该文档介绍了使用Python进行调试、测试和性能分析的工具和方法，包括pdb调试器、unittest单元测试，以及timeit和cprofile用于评测程序性能。文中详细说明了各工具的使用案例和基本概念，以帮助开发者更高效地排查错误并优化代码表现。通过撰写测试用例和使用分析工具，开发者可以确保代码质量和执行效率。

2. 12. 除錯、測試與效能
• 學習目標
– 使用 pdb 模組除錯
– 對程式進行單元測試
– 使用 timeit 評測程式片段
– 使用 cProfile（profile）
察看評測數據
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3. 除錯
• 檢測錯誤的時候，有個順手的工具可以加
速錯誤的檢出，其中 Debugger 是最常使
用也是最基本的工具之一
– 中斷點
– 檢視變數
– 逐步執行
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7. • Step Over 就是執行程式碼的下一步，如
果下步是個函式，會執行完該函式至返回
• 使用 Step Into，若下一步是個函式呼叫，
就會進入函式逐步執行，以便查看函式中
的演算與每一步執行結果
• 如果目前正在某個函式之中，接下來不想
逐步檢視函式中剩餘之程式碼，可以執行
Step Out
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8. 使用 pdb 模組
• 如果手邊正好沒有整合開發環境，只能在
文字模式下執行程式進行除錯，那麼可以
使用 Python 內建的 pdb 模組
• 直接使用 python -m pdb，指定想要除
錯的 .py 檔案
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13. • 如果想要單點針對某個函式進行除錯，可
以使用 pdb.run()函式，通常可以在
REPL 中進行這類動作
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15. • 可以將 pdb.set_trace() 直接撰寫在原
始碼中，當程式執行到 pdb.set_trace()
時，就會進入 (Pdb) 指令提示
• 若程式因為例外而無法繼續下去的話，可
以再使用 pdb.pm() 回到例外發生時的上
一步
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18. 測試
• Python 變數沒有型態，如果有型態上的操
作錯誤，基本上會是在執行時期運行至該
段程式碼時，才會產生錯誤訊息
• 檢查出型態不正確的任務，必須由開發者
來承擔，而減輕這個負擔的最好方式之一，
就是撰寫良好的測試程式
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19. • 撰寫測試的相關工具
– assert
– doctest
– unittest
– 第三方測試工具（像是 nose、pytest 等）
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20. • 要在程式中安插斷言，可以使用 assert
• 使用 assert expression 的話，相當於
以下的程式片段：
• 如果有兩個 expression，例如 assert
expression1, expression2：
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21. • __debug__ 是個內建變數，一般情況下會
是 True
• 如果執行時需要最佳化時（在執行時加上-
O 引數）則會是 False
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23. • 何時該使用斷言呢？
– 前置條件斷言客戶端呼叫函式前，已經準備好
某些條件。
– 後置條件驗證客戶端呼叫函式後，具有函式承
諾之結果。
– 類別不變量（Class invariant）驗證物件某個
時間點下的狀態。
– 內部不變量（Internal invariant）使用斷言取
代註解。
– 流程不變量（Control-flow invariant）斷言程
式流程中絕不會執行到的程式碼部份。
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27. 撰寫 doctest
• doctest 模組一方面是測試程式碼，一方
面也用來確認 DocStrings 的內容沒有過期
• 使用互動式的範例來執行驗證，開發者只
要為套件撰寫 REPL 形式的文件就可以
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30. • 獨立地撰寫在另一個文字檔案中
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32. 使用 unittest 單元測試
• unittest 模組有時亦稱為"PyUnit"，是
JUnit 的Python 語言實現
• JUnit 是個 Java 實現的單元測試（Unit
test）框架
• 單元測試指的是測試一個工作單元（a unit
of work）的行為
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33. • 測試一個單元，基本上要與其他的單元獨
立，否則會是在同時測試兩個單元的正確
性，或是兩個單元之間的合作行為
• 就軟體測試而言，單元測試通常指的是測
試某個函式（或方法）
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34. • unittest 模組主要包括四個部份：
– 測試案例（Test case）
– 測試設備（Test fixture）
– 測試套件（Test suite）
– 測試執行器（Test runner）
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35. 測試案例
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37. 測試設備
• 如果有定義 setUp() 方法，那麼執行每個
test 開頭的方法前，都會呼叫一次
setUp()
• 如果有定義 tearDown()方法，那麼執行
每個 test 開頭的方法後，都會呼叫一次
tearDown()
• 可以使用 setUp()、tearDown()來分別
定義每次單元測試前後的資源建立與銷毀
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38. 測試套件
• 想要將不同的測試組合在一起
• 想要自動載入某個 TestCase 子類別中所
有 test_xxx 方法
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39. • 將某個測試套件與某個 TestCase 中的
test_xxx 方法組合為另一個測試套件：
• 將許多測試套件再全部組合為另一個測試
套件：
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40. 測試執行器
• 在程式碼中直接使用 TextTestRunner：
• 在命令列中使用 unittest 模組來運行模
組、類別或甚至個別的測試方法：
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41. timeit 模組
• 用來量測一個小程式片段的執行時間
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42. • 到底是使用 + 時比較快，還是 join() 比
較快呢？
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44. • 效能是整體程式結合之後的執行考量，並
不是單一元素快慢的問題，也不是憑空猜
測，而是要有實際的評測作為依據
• timeit 預設是執行程式片段 1,000,000 次，
然後取平均時間
• 執行次數可透過 number 參數控制
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45. • 以下是幾個直接透過 API 運行的範例：
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47. 使用 cProfile（profile）
• cProfile 用來收集程式執行時的一些時
間數據，提供各種統計數據，對大多數的
使用者來說是不錯的工具
• 這是用 C 撰寫的擴充模組，在評測時有較
低的額外成本，不過並不是所有系統上都
有提供
• profile 介面上仿造了cProfile，是用
純Python 來實現的模組，因此有較高的互
通性
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49. • ncalls："number of calls"的縮寫，也就是對
特定函式的呼叫次數。
• tottime："total time"的縮寫，花費在函式上
的執行時間（不包括子函數
• 呼叫的時間）。
• percall：tottime 除以ncalls 的結果。
• cumtime："cumulative time"的縮寫，花費
在函式與所有子函式的時間
• （從呼叫至離開）。
• percall：cumtime 除以ncalls 的結果。
• filename:lineno(function)：提供程式碼執行
時的位置資訊。 49

50. • 可以使用 pstats 對 cProfile 的結果，
進行各種運算與排序
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