Назначение отладчика программ
Отладчик – программа, облегчающая программисту выполнение отладки разрабатываемых им программ. Отладчик помогает анализировать поведение отлаживаемой программы, обеспечивая ее трассировку, выполняя остановы в указанных точках или при заданных условиях, позволяя просмотреть текущие значения переменных, содержимое ячеек памяти, а иногда и регистров процессора, и при необходимости изменить эти значения. Отладчик является важной составной частью системы программирования.
Трассировка программы заключается в выполнении программы или ее участка, сопровождающая выводом на экран, принтер или другой регистрацией в хронологической последовательности информации о событиях, связанных с выполнением программы. Трассировка программы применяется при отладке или тестировании программы, когда программа пользователя или ее отлаживаемый участок выполняется под управлением специальной программы-трассировщика. При этом, например, можно выводить на экран или в некоторый регистрирующий файл все встретившиеся при выполнении программы помеченные операторы в той последовательности, в которой они фактически выполняются. Таким образом может отслеживаться программная логика. При трассировке программы можно контролировать и значения переменных, важных для поиска ошибки, и т.д. Информация об отладочных действиях задается трассировщику, который изменяет объектную программу в оперативной памяти, размещая в точках трассировки команды перехода на программу трассировки, выполняющую требуемую регистрацию. Более сложные трассировщики могут также изменять объектную программу, исключать и вставлять операторы, позволяя таким образом программисту в течение одного и того же прогона программы не только локализовать ошибки, но и попытаться исключить их и посмотреть на результат этого исключения
Основные принципы функционирования
Для нормального функционирования отладчика уровня ядра требуется внесение изменений в ядро операционной системы. Довольно часто это решается при помощи внедрения в ядро дополнительных модулей. Фактически отладчик уровня ядра перехватывает глобально системные функции, которые отвечают за:
Доступ к памяти
Создание/завершение процессов
Так же отладчик ядра контролирует обращение к различным таблицам ядра. Ещё один важный момент это управление состоянием процессора, так как процессоры поддерживают пошаговую трассировку и точки останова на аппаратном уровне.
Процесс отладки, типичные ошибки параллельных программ
Ни для кого не секрет, наличие инструментов делает жизнь проще. Тезис этот находит подтверждение как в повседневной жизни – чистить одежду удобнее и эффективнее щеткой, чем руками, заворачивать гайки гораздо проще ключом, чем пальцами – так и в профессиональной деятельности – кто сейчас возьмется строить, ладно, даже не дом, пусть всего лишь баню, при помощи одного лишь топора. Естественно программисты – не исключение. Значение инструментов, облегчающих путь от анализа постановки задачи до получения решения, готового к внедрению, трудно переоценить.
Процесс отладки в общем случае можно разбить на следующие шаги:
определение факта наличия ошибки;
поиск (локализация) ошибки;
выяснение причин ошибки;
определение способа устранения ошибки;
устранение ошибки.
Кажется, что на первом шаге никакой инструмент не требуется. Запускаем программу и либо на некоторых исходных данных получаем неверные результаты, либо обнаруживаем, что некоторая последовательность действий по использованию программы ведет к ее «падению» или «зависанию». Однако для параллельной программы даже этот очевидный шаг может иметь существенную сложность. На практике нередко встречаются ситуации, когда неработоспособность параллельной программы проявляется один раз на сотню и более запусков. Очевидно, в этом случае инструментальная поддержка лишней не будет.
Второй шаг – поиск ошибки заключается в необходимости как можно более точной ее локализации, в идеале должна быть найдена переменная с неверным значением и/или строка кода, ведущая к краху программы. Типичный метод работы в этом пункте – использование режима трассировки в отладчике с наблюдением за состоянием переменных, регистров, стека вызова и т.д. «Плохая новость» – для многопоточных программ режим трассировки практически неприменим, поскольку автоматически меняет характер их выполнения, а значит, скрывает места, которые могут приводить к проблемам во время реальной работы. Кстати говоря, даже типичный способ локализации ошибки расстановкой операторов печати по тексту программы в этом случае нужно использовать с большой осторожностью – печать также вносит синхронизацию в выполнение программы.
Шаг третий – выяснение причин ошибки. Задача здесь – понять, почему ошибка возникла. Отсюда во многих случаях автоматически вытекает способ ее устранения (задача шага четвертого). Можно, конечно, выяснить условия, ведущие к проявлению ошибки (некое сочетание значений переменных, например) и просто вставить в код заплатку именно для этого случая. Данный вариант мы здесь не рассматриваем.
Типичные ошибки в многопоточных программах: гонки данных (data races), тупики (deadlocks), потоки в состоянии ожидания (stalled threads), потерянные сигналы (lost signals), заброшенные замки (abandoned locks).
Приведем краткое описание каждого вида.
Гонки данных. Возникают, когда несколько потоков работают с разделяемыми данными и конечный результат зависит от соотношения скоростей потоков. Пусть, например, один поток выполняет над общей переменной x операцию x = x + 3, а второй поток – операциюx = x + 5. Данные операции для каждого потока фактически разбиваются на три отдельных подоперации: считать x из памяти, увеличить x, записать x в память. В зависимости от взаимного порядка выполнения потоками подопераций финальное значение переменной x может быть больше исходного на 3, 5 или 8. Гонка данных возможна и в случае, когда один поток пишет в переменную, а остальные только читают из нее.
Тупики. Взаимная блокировка потоков, ожидающих наступление некоторого события для продолжения работы. Типичный пример тупика, когда нулевой поток занял для использования ресурс 1 и ожидает предоставления ему ресурса 2, а первый поток занял ресурс 2 и ожидает предоставления ему ресурса 1.
Потоки в состоянии ожидания. Одно из состояний потока в многозадачной операционной системе – ожидание. Поток переходит в него, когда для продолжения выполнения ему требуется наступление некоторого внешнего события. Если пребывание потока в этом состоянии продолжается слишком долго, ITC рапортует об ошибке типа stalled thread. Интервал времени, по истечении которого выдается данная диагностика, может быть задан в настройках ITC.
Потерянные сигналы. Возникают, когда поток ожидает наступление некоторого события, произошедшего прежде, чем поток пришел в состояние готовности к его приему и обработке. В результате поток никогда не сможет выйти из состояния ожидания.
Заброшенные замки. Возникают в ситуации, когда поток захватил некоторый ресурс (критическую секцию, мьютекс) и был снят с выполнения по той или иной причине. В результате ресурс не может быть освобожден. Если он требуется другому потоку, это приведет к бесконечному ожиданию.