逻辑错误是什么？

三门考试成绩 80、90 和 100，平均分是 90。下面这个程序运行时没有任何报错，打印出来的却是另一个数：

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

Average: 203.33333333333334

Python 完全按照这行代码的字面意思执行了。除法比加法先算，所以只有最后一门成绩被除以 3，结果是 80 + 90 + 33.33。程序员本来想写的是 (scores[0] + scores[1] + scores[2]) / 3。加上括号，程序就会打印 Average: 90.0。

为什么没有错误提示

计算机检查的是代码是否合法，而不是是否正确。解析器检查语法，能发现语法错误。运行时会检查每一个操作，能发现运行时错误，比如除以零。把三个数相加、再把其中一个除以 3，语法合法，操作也合法，所以两道检查都能通过。

只有写程序的人知道它本来是要算平均分的。这个意图在代码里根本不存在，所以没有任何工具能拿结果去和它比较。逻辑错误，就是你让计算机做的事和你真正想让它做的事之间的差距。

逻辑错误的常见原因

大多数逻辑错误都来自下面几种模式。

• 差一错误（off-by-one）。 循环多跑了一次或少跑了一次。range(1, 5) 生成的是 1、2、3 和 4，因为不包含终点。参见迭代。
• 运算符优先级。 a + b / 2 只把 b 除以 2，就像上面算平均分的例子。
• 比较写错。 该用 <= 的地方用了 <，该用 or 的地方用了 and。条件是布尔表达式，一个运算符写错，某些输入的结果就会反过来。
• 条件顺序写错。 在 if 和 elif 链中，第一个为真的条件胜出，所以把范围宽的判断放在前面，就会把下面范围窄的判断全部挡住。
• 用错变量。 在循环里更新的是 total，打印的却是 subtotal。
• 对数字的错误假设。 在 Python、Java 和 JavaScript 中，0.1 + 0.2 == 0.3 的结果都是 False，因为浮点数只是近似值。7 // 2 等于 3，而不是 3.5。

下面是条件顺序写错的例子。95 分应该是 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 大于等于 60，所以第一个分支胜出，elif 永远执行不到。把最高的分数线放在最前面，每个结果就都对了。

编程中的错误类型

编程错误通常按出现的时间和由谁报告，分为三种类型。

有些教材会列出更多类型，但大多数都能归入这三类。Java 编译器拒绝的类型错误，例如 incompatible types: String cannot be converted to int，和语法错误一样在编译时被发现，有些书把它称为语义错误。链接错误发生在构建 C 或 C++ 程序的最后一步：某个函数声明了，却找不到它的代码。算术错误、资源错误和文件错误，比如除以零、内存耗尽或打开不存在的文件，都属于运行时错误。还有些课程把“语义错误”当作逻辑错误的另一种叫法，所以要先弄清楚教材用的是哪种含义。

如何找到逻辑错误

1. 用你已经知道答案的数据来测试。 先用一个小输入手算出正确结果，再和程序的输出对比。检查三门成绩比检查三千门容易得多。
2. 打印中间值。 打印 score 和走了哪个分支，或者每次循环的计数器，就能看出现实在哪一步偏离了你的计划。
3. 用调试器单步执行。 设置断点、一次运行一行，不改代码也能达到同样的效果。
4. 测试边界情况。 试试 0、1、最大值、空列表，以及恰好等于分数线的值（评分例子中的 60 和 90）。
5. 把代码讲出来。 把每一行讲给别人听，或者讲给一只橡皮鸭听，会逼着你说出这一行实际做了什么，而不是你以为它做了什么。

assert 能把一个已知答案变成自动检查。条件为真时它什么也不做，条件为假时它会让程序停下来：

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

一个失败的测试，能把悄无声息的逻辑错误变成带行号的明确报错。这就是单元测试背后的全部思路。

其他语言中的逻辑错误

这些模式在所有语言里都一样，但每种语言都有自己的陷阱。在 JavaScript 中，"5" + 3 得到字符串 "53"，而 "5" - 3 得到数字 2，所以从表单读取的文本值可能在没有任何报错的情况下加错。在 C 语言中，if (x = 5) 会把 5 赋给 x，条件永远为真。Clang 默认会对此发出警告（using the result of an assignment as a condition without parentheses），但代码照样能编译和运行，所以要像对待错误一样认真对待编译器警告。

下一步学什么

把这一页和语法错误、运行时错误两页对照着看，了解每种错误是怎样报告的。差一错误最常出现在循环里，所以接下来可以读迭代这一页，以及 Python 指南中的 for 循环。想在真实练习中锻炼找出错误结果的能力，可以试试 Python 课程。