標籤：

Python異常處理與程序調試

04-05

在程序執行過程中，遇到出錯情況在所難免。有些錯誤可以預料，可在程序處理中考慮進去；有些錯誤是意料之外的，例如，若在讀取文件其間，計算機上的其他程序已將其刪除，如何處理？若程序從網站下載網頁時，該網站突然崩潰，如何處理？

Python採用的措施是引發異常。異常是一種特殊的錯誤對象，程序可以捕獲並檢查它們，以決定如何處理錯誤。 異常可能改變程序的控制流程。根據發生的時機，異常可能導致執行流程跳出函數或進入處理錯誤的代碼塊。

通常，我們無法確定哪一行可能引發異常，Python提供了一個特殊的異常處理結構，可用於捕獲異常，並確保無論是否出現異常都將執行清理代碼。

常見的異常類型：
SyntaxError：Python 不能理解程序
NameError：局部或全局變數名找不到
AttributeError：屬性引用失敗
IndexError：索引引用越界
TypeError：操作數的類型不正確
ValueError：操作數類型正確，但值非法
ZeroDivisionError：被零除
FileNotFoundError：文件未找到
IOError：IO system 報告故障

例如：1. 試圖存取列表上界之外的元素將引發IndexError
如：Test = [1,2,3]
Test[4]
2. 試圖轉換不適當的類型將引發TypeError
如：int(Test)
3. 引用不存在的變數將引發NameError
如：a4. 不同的數據類型參加運算而沒有強制類型轉換將引發TypeError
如：『a』/4

如何處理異常？

  • 什麼都不做：替換成預設值，使程序繼續執行
    • Bad idea！用戶可能會懷疑結果
  • 返回一個「error」值
    • 選擇一個什麼樣的錯誤值？
    • 主調程序必須包含檢查這種特殊值和處理一系列錯誤的代碼
  • 停止執行，發出錯誤條件信號
    • 在Python中即引發異常，捕獲異常並處理之

例：傳統處理程序出錯及Python處理異常比較

  • 編寫函數getRatios(v1, v2)。
  • 假定參數v1、v2是等長的數字列表，要求返回一個列表，該列表包含v1[i]/v2[i]有意義的值。

1. 使用傳統程序設計方法處理錯誤：

調用及執行：

2. 使用Python異常處理機制實現：

執行：

對比之下，傳統處理錯誤方法的缺點顯而易見：

  • 程序難讀，因此難以維護和修改
  • 效率較低

一、異常的處理

1、try…except的使用

  • try…except語句用於處理問題語句，捕獲可能出現的異常。
  • try子句中的代碼塊放置可能出現異常的語句，except子句中的代碼塊處理異常。當異常出現時，Python會自動生成1個異常對象，該對象包括異常的具體信息，以及異常的種類和錯誤位置。

例如：試圖打開不存在的文件

說明：出現了FileNotFoundError異常

例：使用try…except捕獲FileNotFoundError異常

執行結果：

又如：Python內置函數和庫函數通常在出現意外情況時引發異常

同樣可以使用try…except語句來處理該異常。try…except語句後還可以添加1個else子句，當try子句中的代碼發生異常時，程序直接跳轉到except子句；反之，程序將執行else子句。

例：捕獲並處理除數為0的ZeroDivisionError異常

例：異常處理的嵌套

執行結果：

2、try…finally的使用

  • try…except語句還可以添加1個finally子句，無論異常是否發生，finally子句都會被執行。
  • finally子句通常用於關閉因異常而不能釋放的系統資源。

例：使用try…finally處理異常

執行結果：

3、使用raise拋出異常

  • 當程序中出現錯誤時，Python會自動引發異常。另外，在程序的任何地方都可以使用raise語句故意引發異常。
  • 一旦執行了raise語句，raise語句後的代碼將不被執行。
  • raise語句通常用於拋出自定義異常，因為自定義異常並不在Python的控制範圍之內，不會被Python自動拋出，應使用raise語句手工拋出。

例：使用raise拋出異常

執行結果：

4、自定義異常

  • Python允許自定義異常，用於描述Python異常體系中沒有涉及的異常情況。
  • 自定義異常必須繼承Exception類。
  • 自定義異常按照命名規範以Error結尾，顯式地表示該類是異常類。
  • 自定義異常使用raise語句引發，其只能通過手工方式觸發。

例：自定義異常

執行結果：

5、assert語句的使用

  • assert語句用於檢測某個條件表達式是否為真。
  • assert語句又稱為斷言語句，即assert認為檢測的表達式永遠為真。
  • if語句中的條件判斷都可以使用assert語句檢測。例如，檢測某個元組中元素的個數是否大於1，如果assert語言斷言失敗，會引發AssertionError異常。

例：assert語句使用

在何處使用斷言？

  • 使用斷言的目的是為了儘早識別bug且清楚它們是在何處出現的
    • 在第一次碰到問題時就捕獲它，使調試更容易，而不是之後再追蹤
  • 不要將斷言用於測試之處，但可以作為測試的補充
  • 若用戶提供了錯誤輸入時應儘可能依靠拋出異常去處理，而斷言常用於檢查參數或值的類型。

6、多種異常的處理

可在except子句中指定多種異常來處理多種異常； 如果要分別處理不同的異常，可使用多個except子句； 如果在except子句中沒有指定異常，它將捕獲所有異常。

例：處理多種異常

執行結果：

二、調試

  • 如果總能寫出正確的代碼，並在第一次第一次測試時就能正確執行，當然很好。但實際編程過程中並不總是如此順利。
  • 如何測試代碼是否正確，常用的方法有：
    • 黑盒測試—通過特定規範執行路徑
    • 白盒測試—通過代碼執行路徑
    • 將調試作為一個搜索過程—使用二分查找的方法，分離並檢查錯誤來源

1、測試和調試

  • 在調試程序過程中我們需要一些方法：
    • 測試方法—使用不同的例子運行代碼看其是否正確的方法
    • 調試方法—已經發現程序中有問題，如何修正程序的方法

何時進行測試？何時進行調試？

  • 實際上，如果我們能弄清楚如何設計代碼，那麼測試和調試會更加簡單。優秀的程序員會有這樣的經驗：
    • 將代碼分解成獨立的模塊，從而獨立地測試和調試；
    • 寫出好的文檔（寫明輸入、輸出的期望是什麼；即使代碼沒有執行對測試的限制，這種文檔也是有價值的）；
    • 記錄下可能的各種假設；

測試之前要完成的工作：

  • 確保代碼可以運行
    • 剔除語法錯誤
    • 剔除靜態語義錯誤
    • 事實上，Python解釋器可以自動處理上述兩種錯誤
  • 準備一套預期結果（即對於一個特定的輸入，期待會有怎樣的輸出）

2、測試套件

  • 我們希望找到一系列輸入，它們很有可能暴露錯誤，且不會花太多時間，但卻十分有效，這就是所謂測試套件。
    • 將輸入分解為子集，為代碼正確性提供等效信息；
    • 構造測試套件，其中至少包含每個子集的一個元素；
    • 運行測試套件。

例：測試套件應用

輸入空間是所有的整數對 可能的子集：

  • x為正，y為正
  • x為負，y為負
  • x為正，y為負
  • x為負，y為正
  • x=0，y=0
  • x=0，y!=0
  • x!=0，y=0

輸入空間的劃分原則：
- 上例中當然也可以有其他的輸入選擇，例如x是質數，y不是；y是質數，x不是；x和y都是質數；x和y都不是質數。但這與問題不相關。- 實際上輸入空間經常具有自然邊界：如：整數有正、負、零值；
根據這個觀點可以將測試數據劃分為9個子集（見上）：
將x=0，y!=0劃分為x=0，y為正數和x=0，y為負數
x!=0，y=0也同樣劃分

測試方法：
- 隨機測試—代碼的正確率隨測試次數的增加而增加；- 黑盒測試：在測試時，把程序看作一個不能打開的黑盒子，在完全不考慮程序內部結構和內部特性的情況下，測試者在程序介面進行測試，它只檢查程序功能是否按照需求規格說明書的規定正常使用，程序是否能適當地接收和正確的輸出- 白盒測試：是通過程序的源代碼進行測試而不使用用戶界面。這種類型的測試需要從代碼句法發現內部代碼在演算法，溢出，路徑，條件等等中的缺點或者錯誤，進而加以修正。

3、黑盒測試

  • 測試套件的設計使人們無需查看代碼，其優點為：
    • 編程者以外的其他人也可以使用其進行測試；
    • 可以避免編程者潛在的偏見，使得發現錯誤更為容易；
    • 同一個測試套件可以被重複利用，即使改變了程序代碼。

4、白盒測試

  • 使用代碼本身引導測試用例的設計；
  • 一個好的白盒測試套件，也被稱為窮舉路徑測試，代碼片段的每一個路徑至少都被檢測一次；
  • 當然，即使是一個窮舉路徑測試也可能遺漏錯誤，這取決於例子的選擇。

例：求某個數的絕對值（使用白盒測試）

選擇測試套件{-2,2}，這是窮舉路徑； 但是遺漏了檢測abs(-1)； 測試的邊界應該選擇{-2,-1,2} 修改程序（if x<=-1）

白盒測試的經驗法則：
1. 執行所有if語句的兩條分支；
2. 確保每一個except語句被執行；
3. 對於每一個for循環，需要測試以下情況：
- 循環一次都未被執行； - 循環體只被執行一次； - 循環體被執行一次以上4. 對於每一個while循環，需要測試以下情況：
- 與for循環測試相同 - 還要測試所有退出循環的情況5. 對於遞歸，要測試沒有遞歸、有一次遞歸和多次遞歸的情況。

5、將二分查找思路用於調試

例：用二分查找思路調試判迴文程序。

執行結果：

三、使用自帶IDEL調試程序

  • IDLE是Python自帶的一個簡易的IDE，具有程序調試的功能，並且提供交互環境和腳本文件調試兩種模式。
  • 打開IDLE後默認是一個交互環境，可以直接編寫Python代碼並且能試試查看輸出。
  • 單擊[Debug]|[Debugger]會彈出Debug Control調試界面。 界面上有5個按鈕：Go（運行）、Step（單步調試）、Over（跳過）、Out（跳出）和Quit（退出）。 還有4個可選項：Stack（堆棧）、Source（源碼）、Locals（局部變數）和Globals（全局變數）。

例：編寫兩個數的除法函數並調試（在交互環境下調試）

腳本文件調試：

python學習課程目錄

推薦閱讀：

TAG:Python入門 | Python開發 | Python |