Data Validation and Program Testing

简介：打造“防弹”程序

欢迎来到 H2 计算机科学（Computing）课程中最实用的一章！你有没有想过，为什么网站会提示你的密码太短，或者当你输入字母而非数字时，程序会突然“崩溃”（crash）？

在本章中，我们将学习如何防止这些问题。我们将探讨数据验证（Data Validation）（确保输入的数据合理）、程序测试（Program Testing）（在用户发现 Bug 之前先行找出问题），以及错误处理（Error Handling）（确保程序在出错时能优雅地处理）。掌握这些技能，正是将“业余编码员”蜕变为专业程序员的关键。

1. 验证（Validation）与核对（Verification）：有什么区别？

人们常混用这两个词，但在计算机科学中，它们的意义截然不同。

数据验证（Data Validation）是指计算机执行的自动检查，旨在确保输入的数据合理（sensible）且符合特定规则。它并不保证数据正确无误，只保证该数据是“被允许输入的”。

数据核对（Data Verification）是指确保输入的数据与原始来源完全一致（exactly matches）的检查。

生活中的类比

想象你正在注册健身房会籍：
- 验证：计算机检查你的“年龄”是否为 12 到 100 之间的数字。如果你输入“200”，它会拒绝，因为这不合理。
- 核对：职员查阅你的身份证，确保你在屏幕上输入的名字确实是你的真实姓名。

重点总结

验证检查数据是否合理。
核对检查数据是否正确。

2. 数据验证技巧

为了防止系统出现“垃圾数据”，我们会使用几种特定的检查方式。如果清单看起来很长，别担心，大多数技巧都非常直观！

1. 存在性检查（Presence Check）
确保字段没有被留空。
例子：表格中电邮字段旁边的“必填”星号。

2. 检索检查（Existence Check）
检查输入的数据是否已经存在于系统中，或是清单中的有效项目。
例子：当你尝试注册用户名时，系统显示“用户名已被占用”。

3. 范围检查（Range Check）
检查数字是否落在特定的边界范围内。
例子：考试分数必须在 \(0\) 到 \(100\) 之间。

4. 长度检查（Length Check）
确保输入内容具有特定的字符数量，或在一定的长度范围内。
例子：新加坡电话号码必须刚好是 8 位数字。

5. 类型检查（Type Check）
确保数据属于正确的数据类型（例如：整数、字符串、浮点数）。
例子：在数量字段输入“Five”而非“5”将会导致类型检查失败。

6. 格式检查（Format Check）
检查数据是否遵循特定的模式或“掩码”（mask）。
例子：日期必须采用 DD/MM/YYYY 的格式。

7. 校验码（Check Digit）
这是一个根据数字中的其他位数计算出的特殊位数（通常是最后一位）。它用于检测手动输入时发生的错误（例如数字互换）。
例子：身份证号码（NRIC）或条形码的最后一个字符。

记忆口诀：“P.E.R.F.L.T”

试着记住“PERFect Little Techniques”（完美的技巧）：
Presence (存在性), Existence (检索), Range (范围), Format (格式), Length (长度), Type (类型)（别忘了还有校验码！）。

3. 识别与修正错误

即使是最优秀的程序员也会犯错！你需要了解三种主要的错误类型：

A. 语法错误（Syntax Errors）

这是代码中的“文法”错误。程序将完全无法执行。
例子：将 prnt("Hello") 写成 print("Hello")，或者在 if 语句后忘记加上冒号。

B. 运行时错误（Runtime Errors）

代码本身写得正确（没有语法错误），但在程序运行时发生了问题，导致程序崩溃。
例子：除以零或尝试打开一个不存在的文件。

C. 逻辑错误（Logic Errors）

程序可以运行且不会崩溃，但给出的结果错误。这些错误最难发现！
例子：你想计算正方形面积，却写成 Area = Side + Side 而非 Area = Side * Side。

快速回顾

- 语法错误：无法启动（代码文法错）。
- 运行时错误：中途崩溃（运行时崩溃）。
- 逻辑错误：结果错误（大脑当机）。

4. 设计测试案例（Test Cases）

为了确保程序运作正常，你必须使用不同类型的数据进行测试。假设我们正在测试一个接受学生年龄（范围：13 到 18）的程序。

1. 正常数据（Normal Data）
落在可接受范围内的数据。
例子：15, 16。

2. 边界（极端）数据（Boundary Data）
处于范围边缘的数据。错误通常发生在这里！
例子：13 和 18。

3. 错误数据（Erroneous/Invalid Data）
超出范围或类型错误的数据。程序应拒绝这些数据。
例子：12, 19, "Hello", 或 \( -1 \)。

避免常见错误

学生经常忘记测试边界数据。请务必测试确切的最小值和最大值！对于 1 到 100 的范围，你的测试案例绝对应包含 1 和 100。

5. 程序追踪（Program Tracing）：扮演计算机

追踪是跟随程序执行步骤，观察变量值如何变化的进程。

追踪表（用于非递归程序）

追踪表（Trace Table）是一个表格，每一列代表一个变量，每一行代表程序执行的一个步骤。

小贴士：填写追踪表时，只需在变量值改变时写入。如果值保持不变，可以留空或使用引号，以保持表格整洁。

递归树（用于递归程序）

对于会自我调用的函数，追踪表可能会变得很乱。这时我们改用递归树（Recursion Tree）。

1. 从最上方的初始调用开始。
2. 每次函数调用自己时，就画出分支。
3. 当返回值“冒泡”回到顶端时，写下这些值。

如果起初觉得有点难也别担心！递归树只是函数“旅程”的地图而已。

6. 错误与异常处理（Error and Exception Handling）

有时错误是不可避免的（例如用户在下载过程中拔掉了网络）。我们使用异常处理（Exception Handling），而不是让程序直接崩溃。

在 Python 中，我们使用 try...except 块：

try:
    # 可能导致错误的代码
    number = int(input("输入一个数字: "))
    result = 10 / number
except ZeroDivisionError:
    # 若用户输入 0 时的处理方式
    print("你不能除以零！")
except ValueError:
    # 若用户输入 "hello" 时的处理方式
    print("那不是数字！")

重点总结

异常处理能使你的程序变得稳健（robust）。它允许程序告诉用户哪里出错了，并能继续执行，而不是直接强制退出。

最后鼓励：你已经完成了数据验证和程序测试的基础！请记住，这一章的目标不仅是为了通过考试，更是为了帮助你建立人们真正能信赖的软件。继续多练习那些追踪表吧！