C语言第8节：调试（VS2022）

1. 什么是 bug

“Bug” 本意是“昆虫”或“虫子”，现在是指程序或系统中的错误或缺陷，导致其无法按预期执行。这种错误可能是代码中的逻辑错误、输入输出的意外处理、资源分配不当等问题。

1.1 Bug 的历史（了解）

最早被记录的“bug”出现在1947年，涉及一台名叫 Mark II 的计算机。这个“bug”的故事既有趣又具有象征意义，标志着“bug”在计算机历史上作为错误代名词的开端。以下是这个事件的详细背景：

1.1.1 Mark II计算机的背景

Mark II是哈佛大学建造的一台早期继电器式计算机，属于Harvard Mark系列计算机中的一部分。这台机器使用继电器和电磁开关进行运算，相比现代计算机的半导体芯片显得巨大笨重。Mark II的运作过程依赖许多物理电路，因此设备非常庞大，并且经常因为硬件的原因而出现故障。

1.1.2 Grace Hopper的发现

Grace Hopper是美国海军的一名计算机科学家和先驱人物，她在哈佛大学的计算机实验室工作时，领导团队维护和操作Mark II计算机。1947年9月9日，团队在运行Mark II时遇到了一些问题，计算机突然失灵，部分计算无法进行。他们检查了计算机的每个部分，最终发现在其中一个继电器上竟然卡住了一只飞蛾。

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1.1.3 故障原因：飞蛾卡在继电器中

继电器是Mark II的核心部件之一，通过通断电流来实现运算指令的执行。然而，由于这只飞蛾的干扰，导致继电器无法正常运转，电流无法顺利通过，计算机也因此出现故障。这只飞蛾成了这台计算机的“第一个bug”，或者说，第一个被发现并记录下来的计算机“bug”。

1.1.4 记录“bug”的诞生

Hopper团队发现飞蛾后，便将其从继电器上移除，并将这次事件详细记录在实验日志上。他们用胶带将这只飞蛾贴在日志页上，并标注道“First actual case of bug being found”（发现实际bug的第一个案例）。这个动作不仅保存了历史证据，还开创了“bug”作为计算机错误的术语。从此，团队成员甚至在日志中用“debugging”来指代清理机器中的错误或故障。

1.1.5 “debugging”一词的推广

虽然在电气工程中“debug”这个词在此之前也曾被使用过，但Grace Hopper的团队正式确立了这个词的含义，使其逐渐推广到计算机和软件领域。之后，随着计算机的发展和普及，软件错误被称为“bug”，而排除这些错误的过程则称为“debugging”。

1.1.6. 历史价值与意义

这只飞蛾的事件不仅在计算机历史中占据了一席之地，还成为了“bug”一词作为故障和错误代名词的根源。至今，这只飞蛾的原始记录仍然保存在史密森尼博物馆里，作为计算机发展史中的一件象征性文物。它提醒着我们早期计算机科学家面对的挑战，也见证了“bug”在技术界的深远影响。

1.2 Bug 的来源

程序员疏忽：由于复杂的逻辑或代码编写不严谨，容易引入错误。
需求不明确：未理解或实现需求的真正意图，导致功能不符合需求。
边界条件未处理：在输入为零、负数、超大数等边界情况下程序可能会出现异常行为。

1.3 解决 Bug 的方法

代码复查：通过仔细检查代码或找他人代码审查来发现可能的 bug。
单元测试：为代码的各个模块编写测试用例，以确保每个部分都符合预期。
使用调试工具：如 GDB 或 Visual Studio 内置调试器，帮助逐步分析代码执行流程。

2. 什么是调试（debug）？

调试（debug） 是指识别、定位并修复程序 bug 的过程。调试通常包括以下几个步骤：

2.1 调试过程

承认错误：调试一个程序，首先是勇于承认出现了问题，很多程序员不愿意承认自己的错误，把问题甩锅给测试、前端等。
重现错误：确认 bug 存在并确定其触发条件。例如，确定哪些输入会导致程序崩溃。
设置断点：在代码的关键位置设置断点，使程序在这些位置暂停，以便观察变量值和程序状态。
分析程序状态：逐步执行代码，观察变量值、内存状态和程序执行流，确定 bug 的根本原因。
修复错误：一旦找到 bug 的根源，通过修改代码进行修复。
验证修复：重新运行程序，确保修复后的代码不会再产生相同的 bug，并进行回归测试，确保未引入新的问题。

2.2 调试的重要性

调试是软件开发过程中不可或缺的步骤，尤其在 C 语言中，由于其对内存的直接操作更容易出现复杂 bug。有效的调试可以节省开发时间，提高代码质量。

3. Debug 和 Release 模式的区别

在 C 语言开发中，编译器通常提供两种编译模式：Debug 和 Release。

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Debug 模式
- 含有调试信息（如变量名称、函数名等），方便调试。
- 未进行优化，因此变量值等更容易追踪。
- 程序执行效率较低，主要用于开发和测试阶段。
- 编译出的文件较大，因为包含了额外的调试信息。
Release 模式
- 不包含调试信息，减少文件体积。
- 经过编译器优化，执行效率高。
- 用于发布产品，避免用户看到内部调试信息。
- 可能对代码进行了重排或内联优化，因此某些错误在 Release 模式下可能无法重现。

4. VS 调试快捷键

Visual Studio 是常用的开发工具，提供了许多便捷的调试快捷键。以下是一些常用快捷键：

4.1 环境准备

在 Visual Studio 中进行调试之前，需要设置一些环境参数：

配置项目属性：确保编译模式选择为 Debug，而不是 Release。
调试信息生成：检查是否启用了调试符号文件（PDB 文件），以便跟踪代码。
优化设置：在 Debug 模式下通常禁用优化，以便更准确地观察变量值。

4.2 调试快捷键

F5：开始调试/继续 - 启动程序并进入调试模式。如果已经在调试中，继续执行程序，直至下一个断点或程序结束。
Shift + F5：停止调试 - 结束当前调试会话，退出调试模式。
F9：设置/取消断点 - 在当前行设置或取消断点，程序会在此行暂停执行，方便观察状态。
F10：逐过程执行 - 逐步执行代码，但不会进入函数内部，而是跳过整个函数。
F11：逐语句执行 - 逐行执行代码，包括进入函数内部，详细分析每一步执行情况。
Ctrl + F5：不调试启动 - 启动程序而不进入调试模式，直接运行程序。
Ctrl + Shift + F5：重新启动调试 - 停止当前调试并重新开始调试，适用于想要从头开始调试的情况。

5. 监视和内存观察

监视和内存观察是调试过程中的重要工具，帮助开发者深入了解程序的执行状态、上下文环境中的变量的值和内存使用情况。当然，这些观察的前提条件一定是开始调试后观察。

5.1 监视（Watch）

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监视窗口允许开发者查看变量的实时值，尤其是在断点位置暂停时，可以观察变量的状态。

添加监视：在代码中选中变量，右键选择“添加到监视窗口”。
动态更新：监视窗口会动态显示变量的值变化，当代码逐步执行时，变量值会实时更新。
观察表达式：不仅可以监视单个变量，还可以监视表达式。例如，可以监视 a + b 的值，方便计算和判断。

示例：

int a = 5;
int b = 10;
int result = a + b; // 可以监视 result 的值来确认是否正确计算

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5.2 内存观察（Memory）

如果监视窗口看的不够仔细，也是可以观察变量在内存中的存储情况，内存窗口允许开发者直接查看程序的内存状态，还是在【调试】->【窗口】->【内存】，这在处理指针和数组时特别有用。

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内存地址：在内存窗口中可以查看特定地址的内存内容，方便检查指针或数组访问的正确性。要在地址栏输入：arr，&num，&c，这类地址，就能观察到该地址处的数据。
字节表示：内存窗口会以十六进制显示内存内容，也可以转换为字符、整数等格式。
指针监视：对于指针类型变量，可以直接查看其指向的内存区域，判断是否存在空指针或非法访问。

示例：

int array[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *p = array;

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通过内存窗口可以观察 p 指针的值以及它所指向的 array 数组的内存内容，确保没有越界访问。

6. 调试案例

在VS2022、X86、Debug 的环境下，编译器不做任何优化执行以下代码

#include <stdio.h>
int main()
{
	int i = 0;
	int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
	for(i=0; i<=12; i++)
	{
		arr[i] = 0;
		printf("hehe\n");
	}
	return 0;
}

6.1 内存布局

通过调试我们知道了 arr 数组和变量 i 在栈区的分布。arr 数组占用了连续的内存空间，从低地址到高地址排列，共有 10 个元素（索引 0 到 9）。
紧邻 arr 数组高地址的地方存放的是变量 i。这意味着，i 和 arr[10] 的地址相邻，arr[10] 实际上指向了变量 i 的内存位置。

6.2 越界访问导致的死循环

由于 for 循环条件为 i <= 12，因此在循环中 i 的值会从 0 一直增加到 12。这意味着，当 i >= 10 时，会访问 arr[10]、arr[11]、arr[12] 等越界元素。
当访问 arr[10] 时，由于 arr[10] 的内存位置和变量 i 的内存位置重叠，因此 arr[10] = 0 实际上修改了变量 i 的值为 0。
这样一来，i 每次在循环中被设置为 0，因此无法正常递增。循环条件 i <= 12 始终为真，导致程序进入了死循环。

6.3 详细过程

在每次循环开始时，i 的值会递增，然后在 arr[i] = 0; 中被覆盖为 0。
这相当于每次循环都重新将 i 设置为 0，使得 for 循环条件永远成立，导致无限输出 "hehe"。

6.4 总结

死循环的原因在于数组越界访问覆盖了变量 i 的值，使得 i 的值始终无法增大。
修改循环条件为 i < 10，即可避免越界访问，防止覆盖 i 的值，解决死循环问题。

7. 小练习

求1!+2!+3!+4!+...10! 的和，请看下面的代码：

#include <stdio.h>
//写一个代码求n的阶乘
int main()
{
	int n = 0;
	scanf("%d", &n);
	int i = 1;
	int ret = 1;
	for(i=1; i<=n; i++)
	{
		ret *= i;
	}
	printf("%d\n", ret);
	return 0;
}

int main()
{
	int n = 0;
	int i = 1;
	int sum = 0;
	for(n=1; n<=10; n++)
	{
		for(i=1; i<=n; i++)
		{
			ret *= i;
		}
		sum += ret;
	}
	printf("%d\n", sum);
	return 0;
}

调试找一下问题。

8. 编程常见错误归类

在 C 语言中，错误通常分为以下几类：

8.1 编译型错误

编译型错误是编译器在代码编译阶段检测到的错误。常见的编译型错误包括：

语法错误：如漏写分号、括号不匹配等。
数据类型不匹配：如将 int 类型变量赋值给 char 变量。
函数声明不匹配：调用未声明或参数类型不符的函数。

示例：

int a = 5;
a = "hello"; // 错误，字符串不能赋值给整数变量

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8.2 链接型错误

链接型错误通常出现在编译阶段之后，由于未正确链接外部函数或库导致的错误。常见的链接错误包括：

未定义的引用：如调用了未定义的函数。
重复定义：多个文件中重复定义了同名变量或函数。

示例：

extern int myFunction(); // 声明了一个外部函数，但未定义，可能导致链接错误

8.3 运行时错误

运行时错误是程序在执行时遇到的问题。常见的运行时错误包括：

空指针引用：访问了空指针指向的内存。
数组越界：访问了数组边界之外的内存。
除零错误：整数除以零会导致异常。

示例：

int *p = NULL;
printf("%d", *p); // 错误，空指针访问会导致运行时错误

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—完—