Lập trình, bất kể thời đại nào, đều có nhiều lỗi có tính chất khác nhau nhưng thường vẫn nhất quán trong các vấn đề cơ bản của chúng. Cho dù chúng ta đang nói về thiết bị di động, máy tính để bàn, máy chủ hay các hệ điều hành và ngôn ngữ khác nhau thì lỗi vẫn luôn là một thách thức thường xuyên. Sau đây là phần đi sâu vào bản chất của những lỗi này và cách chúng tôi có thể giải quyết chúng một cách hiệu quả.
Một lưu ý phụ, nếu bạn thích nội dung của bài đăng này và các bài đăng khác trong loạt bài này, hãy xem bài viết của tôi
Quản lý bộ nhớ, với sự phức tạp và sắc thái của nó, luôn đặt ra những thách thức riêng cho các nhà phát triển. Đặc biệt, việc gỡ lỗi các vấn đề về bộ nhớ đã thay đổi đáng kể trong nhiều thập kỷ. Sau đây là phần đi sâu vào thế giới của các lỗi liên quan đến bộ nhớ và cách các chiến lược gỡ lỗi đã phát triển.
Trong thời đại quản lý bộ nhớ thủ công, một trong những thủ phạm chính gây ra sự cố hoặc hoạt động chậm của ứng dụng là rò rỉ bộ nhớ đáng sợ. Điều này sẽ xảy ra khi một chương trình tiêu tốn bộ nhớ nhưng không thể giải phóng nó trở lại hệ thống, dẫn đến cạn kiệt tài nguyên.
Việc gỡ lỗi những rò rỉ như vậy thật tẻ nhạt. Các nhà phát triển sẽ đổ mã, tìm kiếm sự phân bổ mà không có sự phân bổ tương ứng. Các công cụ như Valgrind hoặc Purify thường được sử dụng để theo dõi việc phân bổ bộ nhớ và phát hiện các rò rỉ tiềm ẩn. Họ cung cấp những hiểu biết sâu sắc có giá trị nhưng lại đi kèm với chi phí hoạt động chung.
Tham nhũng bộ nhớ là một vấn đề khét tiếng khác. Khi một chương trình ghi dữ liệu ra ngoài ranh giới của bộ nhớ được phân bổ, nó sẽ làm hỏng các cấu trúc dữ liệu khác, dẫn đến hoạt động của chương trình không thể đoán trước. Việc gỡ lỗi này đòi hỏi phải hiểu toàn bộ luồng của ứng dụng và kiểm tra từng lần truy cập bộ nhớ.
Việc giới thiệu trình thu gom rác (GC) bằng các ngôn ngữ mang lại những thách thức và lợi thế riêng. Về mặt tích cực, nhiều lỗi thủ công giờ đây đã được xử lý tự động. Hệ thống sẽ dọn sạch các đối tượng không được sử dụng, giảm đáng kể tình trạng rò rỉ bộ nhớ.
Tuy nhiên, những thách thức gỡ lỗi mới đã nảy sinh. Ví dụ: trong một số trường hợp, các đối tượng vẫn còn trong bộ nhớ vì các tham chiếu không chủ ý đã ngăn GC nhận ra chúng là rác. Việc phát hiện các tham chiếu không chủ ý này đã trở thành một hình thức gỡ lỗi rò rỉ bộ nhớ mới. Các công cụ như VisualVM của Java hay Memory Profiler của .NET đã xuất hiện để giúp các nhà phát triển trực quan hóa các tham chiếu đối tượng và theo dõi các tham chiếu ẩn này.
Ngày nay, một trong những phương pháp hiệu quả nhất để gỡ lỗi các vấn đề về bộ nhớ là lập hồ sơ bộ nhớ. Những trình phân tích này cung cấp cái nhìn toàn diện về mức tiêu thụ bộ nhớ của ứng dụng. Các nhà phát triển có thể xem phần nào trong chương trình của họ tiêu tốn nhiều bộ nhớ nhất, tỷ lệ phân bổ theo dõi và phân bổ lại, thậm chí phát hiện rò rỉ bộ nhớ.
Một số trình lược tả cũng có thể phát hiện các vấn đề tương tranh tiềm ẩn, khiến chúng trở nên vô giá trong các ứng dụng đa luồng. Chúng giúp thu hẹp khoảng cách giữa việc quản lý bộ nhớ thủ công trước đây và tương lai tự động, đồng thời.
Đồng thời, nghệ thuật làm cho phần mềm thực thi nhiều tác vụ trong các khoảng thời gian chồng chéo, đã thay đổi cách thiết kế và thực thi các chương trình. Tuy nhiên, với vô số lợi ích mà nó mang lại, như cải thiện hiệu suất và sử dụng tài nguyên, tính đồng thời cũng đưa ra những rào cản gỡ lỗi độc đáo và thường đầy thách thức. Hãy cùng tìm hiểu sâu hơn về bản chất kép của tính đồng thời trong bối cảnh gỡ lỗi.
Các ngôn ngữ được quản lý, những ngôn ngữ có hệ thống quản lý bộ nhớ tích hợp, mang lại lợi ích cho lập trình đồng thời . Các ngôn ngữ như Java hoặc C# làm cho việc phân luồng trở nên dễ tiếp cận và dễ dự đoán hơn, đặc biệt đối với các ứng dụng yêu cầu các tác vụ đồng thời nhưng không nhất thiết phải chuyển đổi ngữ cảnh với tần suất cao. Những ngôn ngữ này cung cấp các cấu trúc và biện pháp bảo vệ tích hợp, giúp các nhà phát triển tránh được nhiều cạm bẫy mà trước đây thường gây khó khăn cho các ứng dụng đa luồng.
Hơn nữa, các công cụ và mô hình, chẳng hạn như các lời hứa trong JavaScript, đã loại bỏ phần lớn chi phí thủ công trong việc quản lý đồng thời. Những công cụ này đảm bảo luồng dữ liệu mượt mà hơn, xử lý các lệnh gọi lại và hỗ trợ cấu trúc mã không đồng bộ tốt hơn, khiến các lỗi tiềm ẩn ít xảy ra hơn.
Tuy nhiên, khi công nghệ phát triển, cảnh quan trở nên phức tạp hơn. Bây giờ, chúng ta không chỉ xem xét các luồng trong một ứng dụng duy nhất. Kiến trúc hiện đại thường bao gồm nhiều bộ chứa, vi dịch vụ hoặc chức năng đồng thời, đặc biệt là trong môi trường đám mây, tất cả đều có khả năng truy cập các tài nguyên dùng chung.
Khi nhiều thực thể đồng thời, có thể chạy trên các máy riêng biệt hoặc thậm chí là trung tâm dữ liệu, cố gắng thao tác dữ liệu được chia sẻ, độ phức tạp của việc gỡ lỗi sẽ tăng lên. Các vấn đề phát sinh từ những tình huống này khó khăn hơn nhiều so với các vấn đề về luồng cục bộ truyền thống. Việc truy tìm lỗi có thể liên quan đến việc duyệt qua nhật ký từ nhiều hệ thống, hiểu hoạt động giao tiếp giữa các dịch vụ và hiểu rõ trình tự hoạt động trên các thành phần phân tán.
Các vấn đề liên quan đến luồng đã nổi tiếng là một trong những vấn đề khó giải quyết nhất. Một trong những lý do chính là bản chất thường không xác định của chúng. Một ứng dụng đa luồng có thể chạy trơn tru trong hầu hết thời gian nhưng đôi khi tạo ra lỗi trong các điều kiện cụ thể, lỗi này có thể đặc biệt khó tái tạo.
Một cách tiếp cận để xác định các vấn đề khó nắm bắt như vậy là ghi nhật ký luồng và/hoặc ngăn xếp hiện tại trong các khối mã có thể có vấn đề. Bằng cách quan sát nhật ký, nhà phát triển có thể phát hiện các mẫu hoặc điểm bất thường gợi ý các vi phạm đồng thời. Hơn nữa, các công cụ tạo "điểm đánh dấu" hoặc nhãn cho các luồng có thể giúp trực quan hóa chuỗi hoạt động trên các luồng, làm cho các điểm bất thường trở nên rõ ràng hơn.
Bế tắc, trong đó hai hoặc nhiều luồng chờ nhau giải phóng tài nguyên vô thời hạn, mặc dù phức tạp nhưng có thể dễ dàng gỡ lỗi hơn sau khi được xác định. Trình gỡ lỗi hiện đại có thể đánh dấu luồng nào bị kẹt, chờ tài nguyên nào và luồng nào khác đang giữ chúng.
Ngược lại, livelocks lại gây ra một vấn đề lừa đảo hơn. Các luồng liên quan đến livelock đang hoạt động về mặt kỹ thuật nhưng chúng bị vướng vào một vòng lặp hành động khiến chúng thực sự không hiệu quả. Việc gỡ lỗi này đòi hỏi sự quan sát tỉ mỉ, thường thực hiện từng thao tác của từng luồng để phát hiện vòng lặp tiềm ẩn hoặc tranh chấp tài nguyên lặp đi lặp lại mà không có tiến triển.
Một trong những lỗi khét tiếng nhất liên quan đến đồng thời là tình trạng chạy đua. Nó xảy ra khi hoạt động của phần mềm trở nên thất thường do thời gian tương đối của các sự kiện, chẳng hạn như hai luồng cố gắng sửa đổi cùng một phần dữ liệu. Việc gỡ lỗi các điều kiện chạy đua liên quan đến sự thay đổi mô hình: người ta không nên xem nó chỉ là vấn đề về luồng mà là vấn đề trạng thái. Một số chiến lược hiệu quả bao gồm các điểm theo dõi hiện trường, kích hoạt cảnh báo khi các trường cụ thể được truy cập hoặc sửa đổi, cho phép nhà phát triển giám sát những thay đổi dữ liệu sớm hoặc không mong muốn.
Về cốt lõi, phần mềm đại diện và thao tác dữ liệu. Dữ liệu này có thể thể hiện mọi thứ từ sở thích của người dùng và bối cảnh hiện tại cho đến các trạng thái phù du hơn, chẳng hạn như tiến trình tải xuống. Tính chính xác của phần mềm phụ thuộc rất nhiều vào việc quản lý các trạng thái này một cách chính xác và có thể dự đoán được. Lỗi trạng thái, phát sinh từ việc quản lý hoặc hiểu sai dữ liệu này, là một trong những vấn đề phổ biến và nguy hiểm nhất mà các nhà phát triển phải đối mặt. Hãy cùng tìm hiểu sâu hơn về lĩnh vực lỗi trạng thái và hiểu lý do tại sao chúng lại phổ biến đến vậy.
Lỗi trạng thái biểu hiện khi phần mềm rơi vào trạng thái không mong muốn, dẫn đến trục trặc. Điều này có thể có nghĩa là một trình phát video tin rằng nó đang phát trong khi bị tạm dừng, một giỏ hàng trực tuyến cho rằng nó trống khi các mặt hàng đã được thêm vào hoặc một hệ thống bảo mật cho rằng nó được trang bị vũ khí khi thực tế không phải vậy.
Một lý do khiến lỗi trạng thái rất phổ biến là do chiều rộng và chiều sâu của cấu trúc dữ liệu liên quan . Nó không chỉ là về các biến đơn giản. Hệ thống phần mềm quản lý các cấu trúc dữ liệu phức tạp, rộng lớn như danh sách, cây hoặc biểu đồ. Những cấu trúc này có thể tương tác, ảnh hưởng đến trạng thái của nhau. Một lỗi trong một cấu trúc hoặc sự tương tác bị hiểu sai giữa hai cấu trúc có thể gây ra sự không nhất quán về trạng thái.
Phần mềm hiếm khi hoạt động độc lập. Nó phản hồi thông tin đầu vào của người dùng, sự kiện hệ thống, tin nhắn mạng, v.v. Mỗi tương tác này có thể thay đổi trạng thái của hệ thống. Khi nhiều sự kiện xảy ra gần nhau hoặc theo thứ tự không mong đợi, chúng có thể dẫn đến sự chuyển đổi trạng thái không lường trước được.
Hãy xem xét một ứng dụng web xử lý các yêu cầu của người dùng. Nếu hai yêu cầu sửa đổi hồ sơ của người dùng đến gần như đồng thời thì trạng thái kết thúc có thể phụ thuộc nhiều vào thứ tự và thời gian xử lý chính xác của những yêu cầu này, dẫn đến các lỗi trạng thái tiềm ẩn.
Trạng thái không phải lúc nào cũng cư trú tạm thời trong bộ nhớ. Phần lớn trong số đó được lưu trữ liên tục, có thể là trong cơ sở dữ liệu, tệp hoặc bộ lưu trữ đám mây. Khi lỗi tiến đến trạng thái dai dẳng này, việc khắc phục chúng có thể đặc biệt khó khăn. Chúng tồn tại dai dẳng, gây ra các vấn đề lặp đi lặp lại cho đến khi được phát hiện và giải quyết.
Ví dụ: nếu một lỗi phần mềm đánh dấu nhầm một sản phẩm thương mại điện tử là "hết hàng" trong cơ sở dữ liệu, nó sẽ liên tục hiển thị trạng thái không chính xác đó cho tất cả người dùng cho đến khi trạng thái không chính xác được khắc phục, ngay cả khi lỗi gây ra lỗi đã được khắc phục. đã giải quyết.
Khi phần mềm trở nên đồng thời hơn, việc quản lý trạng thái càng trở thành một trò tung hứng. Các tiến trình hoặc luồng đồng thời có thể cố gắng đọc hoặc sửa đổi trạng thái chia sẻ cùng một lúc. Nếu không có các biện pháp bảo vệ thích hợp như khóa hoặc ngữ nghĩa, điều này có thể dẫn đến tình trạng cạnh tranh, trong đó trạng thái cuối cùng phụ thuộc vào thời gian chính xác của các hoạt động này.
Để giải quyết các lỗi trạng thái, các nhà phát triển có rất nhiều công cụ và chiến lược:
Khi điều hướng mê cung gỡ lỗi phần mềm, có rất ít điều nổi bật bằng các trường hợp ngoại lệ. Về nhiều mặt, họ giống như một người hàng xóm ồn ào trong một khu phố vốn yên tĩnh: không thể phớt lờ và thường xuyên quậy phá. Nhưng cũng giống như việc hiểu lý do đằng sau hành vi ồn ào của hàng xóm có thể dẫn đến một giải pháp hòa bình, việc đi sâu vào các trường hợp ngoại lệ có thể mở đường cho trải nghiệm phần mềm mượt mà hơn.
Về cốt lõi, các trường hợp ngoại lệ là sự gián đoạn trong quy trình bình thường của một chương trình. Chúng xảy ra khi phần mềm gặp phải tình huống không mong đợi hoặc không biết cách xử lý. Các ví dụ bao gồm cố gắng chia cho 0, truy cập tham chiếu null hoặc không mở được tệp không tồn tại.
Không giống như một lỗi thầm lặng có thể khiến phần mềm tạo ra kết quả không chính xác mà không có bất kỳ dấu hiệu rõ ràng nào, các trường hợp ngoại lệ thường rất ồn ào và mang tính thông tin. Chúng thường đi kèm với dấu vết ngăn xếp, xác định chính xác vị trí trong mã nơi phát sinh sự cố. Dấu vết ngăn xếp này hoạt động như một bản đồ, hướng dẫn các nhà phát triển trực tiếp tới tâm chấn của vấn đề.
Có vô số lý do khiến trường hợp ngoại lệ có thể xảy ra, nhưng một số thủ phạm phổ biến bao gồm:
Mặc dù việc gói gọn mọi hoạt động trong các khối thử bắt và loại bỏ các ngoại lệ là rất hấp dẫn, nhưng chiến lược như vậy có thể dẫn đến nhiều vấn đề nghiêm trọng hơn về sau. Các ngoại lệ im lặng có thể che giấu các vấn đề tiềm ẩn có thể biểu hiện theo những cách nghiêm trọng hơn sau này.
Các phương pháp hay nhất được khuyến nghị:
Giống như hầu hết các vấn đề trong phần mềm, phòng bệnh thường tốt hơn chữa bệnh. Các công cụ phân tích mã tĩnh, thực hành kiểm tra nghiêm ngặt và đánh giá mã có thể giúp xác định và khắc phục các nguyên nhân tiềm ẩn gây ra ngoại lệ trước khi phần mềm đến tay người dùng cuối.
Khi một hệ thống phần mềm gặp trục trặc hoặc tạo ra kết quả không mong muốn, thuật ngữ "lỗi" thường xuất hiện trong cuộc trò chuyện. Lỗi, trong ngữ cảnh phần mềm, đề cập đến các nguyên nhân hoặc điều kiện cơ bản dẫn đến sự cố có thể quan sát được, được gọi là lỗi. Mặc dù lỗi là những biểu hiện bên ngoài mà chúng ta quan sát và gặp phải, nhưng lỗi là những trục trặc cơ bản trong hệ thống, ẩn bên dưới các lớp mã và logic. Để hiểu những lỗi lầm và cách quản lý chúng, chúng ta cần tìm hiểu sâu hơn những triệu chứng bề ngoài và khám phá thế giới bên dưới bề mặt.
Một lỗi có thể được coi là sự khác biệt hoặc sai sót trong hệ thống phần mềm, có thể là ở mã, dữ liệu hoặc thậm chí là đặc tả của phần mềm. Nó giống như một bánh răng bị hỏng trong một chiếc đồng hồ. Bạn có thể không nhìn thấy bánh răng ngay lập tức nhưng bạn sẽ nhận thấy kim đồng hồ không chuyển động chính xác. Tương tự, lỗi phần mềm có thể vẫn bị ẩn cho đến khi các điều kiện cụ thể khiến nó lộ ra dưới dạng lỗi.
Việc phát hiện lỗi đòi hỏi sự kết hợp của các kỹ thuật:
Mỗi lỗi đều là một cơ hội học tập. Bằng cách phân tích lỗi, nguồn gốc và biểu hiện của chúng, nhóm phát triển có thể cải thiện quy trình của mình, làm cho các phiên bản phần mềm trong tương lai trở nên mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn. Vòng phản hồi, trong đó các bài học từ lỗi trong quá trình sản xuất cung cấp thông tin cho các giai đoạn trước của chu kỳ phát triển, có thể là công cụ giúp tạo ra phần mềm tốt hơn theo thời gian.
Trong tấm thảm rộng lớn của quá trình phát triển phần mềm, các luồng đại diện cho một công cụ mạnh mẽ nhưng phức tạp. Mặc dù trao quyền cho các nhà phát triển để tạo ra các ứng dụng có hiệu suất cao và phản hồi nhanh bằng cách thực hiện đồng thời nhiều thao tác, nhưng họ cũng đưa ra một loại lỗi có thể cực kỳ khó nắm bắt và nổi tiếng là khó tái tạo: lỗi luồng.
Đây là một vấn đề khó khăn đến mức một số nền tảng đã loại bỏ hoàn toàn khái niệm về luồng. Điều này tạo ra vấn đề về hiệu suất trong một số trường hợp hoặc chuyển sự phức tạp của hoạt động đồng thời sang một lĩnh vực khác. Đây là những sự phức tạp cố hữu và trong khi nền tảng có thể giảm bớt một số khó khăn, thì sự phức tạp cốt lõi là cố hữu và không thể tránh khỏi.
Lỗi luồng xuất hiện khi nhiều luồng trong ứng dụng can thiệp lẫn nhau, dẫn đến hành vi không thể đoán trước. Vì các luồng hoạt động đồng thời nên thời gian tương đối của chúng có thể khác nhau giữa các lần chạy, gây ra các sự cố có thể xuất hiện lẻ tẻ.
Việc phát hiện lỗi luồng có thể khá khó khăn do tính chất lẻ tẻ của chúng. Tuy nhiên, một số công cụ và chiến lược có thể giúp:
Việc giải quyết các lỗi luồng thường đòi hỏi sự kết hợp của các biện pháp phòng ngừa và khắc phục:
Lĩnh vực kỹ thuật số, mặc dù chủ yếu bắt nguồn từ logic nhị phân và các quy trình xác định, nhưng cũng không tránh khỏi sự hỗn loạn khó lường. Một trong những thủ phạm chính đằng sau sự khó lường này là tình trạng chủng tộc, một kẻ thù tinh vi dường như luôn đi trước một bước, thách thức bản chất có thể đoán trước mà chúng tôi mong đợi từ phần mềm của mình.
Tình trạng dồn đuổi xuất hiện khi hai hoặc nhiều thao tác phải thực hiện theo trình tự hoặc kết hợp để hoạt động chính xác nhưng thứ tự thực hiện thực tế của hệ thống không được đảm bảo. Thuật ngữ "cuộc đua" gói gọn vấn đề một cách hoàn hảo: các hoạt động này nằm trong một cuộc đua và kết quả phụ thuộc vào ai về đích trước. Nếu một hoạt động 'chiến thắng' cuộc đua trong một tình huống, hệ thống có thể hoạt động như dự kiến. Nếu người khác 'chiến thắng' trong một cuộc chạy đua khác, sự hỗn loạn có thể xảy ra.
Mặc dù điều kiện chủng tộc có vẻ giống như những con thú khó đoán, nhưng có thể sử dụng nhiều chiến lược khác nhau để chế ngự chúng:
Do tính chất không thể đoán trước của các điều kiện chạy đua, các kỹ thuật gỡ lỗi truyền thống thường không hiệu quả. Tuy nhiên:
Tối ưu hóa hiệu suất là trọng tâm để đảm bảo phần mềm chạy hiệu quả và đáp ứng các yêu cầu mong đợi của người dùng cuối. Tuy nhiên, hai trong số những cạm bẫy về hiệu suất nhưng có ảnh hưởng lớn nhất mà các nhà phát triển phải đối mặt là xung đột màn hình và thiếu tài nguyên. Bằng cách hiểu và điều hướng những thách thức này, các nhà phát triển có thể nâng cao đáng kể hiệu suất phần mềm.
Tranh chấp giám sát xảy ra khi nhiều luồng cố gắng giành được khóa trên tài nguyên dùng chung nhưng chỉ một luồng thành công, khiến các luồng khác phải chờ. Điều này tạo ra tắc nghẽn khi nhiều luồng tranh giành cùng một khóa, làm chậm hiệu suất tổng thể.
Sự thiếu hụt tài nguyên phát sinh khi một tiến trình hoặc luồng liên tục bị từ chối các tài nguyên mà nó cần để thực hiện nhiệm vụ của mình. Trong khi chờ đợi, các quy trình khác có thể tiếp tục lấy các tài nguyên có sẵn, đẩy quy trình đang đói xuống sâu hơn trong hàng đợi.
Cả xung đột màn hình và tình trạng thiếu tài nguyên đều có thể làm giảm hiệu suất hệ thống theo những cách thường khó chẩn đoán. Sự hiểu biết toàn diện về những vấn đề này, kết hợp với việc giám sát chủ động và thiết kế chu đáo, có thể giúp các nhà phát triển dự đoán và giảm thiểu những cạm bẫy về hiệu suất này. Điều này không chỉ mang lại hệ thống nhanh hơn và hiệu quả hơn mà còn mang lại trải nghiệm người dùng mượt mà hơn và dễ dự đoán hơn.
Lỗi, dưới nhiều hình thức, sẽ luôn là một phần của lập trình. Nhưng với sự hiểu biết sâu sắc hơn về bản chất của chúng và các công cụ có sẵn, chúng ta có thể giải quyết chúng hiệu quả hơn. Hãy nhớ rằng, mọi lỗi được làm sáng tỏ đều bổ sung thêm trải nghiệm của chúng tôi, giúp chúng tôi được trang bị tốt hơn cho những thử thách trong tương lai.
Trong các bài đăng trước trên blog, tôi đã tìm hiểu sâu hơn một số công cụ và kỹ thuật được đề cập trong bài đăng này.
Cũng được xuất bản ở đây .