虫子的演变-DEV365 开发者社区

Memory Management: The Past and The Present
Concurrency: A Double-Edged Sword
The Pervasiveness of State Bugs
Exceptions: The Noisy Neighbor
Faults: Beyond the Surface
Thread Bugs: Unraveling the Knot
Race Conditions: Always a Step Ahead
Performance Pitfalls: Monitor Contention and Resource Starvation
Final Word

编程，无论该时代如何，都充满了自然界各不相同但在基本问题上仍然保持一致的错误。无论我们是在谈论移动，桌面，服务器还是不同的操作系统和语言，错误一直是一个不断的挑战。这是对这些错误的性质以及我们如何有效应对的。

作为旁注，如果您喜欢此内容的内容以及本系列中的其他帖子，请查看我的Debugging book涵盖此主题的Debugging book。如果您有正在学习编码的朋友，我会感谢对我的Java Basics book的参考。如果您想在一段时间后回到Java，请查看我的Java 8 to 21 book。

内存管理：过去和现在

记忆管理及其复杂性和细微差别一直为开发人员带来了独特的挑战。在数十年中，尤其是调试记忆问题已经发生了很大的变化。这是对与内存相关的错误以及调试策略的发展的潜水。

经典挑战：记忆泄漏和腐败

在手动内存管理的日子里，应用程序崩溃或放缓的主要罪魁祸首之一是可怕的内存泄漏。当程序消耗内存但未能将其释放回系统时，这将发生这种情况。

最终。

调试此类泄漏非常乏味。开发人员会倾注代码，寻找分配而无需相应的处理。经常采用Valgrind或Purify之类的工具，这将跟踪记忆分配并突出潜在的泄漏。他们提供了宝贵的见解，但带有自己的表现开销。

记忆腐败是另一个臭名昭著的问题。当一个程序在分配内存的边界之外编写数据时，它会损坏其他数据结构，从而导致无法预测的程序行为。调试此要求了解应用程序的全部流程并检查每个内存访问。

输入垃圾收藏：混合祝福

用语言引入垃圾收集者（GC）带来了自己的挑战和优势。从明亮的一面来看，现在自动处理许多手动错误。系统将清理未使用的对象，大大减少内存泄漏。

但是，出现了新的调试挑战。例如，在某些情况下，对象仍然存在于内存中，因为无意的引用阻止了GC将其识别为垃圾。检测这些无意的参考文献成为记忆泄漏调试的一种新形式。出现了诸如Java的VisualVM或.NET的内存profiler之类的工具，以帮助开发人员可视化对象参考并追踪这些潜伏的参考。

记忆分析：当代解决方案

今天，调试内存问题的最有效方法之一是内存分析。这些探查者提供了应用程序记忆消耗的整体视图。开发人员可以看到他们程序的哪些部分消耗的记忆最多，跟踪分配和交易速度，甚至检测内存泄漏。

一些剖道师还可以检测潜在的并发问题，从而在多线程应用程序中无价。它们有助于弥合过去的手动内存管理与自动化的同时未来之间的差距。

并发：双刃剑

并发，使软件在重叠期间执行多个任务的艺术已经改变了程序的设计和执行方式。但是，随着它引入的无数好处，例如提高绩效和资源利用，并发也带来了独特且经常具有挑战性的调试障碍。让我们深入研究调试背景下并发的双重性质。

明亮的一面：可预测的螺纹

托管语言（具有内置内存管理系统的语言）一直是并发编程的福音。诸如Java或C＃之类的语言使线程更加平易近人和可预测，尤其是对于需要同时任务但不一定是高频上下文开关的应用程序。这些语言提供了内置的保障措施和结构，帮助开发人员避免了许多以前困扰多线程应用程序的陷阱。

此外，工具和范例（例如JavaScript中的承诺）已经抽象了管理并发的大部分开销。这些工具可确保数据流平滑，处理回调并帮助更好地结构异步代码，从而使潜在的错误降低。

模糊的水域：多峰值并发

但是，随着技术的进步，景观变得更加复杂。现在，我们不仅在查看一个应用程序中的线程。现代体系结构通常涉及多个并发容器，微服务或功能，尤其是在云环境中，所有这些都可能访问共享资源。

当多个并发实体（可能在单独的机器或什至数据中心运行）时，尝试操纵共享数据时，调试复杂性会升级。从这些情况下引起的问题比传统的局部线程问题更具挑战性。追踪错误可能涉及从多个系统中遍历日志，了解服务间通信，并辨别跨分布式组件的操作顺序。

复制难以捉摸的：螺纹错误

与线程相关的问题因最难解决的问题而赢得了声誉。主要原因之一是他们通常是非确定性的。多大部分时间都可以平稳地运行多线程，但偶尔在特定条件下会产生错误，这可能非常具有挑战性。

识别此类难以捉摸的问题的一种方法是记录当前线程和/或堆栈可能存在的有问题的代码块。通过观察日志，开发人员可以发现暗示违反并发的模式或异常情况。此外，创建“标记”或用于线程标签的工具可以帮助可视化跨线程的操作顺序，从而使异常更加明显。

僵局，其中两个或多个线程无限期地等待彼此释放资源，尽管棘手，但一旦确定就可以更加简单地调试。现代辩论者可以突出显示哪些线程被卡住，等待哪些资源以及其他线程持有它们。

相比之下，生计提出了一个更具欺骗性的问题。与生计相关的线程在技术上是运营的，但它们陷入了使它们有效无效的动作循环中。调试这需要细致的观察，经常逐步浏览每个线程的操作，以发现潜在的循环或重复的资源争夺而没有进展。

种族条件：永远存在的幽灵

最臭名昭著的并发相关的错误之一是种族条件。当由于事件的相对时间安排而导致软件的行为变得不稳定时，就会发生这种情况，例如试图修改同一数据的两个线程。调试种族条件涉及范式转变：人们不应该将其视为线程问题，而应将其视为州问题。一些有效的策略涉及现场观察点，这些策略在访问或修改特定字段时会触发警报，从而使开发人员可以监视意外或过早的数据更改。

国家错误的普遍性

软件以其核心表示并操纵数据。这些数据可以代表从用户偏好和当前上下文到更短暂的状态的所有内容，例如下载的进度。软件的正确性在很大程度上依赖于准确，可预测的。由不正确的管理或对这些数据的理解引起的状态错误是开发人员面临的最常见和危险的问题之一。让我们深入研究状态错误的领域，并了解为什么它们如此普遍。

什么是状态错误？

当软件进入意外状态时，状态错误显现出来，导致故障。这可能意味着一个视频播放器认为它在暂停时正在玩，一个在线购物车认为它是在添加物品时空虚的，或者是一个假定不在时武装的安全系统。

从简单变量到复杂的数据结构

状态错误如此普遍的原因是所涉及的数据结构的广度和深度。这不仅仅是简单的变量。软件系统管理列表，树或图形等广泛而复杂的数据结构。这些结构可以相互作用，影响彼此的状态。一个结构的错误，或两个结构之间的误解相互作用，可能引入状态不一致。

互动和事件：时机很重要

软件很少孤立起作用。它响应用户输入，系统事件，网络消息等。这些相互作用中的每一个都可以改变系统的状态。当多个事件紧密地发生或以意外的顺序发生时，它们可能导致不可预见的状态转变。

考虑一个Web应用程序处理用户请求。如果两个几乎同时修改用户配置文件的请求，则最终状态可能在很大程度上取决于这些请求的确切顺序和处理时间，从而导致潜在的状态错误。

持久性：当虫子持续

状态并不总是暂时驻留在内存中。它的大部分被存储在数据库，文件还是云存储中。当错误进入这种持续状态时，纠正措施可能特别具有挑战性。他们流连忘返，导致重复的问题直到被检测到并解决。

例如，如果软件错误错误地将电子商务产品标记为数据库中的“库存”，则它将始终向所有用户呈现不正确的状态，直到固定不正确的状态，即使该错误导致了错误错误已解决。

并发化合物状态问题

随着软件的同时发生，管理状态就更像是一项杂耍行为。并发过程或线程可以同时读取或修改共享状态。如果没有锁或信号量等适当的保障措施，这可能会导致种族条件，最终状态取决于这些操作的确切时机。

打击状态错误的工具和策略

为了解决状态错误，开发人员有工具和策略的武器：

单位测试：这些确保单个组件按预期处理状态过渡。
状态机图：可视化潜在状态和过渡可以帮助识别有问题或缺失的过渡。
记录和监视：密切关注实时状态变化可以提供对意外过渡或状态的见解。
数据库约束：使用数据库级检查和约束可以作为针对不正确持久状态的最终防御线。

例外：嘈杂的邻居

在浏览软件调试的迷宫时，很少有东西像例外那样突出。在许多方面，它们都像一个嘈杂的邻居中，在一个安静的社区中：不可能忽略并且经常破坏。但是，正如了解邻居喧闹行为背后的原因可能导致和平解决方案一样，深入探讨例外也可以为您的软件体验铺平道路。

什么是例外？

在其核心上，例外是程序的正常流动中的中断。当软件遇到没有期望或不知道该如何处理的情况时，就会发生它们。示例包括尝试除以零，访问null引用或未打开不存在的文件。

例外的内容性质

与可能导致软件产生不正确结果的无声错误不同，没有任何明显的迹象，例外通常是响亮而有益的。它们通常带有堆栈跟踪，并指出问题出现的代码中的确切位置。此堆栈跟踪充当地图，将开发人员直接引导到问题的中心。

例外原因

可能发生例外的原因有很多，但是一些常见的罪魁祸首包括：

输入错误：软件通常会对它将收到的输入类型做出假设。当违反这些假设时，可能会出现例外。例如，如果给出“ DD/MM/YYYY”，则期望以“ mm/dd/yyyy”格式进行日期的程序可能会引发异常。
资源限制：如果软件在不可用时试图分配内存或打开文件超过系统允许的文件，则可以触发异常。
外部系统故障：当软件取决于外部系统（例如数据库或Web服务）时，这些系统中的故障可能会导致异常。这可能是由于网络问题，服务的崩溃或外部系统中的意外变化。
编程错误：这些是代码中的简单错误。例如，尝试访问列表末尾的元素或忘记初始化变量。

处理例外：微妙的平衡

虽然很容易将每个操作包裹在试用块中并抑制例外，但这种策略可能会导致更大的问题。沉默的例外可能会隐藏可能以后可能以更严重方式表现出来的潜在问题。

最佳实践建议：

优雅的降级：如果不必要的功能遇到异常，则允许主要功能继续工作，同时可能为受影响的功能禁用或提供替代功能。

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内容丰富的报告：而不是向最终用户显示技术堆栈跟踪，而是提供友好的错误消息，以告知他们问题和潜在的解决方案或潜在的解决方案或解决方法。
记录：即使优雅地处理异常，也必须将其记录下来，以便开发人员以后进行审查。这些日志在识别模式，了解根本原因和改进软件方面可能是无价的。
重试机制：对于短暂的网络故障，实施重试机制等瞬态问题可能是有效的。但是，要区分瞬态和持续错误以避免无尽的重试是至关重要的。

主动预防

像软件中的大多数问题一样，预防通常比治愈更好。静态代码分析工具，严格的测试实践和代码审查可以帮助识别和纠正软件甚至到达最终用户之前的例外原因。

故障：表面之外

当软件系统步履蹒跚或产生意外结果时，“故障”一词通常会进入对话中。在软件上下文中，故障是指导致可观察到的故障的基本原因或条件，称为错误。尽管错误是我们观察和经验的外向表现，但故障是系统中的基本故障，隐藏在代码和逻辑层之下。要了解故障以及如何管理它们，我们需要比表面症状更深入研究并探索表面以下的领域。

什么构成故障？

可以将故障视为软件系统中的差异或缺陷，无论是在代码，数据甚至软件规范中。就像时钟内的齿轮破裂一样。您可能不会立即看到装备，但是您会注意到时钟的手无法正确移动。同样，软件故障可能会隐藏，直到特定条件将其视为错误。

故障的起源

设计缺点：有时，软件的蓝图可能会引入故障。这可能源于对需求，系统设计不足或无法预见某些用户行为或系统状态的误解。
编码错误：这些是由于监督，误解或简单的人为错误而引起的“经典”故障，开发人员可能会引入错误。这可能从一个错误的错误，错误初始化的变量到复杂的逻辑错误。
外部影响：软件不会在真空中运行。它与其他软件，硬件和环境进行交互。这些外部组件中的任何一个都可以将故障引入系统。
并发问题：在现代的多线程和分布式系统中，种族条件，僵局或同步问题可能会引入故障，这些故障尤其难以复制和诊断。

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检测和隔离断层

发掘故障需要多种技术：

测试：严格而全面的测试，包括单位，集成和系统测试，可以通过触发其显示为错误的条件来帮助识别故障。
静态分析：不执行代码的工具可以根据模式，编码标准或已知的有问题的构造来识别潜在的故障。
动态分析：通过监视软件运行时，动态分析工具可以识别内存泄漏或种族条件之类的问题，指出系统中的潜在故障。
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日志和监视：对生产中软件的连续监视，结合详细的记录，可以提供有关故障何时何地的见解，即使它们并不始终造成直接或公开错误。

解决故障

校正：这涉及修复故障所在的实际代码或逻辑。这是最直接的方法，但需要准确的诊断。
补偿：在某些情况下，尤其是在旧系统的情况下，直接解决故障可能太冒险或昂贵。相反，可能引入其他层或机制来抵消或补偿过错。
冗余：在关键系统中，冗余可用于掩盖故障。例如，如果一个组件由于故障而失败，则可以接管备份，以确保连续操作。

从缺点学习的价值

每个故障都会出现学习机会。通过分析故障，起源和表现形式，开发团队可以改善其流程，从而使软件的未来版本更加稳健和可靠。反馈循环，生产中的缺点的课程为开发周期的早期阶段提供信息，可以随着时间的推移创建更好的软件。

线程错误：打结

在软件开发的巨大挂毯中，线程代表了有效但复杂的工具。尽管他们通过同时执行多个操作来授权开发人员创建高效且响应的应用程序，但他们还引入了一类可能难以捉摸且难以复制的错误类别：线程错误。

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这是一个困难的问题，有些平台完全消除了线程的概念。在某些情况下，这造成了性能问题，或者将并发的复杂性转移到了其他领域。这些是固有的复杂性，尽管平台可以减轻某些困难，但核心复杂性是固有且不可避免的。

瞥见线程错误

当应用程序中的多个线程相互干扰时，线程错误会出现，从而导致不可预测的行为。由于线程同时运行，因此它们的相对时机可以从一个运行到另一种运行，导致可能偶尔出现的问题。

线程错误背后的常见罪魁祸首

种族条件：这也许是最臭名昭著的线程错误类型。当一件软件的行为取决于事件的相对时机时，例如线程到达和执行代码的某些部分时，就会发生种族条件。种族的结果可能是不可预测的，环境的微小变化可能会导致截然不同的结果。
僵局：当两个或多个线程无法继续执行其任务时，它们会发生，因为他们每个人都在等待彼此发布一些资源。这是相当于僵化的软件，它双方都愿意放心。
饥饿：在这种情况下，线程将永久拒绝访问资源，因此无法取得进步。虽然其他线程可能运行良好，但饥饿的线程留在lurch中，导致应用程序的一部分变得无反应或慢。
线程thrashing ：当太多的线程争夺系统资源，导致系统在线程之间花费更多的时间而不是实际执行它们时，就会发生这种情况。就像在厨房里有太多厨师，导致混乱而不是生产力。

诊断纠缠

由于其零星的性质，发现线程错误可能很具有挑战性。但是，某些工具和策略可以帮助：

线程消毒剂：这些工具专门设计用于检测程序中与线程相关的问题。他们可以确定诸如种族条件之类的问题，并提供有关问题发生的地方的见解。
记录：线程行为的详细记录可以帮助识别导致有问题条件的模式。时间戳的日志对于重建事件的顺序特别有用。
压力测试：通过人为地增加应用程序上的负载，开发人员可以加剧线程争议，从而使线程错误更加明显。
可视化工具：某些工具可以可视化线程交互，帮助开发人员查看线程可能在哪里发生冲突或等待。

解开结

解决线程错误通常需要进行预防和纠正措施：

静音和锁：使用静音或锁可以确保只有一个线程一次访问一个关键的代码或资源。但是，过度使用它们可能会导致性能瓶颈，因此应明智地使用它们。
线程安全数据结构：使用固有的线程安全结构而不是将线程安全性改造到现有结构上，可以防止许多与线程相关的问题。
并发库：现代语言通常带有旨在处理常见并发模式的库，减少了引入线程错误的可能性。
代码评论：鉴于多线程编程的复杂性，具有多个眼睛评论与线程相关的代码在发现潜在问题时可能是无价的。

种族条件：始终向前一步

数字领域主要植根于二进制逻辑和确定性过程，但并不能免除其不可预测的混乱份额。这种不可预测性背后的主要罪魁祸首之一是种族条件，这是一个微妙的敌人，似乎总是领先一步，无视我们对软件的可预测性质。

什么是种族条件？

当两个或多个操作必须按顺序或组合执行才能正确操作时，就会出现种族条件，但是不能保证系统的实际执行顺序。 “种族”一词完美地包含了问题：这些操作在种族中，结果取决于谁首先结束。如果一个操作在一种情况下“赢”比赛，则该系统可能会按预期工作。如果另一个“赢”在另一场比赛中，可能会发生混乱。

为什么种族条件如此棘手？

零星发生：种族条件的定义特征之一是它们并不总是显现。取决于无数的因素，例如系统负载，可用资源甚至随机性，种族的结果可能会有所不同，从而导致一个很难始终难以再现的错误。
无声错误：有时，种族条件不会崩溃系统或产生明显的错误。取而代之的是，他们可能会引入较小的不一致之处 - 可能会略有关闭，可能会丢失日志条目，或者可能无法记录交易。
复杂的相互依存关系：通常，种族条件涉及系统的多个部分甚至多个系统。追踪引起问题的相互作用可能就像在干草堆中找到针头一样。

防止不可预测的

种族条件似乎是不可预测的野兽，但可以采用各种策略来驯服它们：

同步机制：使用静音，信号量或锁等工具可以执行可预测的操作顺序。例如，如果两个线程正在访问共享资源，则MUTEX可以确保一次只能访问一个。
原子操作：这些操作完全独立于任何其他操作，并且是不间断的。一旦开始，它们就直接完成到完成，而不会停止，更改或干扰。
超时：对于可能因比赛条件而悬挂或卡住的操作，设置超时可能是有用的故障安全。如果该操作在预期的时间范围内未完成，则将其终止以防止其引起其他问题。
避免共享状态：通过设计最小化共享状态或共享资源的系统，可以大大降低种族的潜力。

测试比赛

鉴于种族条件的不可预测性质，传统的调试技术常常缺乏。但是：

压力测试：将系统推向其极限可能会增加种族条件的可能性，从而使它们更易于发现。
种族检测器：某些工具旨在检测代码中的潜在种族条件。他们无法抓住一切，但是在发现明显的问题时它们可能是无价的。
代码评论：人眼在发现模式和潜在陷阱方面非常出色。定期的审查，特别是熟悉并发问题的人，可能是针对种族条件的强烈辩护。

绩效陷阱：监视竞争和资源饥饿

性能优化是确保软件有效运行并满足最终用户的预期要求的核心。但是，开发人员面对的两个最被忽视但有影响力的性能陷阱是监视器的争论和资源饥饿。通过理解和应对这些挑战，开发人员可以显着提高软件性能。

监视竞争：伪装的瓶颈

当多个线程试图在共享资源上获取锁时，就会发生监视争论，但只有一个线程成功，导致其他资源等待。这会创建一个瓶颈，因为多个线程争夺了同一锁，从而减慢了整体性能。

为什么有问题

延迟和僵局：争论可能会导致多线程应用程序的重大延迟。更糟糕的是，如果无法正确管理，它甚至可以无限期地等待僵局。
效率低下的资源利用率：当线程被卡住在等待时，它们不会从事富有成效的工作，导致浪费的计算能力。

缓解策略

细粒度锁定：不用为大资源锁定一个锁，而是分配资源并使用多个锁。这减少了等待单个锁的多个线程的机会。
无锁的数据结构：这些结构旨在管理并发访问而无需锁，从而完全避免了争论。
超时：设置线程将等待锁定的时间的限制。这可以防止无限期的等待，并可以帮助识别争论问题。

资源饥饿：沉默的表演杀手

在永久拒绝执行其任务所需的资源时，资源饥饿会产生。在等待时，其他过程可能会继续抓住可用的资源，将饥饿的过程进一步推向队列。

影响

降解性能：饥饿的过程或线程减速，导致系统的整体性能下降。
不可预测性：饥饿会使系统行为无法预测。通常应该快速完成的过程可能需要更长的时间，从而导致不一致。
潜在的系统故障：在极端情况下，如果基本过程是为关键资源而饥饿，则可能导致系统崩溃或失败。

解决饥饿的解决方案

公平分配算法：实现确保每个过程都获得相当一部分资源的计划算法。
资源保留：为关键任务保留特定的资源，确保他们始终具有运作所需的功能。
优先级：为任务或过程分配优先级。尽管这似乎是违反直觉的，但是确保关键任务首先获得资源可以防止全系统失败。但是，要谨慎，因为这有时会导致低优先级任务的饥饿。

更大的图片

监视争论和资源饥饿都可以以通常难以诊断的方式降低系统性能。对这些问题的整体理解，再加上主动的监视和周到的设计，可以帮助开发人员预测并减轻这些性能陷阱。这不仅导致更快，更高效的系统，而且还具有更顺畅，更可预测的用户体验。

最后一句话

错误以多种形式将永远是编程的一部分。但是，有了更深入的了解，我们可以更有效地解决他们的性质和工具。请记住，每个错误都会增加我们的经验，使我们更好地应对未来的挑战。

在博客的先前帖子中，我深入研究了本文中提到的一些工具和技术。