Поскольку тип unsigned integer не может представлять отрицательные числа, он часто используется для представления значений, считываемых внешними устройствами.

Например, при опросе температурного датчика поступает 10 битов информации; эти целые без знака в диапазоне 0.. 1023 нужно будет затем пре­образовать в обычные (положительные и отрицательные) числа. Целые чис­ла без знака также используются для представления символов (см. ниже). Их не следует использовать для обычных вычислений, потому что большинство компьютерных команд работает с целыми числами со знаком, и компилятор, возможно, будет генерировать дополнительные команды для операций с целыми без знака.

Диапазон значений переменной может быть таким, что значения не поместятся в одном слове или займут только часть слова. Чтобы указать раз­ные целочисленные типы, можно добавить спецификаторы длины:

unsigned int v1 ; /* обычное целое */ [с]

unsigned short int v2; /* короткое целое */

unsigned long int v3; /* длинное целое */

В языке Ada наряду с обычным типом Integer встроены дополнительные типы, например Long_integer (длинное целое). Фактическая интерпретация спецификаторов длины, таких как long и short, различается для различных компиляторов; некоторые компиляторы могут даже давать одинаковую ин­терпретацию двум или нескольким спецификаторам.

Характеристики

Список файлов книги