5.6. Блоки try и обработка исключений.

Исключения (exception) — это аномалии времени выполнения, такие как потеря подключения к базе данных или ввод непредвиденных данных, которые нарушают нормальное функционирование программы[3]. Реакция на аномальное поведение может быть одним из самых трудных этапов разработки любой системы.

Обработка исключений обычно используется в случае, когда некая часть программы обнаруживает проблему, с которой она не может справиться, причем проблема такова, что обнаружившая ее часть программы не может продолжить выполнение. В таких случаях обнаруживший проблему участок программы нуждается в способе сообщить о случившемся и о том, что он неспособен продолжить выполнение. Способ сообщения о проблеме не подразумевает знания о том, какая именно часть программы будет справляться с создавшейся ситуацией. Сообщив о случившемся, обнаружившая проблему часть кода прекращает работу.

Каждой части программы, способной передать исключение, соответствует другая часть, код которой способен обработать исключение, независимо от того, что произошло. Например, если проблема в недопустимом вводе, то часть обработки могла бы попросить пользователя ввести правильные данные. Если потеряна связь с базой данных, то часть обработки могла бы предупредить об этом пользователя.

Исключения обеспечивают взаимодействие частей программы, обнаруживающих проблему и решающих ее. Обработка исключений в языке С++ подразумевает следующее.

• Оператор throw используется частью кода обнаружившего проблему, с которой он не может справиться. Об операторе throw говорят, что он передает (raise) исключение.

• Блок try используется частью обработки исключения. Блок try начинается с ключевого слова try и завершается одной или несколькими директивами catch ( catch clause). Исключения, переданные из кода, расположенного в блоке try, как правило, обрабатываются в одном из разделов catch. Поскольку разделы catch обрабатывают исключение, их называют также обработчиками исключений (exception handler).

• Набор определенных в библиотеке классов исключений (exception class) используется для передачи информации о произошедшем между операторами throw и соответствующими разделами catch.

В остальной части этого раздела три компонента обработки исключений рассматриваются последовательно. Более подробная информация об исключениях приведена в разделе 18.1.

5.6.1. Оператор throw.

Обнаруживающая часть программы использует оператор throw для передачи исключения. Он состоит из ключевого слова throw, сопровождаемого выражением. Выражение определяет тип передаваемого исключения. Оператор throw, как правило, завершается точкой с запятой, что делает его выражением.

Для примера вернемся к программе раздела 1.5.2, в которой суммируются два объекта класса Sales_item. Она проверяет, относятся ли обе прочитанные записи к одной книге. Если нет, она отображает сообщение об ошибке и завершает работу.

Sales_item item1, item2;

cin >> item1 >> item2;

// сначала проверить, представляют ли объекты item1 и item2

// одну и ту же книгу

if (item1.isbn() == item2.isbn()) {

 cout << item1 + item2 << endl;

 return 0; // свидетельство успеха

} else {

 cerr << "Data must refer to same ISBN"

      << endl;

 return -1; // свидетельство отказа

}

В более реалистичной программе суммирующая объекты часть могла бы быть отделена от части, обеспечивающей взаимодействие с пользователем. В таком случае проверяющую часть можно было бы переписать так, чтобы она передавала исключение, а не возвращала свидетельство отказа.

// сначала проверить, представляют ли объекты item1 и item2

// одну и ту же книгу

if (item1.isbn() != item2.isbn())

 throw runtime_error("Data must refer to same ISBN");

// если управление здесь, значит, ISBN совпадают

cout << item1 + item2 << endl;

Если теперь ISBN окажутся разными, будет передан объект исключения типа runtime_error. Передача исключения завершает работу текущей функции и передает управление обработчику, способному справиться с этой ошибкой.

Тип runtime_error является одним из типов исключения, определенных в заголовке stdexcept стандартной библиотеки. Более подробная информация по этой теме приведена в разделе 5.6.3. Объект класса runtime_error следует инициализировать объектом класса string или символьной строкой в стиле С (см. раздел 3.5.4). Эта строка представляет дополнительную информацию о проблеме.

5.6.2. Блок try.

Блок try имеет следующий синтаксис:

try {

 операторы_программы

} catch (объявление_исключения) {

 операторы_обработчика

} catch (объявление_исключения) {

 операторы_обработчика

} // ...

Блок try начинается с ключевого слова try, за которым следует блок кода, заключенный в фигурные скобки.

Блок try сопровождается одним или несколькими блоками catch. Блок catch состоит из трех частей: ключевого слова catch, объявления (возможно, безымянного) объекта в круглых скобках (называется объявлением исключения (exception declaration)) и операторного блока. Когда объявление исключения в блоке catch совпадает с исключением, выполняется связанный с ним блок. По завершении выполнения кода обработчика управление переходит к оператору, следующему непосредственно после него.

Операторы_программы в блоке try являются обычными программными операторами, реализующими ее логику. Подобно любым другим блокам кода, блоки try способны содержать любые операторы языка С++, включая объявления. Объявленные в блоке try переменные недоступны вне блока, в частности, они не доступны в блоках catch.

Создание обработчика.

В приведенном выше примере, чтобы избежать суммирования двух объектов класса Sales_item, представляющих разные книги, использовался оператор throw. Предположим, что суммирующая объекты класса Sales_item часть программы отделена от части, взаимодействующей с пользователем. Эта часть могла бы содержать примерно такой код обработки исключения, переданного в блоке сложения.

while (cin >> item1 >> item2) {

 try {

  // код, который складывает два объекта класса Sales_item

  // если при сложении произойдет сбой, код передаст

  // исключение runtime_error

 } catch (runtime_error err) {

  // напомнить пользователю, что ISBN слагаемых объектов

  // должны совпадать

  cout << err.what()

       << "\nTry Again? Enter y or n" << endl;

  char c;

  cin >> с;

  if (!cin || с == 'n')

   break; // выход из цикла while

 }

}

В блоке try расположена обычная логика программы. Это сделано потому, что данная часть программы способна передать исключение типа runtime_error.

Данный блок try обладает одним разделом catch, который обрабатывает исключение типа runtime_error. Операторы в блоке после ключевого слова catch определяют действия, выполняемые в случае, если код в блоке try передаст исключение runtime_error. В данном случае обработка подразумевает отображение сообщения об ошибке и запрос у пользователя разрешения на продолжение. Когда пользователь вводит символ 'n', цикл while завершается, в противном случае он продолжается и считывает два новых объекта класса Sales_item.

В сообщении об ошибке используется текст, возвращенный функцией err.what(). Поскольку известно, что классом объекта исключения err является runtime_error, нетрудно догадаться, что функция what() является членом (см. раздел 1.5.2) класса runtime_error. В каждом из библиотечных классов исключений определена функция-член what(), которая не получает никаких аргументов и возвращает символьную строку в стиле С (т.е. const char*). В случае класса runtime_error эта строка является копией строки, использованной при инициализации объекта класса runtime_error. Если описанный в предыдущем разделе код передаст исключение, то отображенное разделом catch сообщение об ошибке будет иметь следующий вид:

Data must refer to same ISBN

Try Again? Enter y or n

При поиске обработчика выполнение функций прерывается.

В сложных системах программа может пройти через несколько блоков try прежде, чем встретится с кодом, который передает исключение. Например, в блоке try может быть вызвана функция, в блоке try которой содержится вызов другой функции с ее собственным блоком try, и т.д.

Поиск обработчика осуществляется по цепочке обращений в обратном порядке. Сначала поиск обработчика исключения осуществляется в той функции, в которой оно было передано. Если соответствующего раздела catch не найдено, работа функции завершается, а поиск продолжается в той функции, которая вызвала функцию, в которой было передано исключение. Если и здесь соответствующий раздел catch не найден, эта функция также завершается, а поиск продолжается по цепочке вызовов дальше, пока обработчик исключения соответствующего типа не будет найден.

Если соответствующий раздел catch так и не будет найден, управление перейдет к библиотечной функции terminate(), которая определена в заголовке exception. Поведение этой функции зависит от системы, но обычно она завершает выполнение программы.

Исключения, которые были переданы в программах, не имеющих блоков try, обрабатываются аналогично: в конце концов, без блоков try не может быть никаких обработчиков и ни для каких исключений, которые, однако, вполне могут быть переданы. В таком случае исключение приводит к вызову функции terminate(), которая (как правило) и завершает работу программы.

Внимание! Написание устойчивого к исключениям кода — довольно сложная задача. Важно понимать, что исключения прерывают нормальный поток программы. В месте, где происходит исключение, некоторые из действий, ожидаемых вызывающей стороной, могут быть выполнены, а другие нет. Как правило, пропуск части программы может означать, что объект останется в недопустимом или неполном состоянии, либо что ресурс не будет освобожден и т.д. Программы, которые правильно "зачищают" объекты во время обработки исключений, называют устойчивыми к исключениям (exception safe). Написание устойчивого к исключениям кода чрезвычайно сложно и практически не рассматривается в данном вводном курсе. Некоторые программы используют исключения просто для завершения программы в случае проблем. Такие программы вообще не заботятся об устойчивости к исключениям. Программы, которые действительно обрабатывают исключения и продолжают работу, должны постоянно знать, какое исключение может произойти и что программа должна делать для гарантии допустимости объектов, невозможности утечки ресурсов и восстановления программы в корректном состоянии. Некоторые из наиболее популярных методик обеспечения устойчивости к исключениям здесь будут упомянуты. Однако читатели, программы которых требуют надежной обработки исключений, должны знать, что рассматриваемых здесь методик недостаточно для полного обеспечения устойчивости к исключениям.

5.6.3. Стандартные исключения.

В библиотеке С++ определен набор классов, объекты которых можно использовать для передачи сообщений о проблемах в функциях, определенных в стандартной библиотеке. Эти стандартные классы исключений могут быть также использованы в программах, создаваемых разработчиком. Библиотечные классы исключений определены в четырех следующих заголовках.

• В заголовке exception определен общий класс исключения exception. Он сообщает только о том, что исключение произошло, но не предоставляет никакой дополнительной информации.

• В заголовке stdexcept определено несколько универсальных классов исключения (табл. 5.1).

• В заголовке new определен класс исключения bad_alloc, рассматриваемый в разделе 12.1.2.

• В заголовке type_info определен класс исключения bad_cast, рассматриваемый в разделе 19.2.

В классах exception, bad_alloc и bad_cast определен только стандартный конструктор (см. раздел 2.2.1), поэтому невозможно инициализировать объект этих типов.

Поведение исключений других типов прямо противоположно: их можно инициализировать объектом класса string или строкой в стиле С, однако значением по умолчанию их инициализировать нельзя. При создании объекта исключения любого из этих типов необходимо предоставить инициализатор. Этот инициализатор используется для предоставления дополнительной информации о произошедшей ошибке.

Таблица 5.1. Стандартные классы исключений, определенные в заголовке stdexcept

exception	Наиболее общий вид проблемы
runtime_error	Проблема, которая может быть обнаружена только во время выполнения
range_error	Ошибка времени выполнения: полученный результат превосходит допустимый диапазон значения
overflow_error	Ошибка времени выполнения: переполнение регистра при вычислении
underflow_error	Ошибка времени выполнения: недополнение регистра при вычислении
logic_error	Ошибка в логике программы
domain_error	Логическая ошибка: аргумент, для которого не существует результата
invalid_argument	Логическая ошибка: неподходящий аргумент
length_error	Логическая ошибка: попытка создать объект большего размера, чем максимально допустимый для данного типа
out_of_range	Логическая ошибка: используемое значение вне допустимого диапазона

В классах исключений определена только одна функция what(). Она не получает никаких аргументов и возвращает константный указатель на тип char. Это указатель на символьную строку в стиле С (см. раздел 3.5.4), содержащую текст описания переданного исключения.

Содержимое символьного массива (строки в стиле С), указатель на который возвращает функция what(), зависит от типа объекта исключения. Для типов, которым при инициализации передают строку класса string, функция what() возвращает строку. Что же касается других типов, то возвращаемое значение зависит от компилятора.

Упражнения раздела 5.6.3.

Упражнение 5.23. Напишите программу, которая читает два целых числа со стандартного устройства ввода и выводит результат деления первого числа на второе.

Упражнение 5.24. Перепишите предыдущую программу так, чтобы она передавала исключение, если второе число — нуль. Проверьте свою программу с нулевым вводом, чтобы увидеть происходящее при отсутствии обработчика исключения.

Упражнение 5.25. Перепишите предыдущую программу так, чтобы использовать для обработки исключения блок try. Раздел catch должен отобразить сообщение и попросить пользователя ввести новое число и повторить код в блоке try.