如何通过 debugging 来学习软件的运行原理？

Question

第一次在SegmentFault提问，请多关照^^
这个问题可能有点泛泛，请先让我具体描述一下。我是一个编程小白初学者（本职是设计，编程是好奇心作祟），不过我也系统学习了HTTP以及一些基本的编程技术，最近经人介绍学起了Rails才逐渐了解和学习到编程方方面面的知识，很喜欢，刚刚跟着一个教程编写了一个非常简单的注册／登录功能，目前工作良好。
然而我的导师（带我入门的朋友）跟我说：
在Web开发中，身份校验是非常典型的功能，所有的Web开发框架都会提供哪怕是最基本的支持，同样也有很多第三方的插件和扩展包来提供更丰富的接口和功能。尝试学习和了解经典的身份校验原理对于Web开发者来说简直就是必修课。比如你刚才实现的东西，行话说就是：'基于cookie的认证机制'。你觉得不难，那是因为Rails帮你做了很多很多事情，而你做的只是最表层的，也是最简单的一些必要步骤而已。有机会的话，不妨试试去跟踪登录时框架的全过程，对你大有裨益的。
以上是他的原话（略作整理），我听了以后第一感觉好像很有道理……于是我问他怎么跟踪这个过程，但由于我们通讯不便（在外地旅游），他只给我讲了一些很抽象很难懂的要点。他建议我上这里来问问各路英雄，遇见类似的问题（不限定于注册／登录，也不限定于Rails／Ruby），如果你们需要跟踪源代码来学习和理解某一个具体的功能实现，一般会怎么做？有什么要注意的事项或技巧呢？
其实我自己知道是要用到debugging的技术的，一些基本的技术我之前也学习过，至少知道如何给自己写的代码打断点，然后查看运行时的变量值或者步进／跳转之类的。但是就上述问题来说，当我登录的时候，我并不知道（举例）Rails框架何时何地向我的浏览器发送cookie等等，在这种情形下，面对庞大的框架（随便看看就头晕）我要如何找到下手的地方呢？
真心请教各位学长前辈们，希望能从你们身上获得宝贵的启发和经验，谢谢！

Answer 1

个人意见，仅供参考。用debugging跟代码是学习一个框架的好方法，但是前提是你了解基础知识，如果你对http协议本身还不熟悉，那么去看实现这个的框架就是如同看天书一般。比如说这个身份校验。首先你要知道大多数情况下的http是短连接，客户端（大多数情况下是浏览器）与http服务器建立连接，发送数据，然后拿到服务器返回的数据，之后连接就断开了。其次你多少要知道http通讯中的数据分为请求(Request)和响应(Response)，请求由客户端（发往服务器，响应是服务器返回给客户端的。请求和响应的分为头(Header)和内容(Content)，头是必须的，内容可以为空。知道上面两点知识后，再来看身份验证。身份验证大概分为两个过程：1、用户登录；2、用户访问其他资源，你获取到用户身份，并判断他能不能访问这个资源；由于上面提到http大多数情况下是短连接，像上面的场景就是短连接。用户登录和访问其他资源，这显然已经是两个连接了。那么服务器是无法判断两个连接都来自你，那么你是如何在第二次连接——访问资源时，获取到用户身份的呢？http协议为了解决这个问题，规定了cookie。在第一次连接——处理用户登录时，如果用户登录成功，那么服务器的响应(Response)的头(Header)中，包含了Set-Cookie的头，其中包含用户的信息，表示让客户端保存一些cookie，并规定了什么情况下（具体请参见cookie的规定）客户端应该把这些cookie发回给客户端。在第二次连接——访问资源时，因为满足发送cookie的条件，客户端会将cookie放在请求(Request)的头(Header)中，作为一个Cookie的头。这样服务器通过解析请求头，拿到了cookie，也就从中拿到了用户的信息。这就是一次身份校验的底层实现过程。这其中，处理响应头中的Set-Cookie，保存cookie，并在满足条件时将cookie放在请求头中发往服务器，是浏览器来实现的。而在响应头中放置Set-Cookie，以及从请求头中读取Cookie信息，可能就是你所使用的框架来实现的。//////////把回复补充到回答上来//////////经题主回复，我把与题主讨论的内容补充到答案中。上面我提到的，是要了解框架的前提条件。也就是首先要了解框架帮你做了哪些事，然后再去看框架是如何做这些事情的。下面是讨论的内容，我就偷懒直接复制粘贴了：说下我一般的理解：Web框架负责了请求的解码处理和响应的编码封装。开发者需要写逻辑时，只需要拿参数和返回数据即可。参数如何从请求中取，以及返回的结果如何被编码为响应，这都是框架做的事情。因此一般来说，在自己编写逻辑的最开始和最后下断点，然后一直跟到框架内部的处理即可。先说在最后下断点，这个比较简单，因为在你的逻辑处理完成，返回数据之后，就交由框架来处理了，这个时候通过单步跟踪跟到框架代码的内部，一步一步看你返回的数据被框架如何处理即可。另外就是在开头下断点，这个时候实际上框架处理的部分已经执行完成，但是一般调试工具都可以看到调用栈，可通过调用栈看到执行你的逻辑代码前，框架执行了哪些代码，然后找到请求刚刚到达的代码，然后在此处下断点，再次发送请求，然后一步一步跟下来看。跟完开始和结束的代码，你就已经了解整个框架的处理流程了。

Answer 2

首先Debug对于任何一门语言都是必须的。如果语言不提供良好的debug工具。这么这门语言就相当于一坨shit。尤其是讨厌某些所谓的不需要debug。一边写一边编译的程序。学东西的方法是。先快速看入门书。看一遍。懂概念就行。然后按需求打代码。首先打的能编译成功（C++）。或者能运行（python）。这个状态。主要靠的是IDE纠错功能。等IDE纠错完成后。运行后会出现各种问题。主要是逻辑错误或者SegmentFault（C++）。到这个时候怎么办。从代码一遍遍看简直不能忍啊。一般有些人会告诉初学者。Printf/System.Out.println/print/等各种输出查看各个变量是否正常是否是你想要的值。这些对于熟练者是不能忍的（程序员三大美德（暴躁，懒惰，傲慢）中的前两美德的要求），写Print很累。发布的时候还要删除。而且有些调用的接口不知道返回值。打一个printf运行一下。耗时耗体力。那么熟练者怎么做。debug。这就是楼主所说中debug来源。我不需要打Print了。直接就可以看个个数据是否正常。是否是想要的值。在Java/C++中。debug还可以是。你不知道某个函数的返回值或者作用。debug中。再需要运行的环境里面停下。测试函数。就可以知道其相应的返回值。知道怎么继续写。当运行错误爆出到堆栈的时候，直接设置断点到相应的堆栈时。哪段代码出问题。哪个变量是空值一目了然。还有程序运行的流程。做了些操作。也可以通过控制debug来追踪代码运行的流程。这个就是楼主说的学习功能了。但是这只是debug。后面还有两个东西：一个是Log：线上是不让你debug的。出问题怎么办。把自己觉得哪里出问题的点打log，到时候找bug就一目了然。。一个是Test：只说单元测试。测试是另一种确定代码没问题的方法。比如你写项目中的很小一部分。而这一部分的main函数很远。要很特殊的情况才涉及到你的代码。（当然Java/Python这类可以无限制写Main函数，但某些不行）。但是你写好单元测试后。直接以单元测试启动。恩。模拟你想要的输入和输出。及时就可以发现函数的错误。不需要全部写完一个大工程。然后在无数个堆栈中找错误了。还有就是单元测试可以在排除某些特定的环境中的bug。比如你这段代码在你的电脑运行正常。一切满意。但是在其他电脑上运行不正常。用单元测试可以很快就能知道哪一段代码出问题。假如走到这里。相信你已经是个合格的程序员了。但是高手还有两个东西。性能测试和性能分析。到这一步。你就需要深入各个语言或者虚拟机底层的知识了。我这种菜鸟就不多说了