Механизм обработки особых ситуаций

9.1 Обработка ошибок

Я прервал вас, поэтому не прерывайте меня.

Уинстон Черчилл

Создатель библиотеки способен обнаружить динамические ошибки, но не представляет, какой в общем случае должна быть реакция на них. Пользователь библиотеки способен написать реакцию на такие ошибки, но не в силах их обнаружить. Если бы он мог, то сам разобрался бы с ошибками в своей программе, и их не пришлось бы выявлять в библиотечных функциях. Для решения этой проблемы в язык введено понятие особой ситуации.

Только недавно комитетом по стандартизации С++ особые ситуации были включены в стандарт языка, но на время написания этой книги они еще не вошли в большинство реализаций.

Суть этого понятия в том, что функция, которая обнаружила ошибку и не может справиться с нею, запускает особую ситуацию, рассчитывая, что устранить проблему можно в той функции, которая прямо или опосредованно вызывала первую. Если функция рассчитана на обработку ошибок некоторого вида, она может указать это явно, как готовность перехватить данную особую ситуацию.

Рассмотрим в качестве примера как для класса Vector можно представлять и обрабатывать особые ситуации, вызванные выходом за границу массива:

class Vector {
  int* p;
  int  sz;
public:
  class Range  {  };  // класс для особой ситуации

  int& operator[](int i);

  // ...
};

Предполагается, что объекты класса Range будут использоваться как особые ситуации, и запускать их можно так:

int& Vector::operator[](int i)
{
  if (0<=i && i<sz) return p[i];
  throw Range();
}

Если в функции предусмотрена реакция на ошибку недопустимого значения индекса, то ту часть функции, в которой эти ошибки будут перехватываться, надо поместить в оператор try. В нем должен быть и обработчик особой ситуации:

void f(Vector& v)
{
 // ...

 try {
  do_something(v);  // содержательная часть, работающая с v
 }
 catch (Vector::Range) {
 // обработчик особой ситуации Vector::Range

 // если do_something() завершится неудачно,
 // нужно как-то среагировать на это

 // сюда мы попадем только в том случае, когда
 // вызов do_something() приведет к вызову Vector::operator[]()
 // из-за недопустимого значения индекса

 }

 // ...
           }

Обработчиком особой ситуации называется конструкция

catch ( /* ... */ ) {
  // ...
}

Ее можно использовать только сразу после блока, начинающегося служебным словом try, или сразу после другого обработчика особой ситуации. Служебным является и слово catch. После него идет в скобках описание, которое используется аналогично описанию формальных параметров функции, а именно, в нем задается тип объектов, на которые рассчитан обработчик, и, возможно, имена параметров (см. 9.3). Если в do_something() или в любой вызванной из нее функции произойдет ошибка индекса (на любом объекте Vector ), то обработчик перехватит особую ситуацию и будет выполняться часть, обрабатывающая ошибку. Например, определения следующих функций приведут к запуску обработчика в f():

void do_something()
{
  // ...
  crash(v);
  // ...
}

void crash(Vector& v)
{
   v[v.size()+10];  // искусственно вызываем ошибку индекса
}

Процесс запуска и перехвата особой ситуации предполагает просмотр цепочки вызовов от точки запуска особой ситуации до функции, в которой она перехватывается. При этом восстанавливается состояние стека, соответствующее функции, перехватившей ошибку, и при проходе по всей цепочке вызовов для локальных объектов функций из этой цепочки вызываются деструкторы. Подробно это описано в 9.4.

Если при просмотре всей цепочки вызовов, начиная с запустившей особую ситуацию функции, не обнаружится подходящий обработчик, то программа завершается. Подробно это описано в 9.7.

Если обработчик перехватил особую ситуацию, то она будет обрабатываться, и другие, рассчитанные на эту ситуацию обработчики не будут рассматриваться. Иными словами, активирован будет только тот обработчик, который находится в самой последней вызывавшейся функции, содержащей соответствующие обработчики. В нашем примере функция f() перехватит Vector::Range, поэтому эту особую ситуацию нельзя перехватить ни в какой вызывающей f() функции:

int ff(Vector& v)
{
  try {
        f(v);         // в f() будет перехвачена Vector::Range
  }
  catch (Vector::Range) { // значит сюда мы никогда не попадем
     // ...
  }
}

9.1.1 Особые ситуации и традиционная обработка ошибок

Наш способ обработки ошибок по многим параметрам выгодно отличается от более традиционных способов. Перечислим, что может сделать операция индексации Vector::operator[]() при обнаружении недопустимого значения индекса:

1. завершить программу;
2. возвратить значение, трактуемое как "ошибка";
3. возвратить нормальное значение и оставить программу в неопределенном состоянии;
4. вызвать функцию, заданную для реакции на такую ошибку.

Вариант [1] ("завершить программу") реализуется по умолчанию в том случае, когда особая ситуация не была перехвачена. Для большинства ошибок можно и нужно обеспечить лучшую реакцию.

Вариант [2] ("возвратить значение "ошибка"") можно реализовать не всегда, поскольку не всегда удается определить значение "ошибка". Так, в нашем примере любое целое является допустимым значением для результата операции индексации. Если можно выделить такое особое значение, то часто этот вариант все равно оказывается неудобным, поскольку проверять на это значение приходится при каждом вызове. Так можно легко удвоить размер программы. Поэтому для обнаружения всех ошибок этот вариант редко используется последовательно.

Вариант [3] ("оставить программу в неопределенном состоянии") имеет тот недостаток, что вызывавшая функция может не заметить ненормального состояния программы. Например, во многих функциях стандартной библиотеки С для сигнализации об ошибке устанавливается соответствующее значение глобальной переменной errno. Однако, в программах пользователя обычно нет достаточно последовательного контроля errno, и в результате возникают наведенные ошибки, вызванные тем, что стандартные функции возвращают не то значение. Кроме того, если в программе есть параллельные вычисления, использование одной глобальной переменной для сигнализации о разных ошибках неизбежно приведет к катастрофе.

Обработка особых ситуаций не предназначалась для тех случаев, на которые рассчитан вариант [4] ( "вызвать функцию реакции на ошибку"). Отметим, однако, что если особые ситуации не предусмотрены, то вместо функции реакции на ошибку можно как раз использовать только один из трех перечисленных вариантов. Обсуждение функций реакций и особых ситуацией будет продолжено в 9.4.3.

Механизм особых ситуаций успешно заменяет традиционные способы обработки ошибок в тех случаях, когда последние являются неполным, некрасивым или чреватым ошибками решением. Этот механизм позволяет явно отделить часть программы, в которой обрабатываются ошибки, от остальной ее части, тем самым программа становится более понятной и с ней проще работать различным сервисным программам. Свойственный этому механизму регулярный способ обработки ошибок упрощает взаимодействие между раздельно написанными частями программы.

В этом способе обработки ошибок есть для программирующих на С новый момент: стандартная реакция на ошибку (особенно на ошибку в библиотечной функции) состоит в завершении программы. Традиционной была реакция продолжать программу в надежде, что она как-то завершится сама. Поэтому способ, базирующийся на особых ситуациях, делает программу более "хрупкой" в том смысле, что требуется больше усилий и внимания для ее нормального выполнения. Но это все-таки лучше, чем получать неверные результаты на более поздней стадии развития программы (или получать их еще позже, когда программу сочтут завершенной и передадут ничего не подозревающему пользователю). Если завершение программы является неприемлемой реакцией, можно смоделировать традиционную реакцию с помощью перехвата всех особых ситуаций или всех особых ситуаций, принадлежащих специальному классу ( 9.3.2).

Механизм особых ситуаций можно рассматривать как динамический аналог механизма контроля типов и проверки неоднозначности на стадии трансляции. При таком подходе более важной становится стадия проектирования программы, и требуется большая поддержка процесса выполнения программы, чем для программ на С. Однако, в результате получится более предсказуемая программа, ее будет проще встроить в программную систему, она будет понятнее другим программистам и с ней проще будет работать различным сервисным программам. Можно сказать, что механизм особых ситуаций поддерживает, подобно другим средствам С++, "хороший" стиль программирования, который в таких языках, как С, можно применять только не в полном объеме и на неформальном уровне.

Все же надо сознавать, что обработка ошибок остается трудной задачей, и, хотя механизм особых ситуаций более строгий, чем традиционные способы, он все равно недостаточно структурирован по сравнению с конструкциями, допускающими только локальную передачу управления.

9.1.2 Другие точки зрения на особые ситуации

"Особая ситуация" - одно из тех понятий, которые имеют разный смысл для разных людей. В С++ механизм особых ситуаций предназначен для обработки ошибок. В частности, он предназначен для обработки ошибок в программах, состоящих из независимо создаваемых компонентов.

Этот механизм рассчитан на особые ситуации, возникающие только при последовательном выполнении программы (например, контроль границ массива). Асинхронные особые ситуации такие, например, как прерывания от клавиатуры, нельзя непосредственно обрабатывать с помощью этого механизма. В различных системах существуют другие механизмы, например, сигналы, но они здесь не рассматриваются, поскольку зависят от конкретной системы.

Механизм особых ситуаций является конструкцией с нелокальной передачей управления и его можно рассматривать как вариант оператора return. Поэтому особые ситуации можно использовать для целей, никак не связанных с обработкой ошибок ( 9.5). Все-таки основным назначением механизма особых ситуаций и темой этой лекции будет обработка ошибок и создание устойчивых к ошибкам программ.