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FAQ之 Debug单步调试
2014-02-20 14:17:14 来源：Fcode研讨团队 评论：0 点击：
本文介绍了 IVF+VS 和 Compaq Visual Fortran 编译器的单步调试操作方法，其他编译器可以类比参考。适合初学者阅读。
第一，Debug 调试是什么？
据传，世界上最早一批程序员中的一位，葛丽丝·霍普，在调试程序时出现故障，拆开继电器后，发现有只飞蛾被夹扁在触点中间，从而“卡”住了机器的运行。于是，霍波诙谐的把程序故障统称为“臭虫（BUG）”，把排除程序故障叫DeBug。后来，Debug 就成为了一个专业的计算机术语。
Debug 是一个程序员的基本功。它有很多层含义，比如源码级Debug，汇编级Debug，系统级Debug等等。Fortran 程序员，通常只会接触到源码级Debug。本文也只描述源码级Debug，如您对汇编和反汇编有一定的了解，还可尝试汇编级Debug。
源码级 Debug，意思是，让程序逐行逐行的运行，运行在中途时，可暂停运行，并将此时的若干状态呈现给程序员查看，以便程序员分析，此时各变量各过程及程序流程，是否符合自己的预期。同时，调试者可随时改变这些状态，例如变量的值，然后继续运行，以便测试在不同情况下程序的反应。
目前的计算机运行速度已经很快了，往往很长的代码运行完毕也就一眨眼的功夫。如果运行过程中出现错误，或者计算结果不正确。往往程序员不知道问题发生在哪里。而 Debug 则可以让程序在可疑的程序段暂停下来，程序员可以查看此时是否符合自己的预期？从而为查找问题提供更多的依据。
源码级 Debug，可便于程序员查找运行时错误（Run-time Error），计算结果不正确，这两种问题。（编译链接错误不能通过Debug查找）
第二，Debug 的前提
Debug 实际上是一种运行程序的方式。所以，首要前提是，程序已经可以正常链接，获得可执行文件。对于不单独运行的程序，例如 DLL，LIB 等，需要额外的 Loader 来加载它，并进行调试（本文暂不涉及，如您有疑问，可于本站论坛提出）。如果您的代码编译链接还有错误，那么请先解决编译链接问题。
其次，Debug 需要调试器（Debugger），这是一种软件。一般商业编译器都会附带调试器。免费开源编译器也会有附属的开源调试器。如果你的编译器产品需要选择组件安装，请确保自己勾选了相应的调试器并进行了安装。
最后，很多编译器允许两种编译链接方式：Debug模式 和 Release模式。
这两种链接方式的区别主要是：
1.Debug 模式：程序几乎不进行优化。产生的可执行程序具有调试信息，执行效率低，文件尺寸大。
2.Release 模式：程序进行合理优化。产生的可执行程序不具有调试信息，执行效率高，文件尺寸小。
（实际上，Debug模式 和 Release模式只是编译器预设的两种方式，我们可以通过调节编译链接参数来获得更自由的搭配，产生介于Debug和Release之间的编译方式）
想要进行 Debug 调试，我们需要程序中存在调试信息，需采用 Debug 模式 编译链接程序才可以。
第三，Debug 的操作
调试器的操作，因不同调试器而不同，这里以集成在 Visual Studio 中的 Intel 调试器为例。Intel Visual Fortran 会默认安装这个调试器。
其他的调试器，如果也是集成在IDE中的，则操作方式大同小异。如果是单独的命令行程序，则需要通过命令来进行调试（本文暂不涉及）
首先我们来看一个示范代码：
Program www_fcode_cn
!// 本程序用于演示 Intel 调试器的使用
Implicit None
Integer , parameter :: N = 10
Real :: a( N ) , b( N )
integer :: i
Do i = 1 , N
a(i) = i
b(i) = 100 - i
End Do
!a(5) = 0.0
Do i = 1 , N
write( * , * ) b(i) / a(i)
End Do
End Program www_fcode_cn
程序第11行，是故意将a(5) 设定为 0.0 的。如果不执行它，则程序应该输出：
99.00000
49.00000
32.33333
24.00000
19.00000
15.66667
13.28571
11.50000
10.11111
9.000000
如果执行了11行，则可能会输出 Infinity，也可能会出现运行时错误forrtl: error (73): floating divide by zero
（根据不同编译器或编译参数中，浮点数的设置而不同）
假设我们程序执行时，遇到了错误，分母为零了。我们来看看如何通过 Debug 发现这个错误。
首先第一步，我们要在可疑的位置插入断点（Insert breakpoint），调试器会让程序运行到断点的位置并暂停下来。如果可疑的位置有多处，可以分别插入断点。
集成开发环境里，在编辑代码时，右键既可插入断点。（在某些环境下，直接点击某行最前方也可插入断点）
请注意，如果你修改了代码，则需要保存，然后编译链接，才能够插入断点。另外，断点不可位于注释语句上，比如上例，想在11行插入断点，就需要取消11行的注释感叹号（然后保存重新编译链接）
需要注意的是，断点需要执行到它的位置，只能位于执行语句（定义语句并不执行）。
如上图，我们插入了两个断点。存在断点的行，一般会有红色的实心圆。
第二步，启动调试程序。可通过菜单栏，工具栏上的按钮进行。在不同的环境下，具体菜单栏和按钮位置不同。你或许需要自定义一下工具栏。
之后，我们可以看到，程序执行到它遇到的第一个断点处。
此时，黄色的箭头指向的行，即为当前程序执行到的位置。（一般来说，一开始都在断点上，所以是红色圆内一个黄色箭头）
此时，程序就在一开始的位置等待我们。我们可以查看到各种状态，例如变量的值。在局部变量窗口我们会看到 I B A 三个变量（或数组），他们的值很乱。因为此时还没有对他们进行初始化。
如果你无法看到局部变量窗口，可能是被隐藏起来了，你或许需要在角落里找一下它，或者通过某些菜单把他“召唤”出来。（由于VS版本的不同，具体位置和图标外观，菜单名称可能稍有不同）
在局部变量里，我们已经可以修改 i 或者 a b 数组的值了，但是目前修改，还没有太大的意义。
我们按下逐语句按钮：
黄色箭头就会下移到下一条语句，这表示程序又向前执行了一行。
同时，局部变量里，i 的值变成了 1 ，这表示循环变量 i 有了值，并且当前是 1。红色，表示此时与上一步相比值发生了改变。相比而言，B 和 A 数组未改变，因此不是红色。
再次点击逐语句按钮（或快捷键F11），黄色箭头继续下移，且 A(1) 变为红色。这表示数组 a 的第一个元素发生了改变。
多次点击逐语句按钮。会发现，黄色箭头开始在循环体内来回移动，i 的值从1开始变大，a 数组慢慢变为 1-10 之间的数。这是完全符合我们的代码预期的。
如果循环较多，比如1000次循环，点击逐语句就需要点击几千次。此时，我们可以在循环外插入第二个断点，例如在本例的第11行。然后点击继续按钮（表示直接运行到下一个断点处，而不是一步一步执行了）。
此时，可发现黄色箭头已到了下一个断点的位置，而且 A 数组和 B 数组已经赋值完毕。均符合我们的预期。
（假设我们此时无法确定第11行导致了 a(5) = 0.0）
再次点击“继续”按钮。编译器一直运行，直到发生了错误为止，会弹出错误：
我们点击“中断”，会发现程序虽然没有碰到断点，但依然暂停了。黄色箭头停留在第13行。我们把鼠标移动到 i 变量上，看到他的值是 5，说明第5次循环出现了错误。
分别移动鼠标到 b 和 a 上，查看 b(5) 和 a(5) 的值。会发现 a(5) 的值为 0.000，这就是导致错误的原因。
在某些情况下，某些编译器，或者因为设置原因，并不会抛出错误，也无法中断，编译器会让 b(5) / 0.0 = Infinity。
此时，就需要更细致的断点，跟踪，检查各变量的值是否符合预期，然后再来确定原因了。（当然也可以通过设置让编译器抛出浮点数错误），例如 IVF 如此设置：
关于调试，还有很多问题。下面简单陈述，具体效果请读者自行测试，很容易理解。
上述的逐语句按钮，在遇到函数调用时，会进入函数内部。如果不希望进入函数内部，可使用逐过程按钮（或跟踪步过），如果已进入函数内，可使用跳出当前函数执行到返回。
读者可以自行拿出自己以前的100行以内有函数调用的代码来测试一下，点击这些按钮，观察黄色箭头的位置，这些概念并不难理解。
最后，有一个比较常用的东西，叫做“条件断点”，它会在满足某些条件时才会触发这个断点。例如，一个10000次的循环，循环到 1234 次出现了错误。我们不能点1234次逐语句吧？此时，我们可设置断点的触发条件为 i>=1234。
或者说，循环到不知道多少次的时候，某个数 ff 变为 0 了，我们可设置断点的触发条件为 ff < 0.00001。
首先插入常规断点，然后在断点处右键：
调试还有很多可利用的工具，例如调用堆栈可查看程序调用函数的全部路线，对某些变量数组添加监视，查看内存中的数据，寄存器的值，windows返回的错误，调试字符串等等。
请读者朋友们根据现有的提示自行琢磨。祝大家的代码都调通！
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