Что такое логическая ошибка?

У трёх оценок, 80, 90 и 100, среднее равно 90. Эта программа выполняется без единой жалобы и выводит другое:

scores = [80, 90, 100]
average = scores[0] + scores[1] + scores[2] / 3
print("Average:", average)

Average: 203.33333333333334

Python сделал ровно то, что написано в строке. Деление выполняется раньше сложения, поэтому на 3 поделилась только последняя оценка, и результат равен 80 + 90 + 33,33. Программист имел в виду (scores[0] + scores[1] + scores[2]) / 3. Добавь скобки, и программа выведет Average: 90.0.

Почему не появляется сообщение об ошибке

Компьютер проверяет, допустим ли код, а не правилен ли он. Парсер проверяет грамматику и ловит синтаксическую ошибку. Среда выполнения проверяет каждую операцию и ловит ошибку времени выполнения, например деление на ноль. Сложить три числа и одно из них поделить на 3 можно и по грамматике, и по правилам операций, поэтому обе проверки пройдены.

Только тот, кто написал программу, знает, что она должна была посчитать среднее. Этого намерения нет нигде в коде, поэтому ни один инструмент не может сравнить с ним результат. Логическая ошибка это разрыв между тем, что ты велел компьютеру сделать, и тем, чего ты хотел.

Частые причины логических ошибок

Большинство логических ошибок укладываются в короткий список шаблонов.

• Ошибки на единицу (off-by-one). Цикл выполняется на один раз больше или меньше нужного. range(1, 5) даёт 1, 2, 3 и 4, потому что конец не включается. Подробнее на странице про итерацию.
• Приоритет операторов. a + b / 2 делит только b, как в примере со средним выше.
• Не то сравнение. < там, где нужно <=, или and там, где нужно or. Условия это булевы (boolean) выражения, и один неверный оператор переворачивает результат для части входных данных.
• Условия в неправильном порядке. В цепочке if и elif побеждает первое истинное условие, поэтому широкая проверка, поставленная первой, скрывает более узкие под ней.
• Не та переменная. Внутри цикла обновляется total, а выводится subtotal.
• Предположения о числах. 0.1 + 0.2 == 0.3 в Python, Java и JavaScript равно False, потому что числа с плавающей точкой приближённые. 7 // 2 равно 3, а не 3,5.

Вот ошибка с порядком условий. Оценка 95 должна быть A:

def grade(score):
    if score >= 60:
        return "D"
    elif score >= 90:
        return "A"
    else:
        return "F"

print(grade(95))
print(grade(72))
print(grade(40))

D
D
F

95 больше или равно 60, поэтому побеждает первая ветка, и до elif дело не доходит. Поставь самый высокий порог первым, и все результаты станут правильными.

Виды ошибок в программировании

Ошибки в программировании обычно делят на три вида по тому, когда они появляются и кто о них сообщает.

В некоторых учебниках видов больше, но большинство из них помещается в эти три. Ошибка типов, которую отвергает компилятор Java, например incompatible types: String cannot be converted to int, находится во время компиляции, как синтаксическая, и в некоторых книгах её называют семантической ошибкой. Ошибка компоновки происходит на последнем шаге сборки программы на C или C++, когда функция объявлена, но её кода нигде нет. Арифметические ошибки, ошибки ресурсов и файлов, например деление на ноль, нехватка памяти или открытие отсутствующего файла, все относятся к ошибкам времени выполнения. Термин «семантическая ошибка» в некоторых курсах используется и как другое название логической ошибки, так что уточняй, в каком значении его использует учебник.

Как найти логическую ошибку

1. Проверь на ответе, который уже знаешь. Посчитай правильный результат вручную для небольших входных данных и сравни. Три оценки проверить проще, чем три тысячи.
2. Выводи промежуточные значения. Вывод score и выбранной ветки или счётчика цикла на каждом проходе показывает точный шаг, на котором реальность расходится с твоим планом.
3. Пройди код отладчиком. Точка останова и выполнение по одной строке дают то же самое без правки кода.
4. Проверь границы. Попробуй 0, 1, наибольшее значение, пустой список и точное пороговое значение (60 и 90 в примере с оценками).
5. Объясни код вслух. Рассказывая о каждой строке кому-то другому или резиновой уточке, ты вынужден говорить, что строка делает на самом деле, а не что ты от неё ждёшь.

assert превращает известный ответ в автоматическую проверку. Когда условие истинно, он ничего не делает, а когда ложно, останавливает программу:

def grade(score):
    if score >= 60:
        return "D"
    elif score >= 90:
        return "A"
    else:
        return "F"

assert grade(40) == "F"
assert grade(95) == "A", "95 should be an A"
print("all tests passed")

Traceback (most recent call last):
  File "main.py", line 10, in <module>
    assert grade(95) == "A", "95 should be an A"
           ^^^^^^^^^^^^^^^^
AssertionError: 95 should be an A

Упавший тест превращает тихую логическую ошибку в громкую, с номером строки. В этом и состоит вся идея модульного тестирования.

Логические ошибки в других языках

Шаблоны везде одни и те же, но у каждого языка свои ловушки. В JavaScript "5" + 3 это строка "53", а "5" - 3 это число 2, поэтому значение, прочитанное из формы как текст, может сложиться неправильно без всякой ошибки. В C if (x = 5) присваивает x значение 5 и всегда истинно. Clang по умолчанию предупреждает об этом (using the result of an assignment as a condition without parentheses), но код всё равно компилируется и работает, поэтому относись к предупреждениям компилятора так же серьёзно, как к ошибкам.

Что читать дальше

Сравни эту страницу со страницами про синтаксическую ошибку и ошибку времени выполнения, чтобы увидеть, как сообщается о каждом виде. Ошибки на единицу живут в циклах, поэтому дальше стоит прочитать страницу про итерацию и руководство по Python о циклах for. Чтобы потренироваться находить неверные результаты на настоящих упражнениях, попробуй курс Python.