神谷年洋, 逆戻りデバッグ補助のための嵌入的スパイの試作 電子情報通信学会 SIGSS 2016年7月研究会 於 札幌

1. 逆戻りデバッグ補助のための
嵌入的スパイの試作
神谷 年洋
島根大学大学院総合理工学研究科
かんにゅう
IEICE SIGSS 2016年7月研究会 於 札幌
神谷年洋, 逆戻りデバッグ補助のための嵌入的スパイの試作, 信学技報, vol. 116, no. 127, pp. 87-92, (2016-07-14)

2. 逆戻りデバッグとは？
●
逆戻りデバッグ、backward-in-time debugging, omniscient
debugging[13]
●
逆向きにステップ実行ができるデバッガ（によるデバッグ）
� ステップ実行で行き過ぎる（原因であると思われる箇所を通り
すぎる） → 戻る
� 出力の文から逆向きにステップ実行していく
●
実装: 実行途中の状態をすべて保存する or
状態を復元できる実行トレースを保存する
[13] B. Lewis, M. Ducasse, Using Events to Debug Java
Programs Backwards in Time, OOPSLA’03

3. クラッシュしないバグとは？
クラッシュするバグ クラッシュしないバグ
現象 プログラムの実行が中
断する
プログラムの実行は終了す
るが振る舞いが予想外
デバッグの
起点
実行が中断した場所が
デバッグの起点になる
プログラムのどの部分がそ
の振る舞いに相当するのか
を調べるところから
原因 初期化し忘れなどの軽
微なエラーも含まれる
ロジックの誤り
⇒ クラッシュしないバグのほうが修正が難しい

4. クラッシュしないバグの デバッグ作業とは？
(1) 選択したプログラム（の一部分）を対象
として、
(2) プログラムの実行を通して、さまざまな
入力が与えられ出力が得られるのを観察し、
(3) それらの入出力が正しいか（期待した振る
舞いか）を判定する
(4) 上の(1)〜(3)を、対象を変化させつつ繰り
返し、不具合の原因を特定する
不具合の原因: 期待通りの入力に対して、期待した
出力をしない小さなプログラムの部分
クラッシュしないバグの特定 ≒ プログラム理解
完全には理解できていない、
文書化されていない
期待した振る舞い＝仕様
仕様の復元、確認

5. スパイとは？
●
ユニットテストにおいて、オブジェクト
間でやり取りされるメッセージを捉える
機能
– Java向けのライブラリMockitoは、
スパイ、モック、スタブといった機
能を提供している
●
スパイを用いたテスト:
プログラムの実行中に実際に呼び出さ
れたメソッドのそれぞれについて、
その順序や引数の値が期待されるもの
と同じか確認する
– 実測値(actual) vs 期待値(expected)
「ケース」に対するメソッド呼び出し(実測値):
(1) ProductName()→ [“Oval”, “Duvel”]
(2) qty(“Oval”) → 4
ユーザ
在庫管理 ケース
在庫確認
productNames()
["Oval", "Duvel"]
qty("Oval")
4
在庫表示
「ケース」に対するメソッド呼び出し(期待値):

6. 実行トレースの記録
●
実行トレースとは
– 対象プログラムを実行し
●
インストラクション（呼びだされた手続きや計算された式）
●
引数や戻り値（評価値）など
を時間順に記録したもの
– 手続き呼び出しについては、入る（呼び出しにより）と出る（リ
ターンや例外送出など）の２つのイベントを記録 → コールツリー
●
値の記録方法
– アトミックな値（intやboolなど）については、その値の表現（123
やTrue）を記録
– オブジェクト（内部構造; フィールドを持つ）については、IDを記録
●
フィールドの値が必要なときは、そのオブジェクトのフィールド
への参照や代入といったインストラクションを遡ることで再現
実行トレースの記録の方法のバリエーションとしては、オブジェクトの内部
のデータまで含めて記録、分岐ごとに1ビットでどちらをたどるか記録、等
:54568 1.1 load_const None
:54569 1.1 line file=cal.py line=2
:54570 1.1 load_const -1
:54571 1.1 load_const <tuple #5606>
:88854 1.1 line file=cal.py line=4
:88855 1.1 load_const <string #8171> text='Su Mo T
Sa'
:88856 1.1 line file=cal.py line=6
:88857 1.1 load_const <code #8172> name=print_c
file=cal.py line=6
:88858 1.1 line file=cal.py line=17
:88859 1.1 load_const <code #8173> name=main fi
line=17
:88860 1.1 line file=cal.py line=22
:88861 1.1 load_const <string #2832> text='__main
:88862 1.1 result True
:88863 1.1 line file=cal.py line=23
:88864 1.1 call <code #8173> name=main file=cal.p
:88865 1.1 line file=cal.py line=18
:88866 1.1 load_global_from <string #91> text='int'
:88867 1.1 result <type #92> name=int
:88868 1.1 load_global_from <string #2055> text='s
:88869 1.1 result <module #5>
:88870 1.1 call $LOAD_ATTR$
:88871 1.1 self.0 <module #5>
:88872 1.1 arg.1 <string #8174> text='argv'
:88873 1.1 return <list #8175>
:88874 1.1 load_const 1
:88875 1.1 call $BINARY_SUBSCR$
:88876 1.1 self.0 <list #8175>
:88877 1.1 arg.1 1
:88878 1.1 return <string #8176> text='2016'
:88879 1.1 line file=cal.py line=19
:88880 1.1 load_global_from <string #91> text='int'
:88881 1.1 result <type #92> name=int
:88882 1.1 load_global_from <string #2055> text='s
:88883 1.1 result <module #5>
:88884 1.1 call $LOAD_ATTR$
:88885 1.1 self.0 <module #5>
:88886 1.1 arg.1 <string #8174> text='argv'

7. 実行トレースの記録
●
実行トレースとは
– 対象プログラムを実行し
●
インストラクション（呼びだされた手続きや計算された式）
●
引数や戻り値（評価値）など
を時間順に記録したもの
– 手続き呼び出しについては、入る（呼び出しにより）と出る（リ
ターンや例外送出など）の２つのイベントを記録 → コールツリー
●
値の記録方法
– アトミックな値（intやboolなど）については、その値の表現（123
やTrue）を記録
– オブジェクト（内部構造; フィールドを持つ）については、IDを記録
●
フィールドの値が必要なときは、そのオブジェクトのフィールド
への参照や代入といったインストラクションを遡ることで再現
実行トレースの記録の方法のバリエーションとしては、オブジェクトの内部
のデータまで含めて記録、分岐ごとに1ビットでどちらをたどるか記録、等
:54568 1.1 load_const None
:54569 1.1 line file=cal.py line=2
:54570 1.1 load_const -1
:54571 1.1 load_const <tuple #5606>
:88854 1.1 line file=cal.py line=4
:88855 1.1 load_const <string #8171> text='Su Mo T
Sa'
:88856 1.1 line file=cal.py line=6
:88857 1.1 load_const <code #8172> name=print_c
file=cal.py line=6
:88858 1.1 line file=cal.py line=17
:88859 1.1 load_const <code #8173> name=main fi
line=17
:88860 1.1 line file=cal.py line=22
:88861 1.1 load_const <string #2832> text='__main
:88862 1.1 result True
:88863 1.1 line file=cal.py line=23
:88864 1.1 call <code #8173> name=main file=cal.p
:88865 1.1 line file=cal.py line=18
:88866 1.1 load_global_from <string #91> text='int'
:88867 1.1 result <type #92> name=int
:88868 1.1 load_global_from <string #2055> text='s
:88869 1.1 result <module #5>
:88870 1.1 call $LOAD_ATTR$
:88871 1.1 self.0 <module #5>
:88872 1.1 arg.1 <string #8174> text='argv'
:88873 1.1 return <list #8175>
:88874 1.1 load_const 1
:88875 1.1 call $BINARY_SUBSCR$
:88876 1.1 self.0 <list #8175>
:88877 1.1 arg.1 1
:88878 1.1 return <string #8176> text='2016'
:88879 1.1 line file=cal.py line=19
:88880 1.1 load_global_from <string #91> text='int'
:88881 1.1 result <type #92> name=int
:88882 1.1 load_global_from <string #2055> text='s
:88883 1.1 result <module #5>
:88884 1.1 call $LOAD_ATTR$
:88885 1.1 self.0 <module #5>
:88886 1.1 arg.1 <string #8174> text='argv'
:88870 1.1 call $LOAD_ATTR$
:88871 1.1 self.0 <module #5>
:88872 1.1 arg.1 <string #8174> text='arg
:88873 1.1 return <list #8175>

8. ●
逆戻りデバッグ（デバッガ）
●
クラッシュしないバグ
●
クラッシュしないバグのデバッグ作業
– プログラム理解
●
スパイ
●
嵌入的スパイ
●
嵌入的スパイによるデバッグ作業

9. 逆戻りデバッグ補助のための嵌入的スパイ
アイデア: プログラム理解のための機能を強化し
たデバッガ
●
デバッグ中に動作を理解したいコード断片に
ついて
●
それをひとつの部品（オブジェクト）と捉え
たときの入出力を観察したい
●
プログラム実行（振る舞い）の全体（文脈）
を意識しながら
●
対話的に利用したい
かんにゅう
[スパイ]
必ずしも手続き単位ではない。
手続きの一部や、複数の手続きに
またがることも
[嵌入的; intrusive]
逆戻りデバッグ
実行トレースの記録があるので、
対話的なUIで（対象プログラムを再度実行
することなく）スパイを構成できる

10. デバッグ作業のモデル
●
前提: 再現するバグ
– 対象のプログラムに特定の入力を与えると
誤った出力（予想外の振る舞い）が得られ
る

11. デバッグ作業のモデル
●
前提: 再現するバグ
▷ 通常のデバッガによるステップ実行
●
インストラクションをひとつ実行するたびに
（一時）停止して、
●
引数や戻り値を確認する
m

12. デバッグ作業のモデル
●
前提: 再現するバグ
▷ 通常のデバッガによるステップ実行
●
インストラクションをひとつ実行するたびに
（一時）停止して、
●
引数や戻り値を確認する
n

13. デバッグ作業のモデル
●
前提: 再現するバグ
▷ 通常のデバッガによるステップ実行
●
インストラクションをひとつ実行するたびに
（一時）停止して、
●
引数や戻り値を確認する
o

14. デバッグ作業のモデル
●
前提: 再現するバグ
▷ 通常のデバッガによるステップ実行
●
インストラクションをひとつ実行するたびに
（一時）停止して、
●
引数や戻り値を確認する
q

15. デバッグ作業のモデル
●
前提: 再現するバグ
▷ 通常のデバッガによるステップ実行
●
インストラクションをひとつ実行するたびに
（一時）停止して、
●
引数や戻り値を確認する
r
… 通り過ぎてしまった

16. デバッグ作業のモデル
●
前提: 再現するバグ
▷ 逆戻り＋トレース表示ありデバッガによるデ
バッグ
●
各インストラクションの実行を、任意の順番で
調べていく
m
n
o
p
q
r

17. デバッグ作業のモデル
●
前提: 再現するバグ
▷ 嵌入的スパイによるデバッグ
●
（実行トレース上で連続したインストラクションに相当する）
コード断片を指定し
– 図のS, T, U
その入出力値を観察する
– 図のa, b, c, d, e
●
入出力値の観察を通して
– コードの仕様を理解する
– 値が予想通りか確認することで範囲を絞っていく
m
q
r
a
d e
S

18. デバッグ作業のモデル
●
前提: 再現するバグ
▷ 嵌入的スパイによるデバッグ
●
（実行トレース上で連続したインストラクションに相当する）
コード断片を指定し
– 図のS, T, U
その入出力値を観察する
– 図のa, b, c, d, e
●
入出力値の観察を通して
– コードの仕様を理解する
– 値が予想通りか確認することで範囲を絞っていく
m
n
q
r
a
b
d e
S
T

19. デバッグ作業のモデル
●
前提: 再現するバグ
▷ 嵌入的スパイによるデバッグ
●
（実行トレース上で連続したインストラクションに相当する）
コード断片を指定し
– 図のS, T, U
その入出力値を観察する
– 図のa, b, c, d, e
●
入出力値の観察を通して
– コードの仕様を理解する
– 値が予想通りか確認することで範囲を絞っていく
m
n
o
p
q
r
a
b
c
d e
S
T
U

20. 「コード断片」
実行トレース内のサブシーケンス（連続したインストラクション）
を「コード断片」とみなす
●
「コード断片」の入出力値を考えることができる → プログラム
理解
– 「入力値」: サブシーケンスの外で定義されサブシーケンス内
で利用される値
– 「出力値」: サブシーケンスの内で定義されサブシーケンス外
で利用される
●
実行トレース⇔ソースコードの対応を利用することで
– 対応するソースコードの断片がループの中にあるとき → 繰り
返しの各実行について、「コード断片」入出力値を比較できる
●
比較可能な「コード断片」を探しだして入出力値を比較（未実
装）
l
ll
l

21. 嵌入的スパイツールの機能
ブラウズ: 実行トレースをツリーとして表示／折りたたみ
ソースコード参照: 実行トレースと対応するソースコードを並べて表示
検索: 実行トレース内で値、メソッド名、オブジェクトIDにより検索
キャプチャーポイント:
– 実行トレース内の指定した位置のメソッド呼び出し等の引数や戻
り値の値を表示
– ソースコード内の位置から指定して値を表示／比較
実際には、ソースコードの行毎に実行トレースを折りたたみ
→ 折りたたんだ位置の上でキャプチャーポイントを指定
→ 該当するすべての位置にキャプチャーポイントが設定される

22. 実装
嵌入的スパイツールは、実行トレース取得ツールと実行トレースビューアからなる
●
実行トレース取得ツール
– Python 2.7.11インタープリタ（C言語）に860行の追加・修正
– インタプリタに手を入れることで
●
大域変数への代入や参照を記録
●
実行トレース全体で一意なオブジェクトIDを生成
●
実行トレースビューア
– 実行トレースの表示や折りたたみ、
キャプチャーポイント、検索
– lessコマンドに似せたUI
– 2375行のPythonコードにより実装
デバッガの
デバッグって
難しぃ�

23. 例題／デモ？

24. まとめと展望
●
バグ位置の特定 ≒ プログラム理解
●
逆戻りデバッグのための嵌入的スパイを提案した
– プログラム理解のための機能を強化したデバッガ
– 入出力からコード断片（サブシーケンス）の機能を調べる
●
簡単な実装をおこなった
展望
●
大規模な実行トレースに対応できるように
– データ構造とアルゴリズムの設計
●
視覚的なフィードバックの強化
●
比較可能なサブシーケンスを発見する機能

25. Thanks to
フォント:
●
アームド・バナナ http://calligra-tei.oops.jp/ex-banana.html
●
りいてがき筆 http://www.kcc.zaq.ne.jp/in-mlg/freefont/riitf/
イラスト:
●
いらすとや http://www.irasutoya.com/