Ausnahmebehandlung OOPM, Ralf Lämmel

Transkript

1 Schon mal einen Blue Screen gesehen? Ausnahmebehandlung OOPM, Ralf Lämmel

2 927 Beispiele für Ausnahmesituationen Programmfehler precondition failed Unzulässige Nutzereingabe bad url Nichtverfügbarkeit von Ressourcen connection lost Verausgabung von Ressourcen stack overflow

3 928 Verhalten eines Programmes bei unzulässigen Eingaben $ java Program = 7 $ java Program 3 Exception in thread "main" java.lang.arrayindexoutofboundsexception: 1 at Program.main(Program.java:12) $ java Program 3 vier Exception in thread "main" java.lang.numberformatexception: For input string: "vier" at java.lang.numberformatexception.forinputstring(numberformatexception.java:48) at java.lang.integer.parseint(integer.java:447) at java.lang.integer.parseint(integer.java:497) at Program.main(Program.java:12) Können wir uns bessere Fehlermeldungen vorstellen?

4 929 Verhalten des Programmes mit Ausnahmebehandlung $ java Program = 7 $ java Program 3 Incorrect number of arguments $ java Program 3 vier Argument(s) not a number

5 930 Quellen für Ausnahmesituationen im Programm Haben Sie noch eine weitere Idee für eine Ausnahmesituation? public class Program { public static void main(string[] args) { int value1 = Integer.parseInt(args[0]); int value2 = Integer.parseInt(args[1]); int sum = value1 + value2; Feldzugriff kann scheitern Konvertierung in Zahl kann scheitern System.out.println(value1 + " + " + value2 + " = " + sum); Illustrationen für Ausnahmebehandlung siehe Repository: idioms.errorhandling

6 931 Ansatz der Ausnahmebehandlung public class Program { public static void main(string[] args) { Teste dass args.length == 2 int value1 = Integer.parseInt(args[0]); int value2 = Integer.parseInt(args[1]); int sum = value1 + value2; Behandle nichterfolgreiche Konvertierung System.out.println(value1 + " + " + value2 + " = " + sum);

7 932 Allgemeine Fragestellungen 1. Was ist ein Fehler bzw. eine Ausnahme? 2. Wie wissen wir, dass ein Fehler bzw. eine Ausnahme auftritt? 3. Wie weiß ein Programm dies? 4. Wie reagiert ein Programm auf einen Fehler bzw. eine Ausnahme? 5. Kann das Programm sich erholen?

8 933 Fehler Der Begriff ist hochgradig überladen. Definition: ein unerlaubter Programmzustand Beispiel: das Beispielprogramm darf nicht in dem Zustand sein, dass es in die main-funktion eintritt wobei nur 1 Eingabewert ansteht. Naives Modell der Fehlervermeidung: Die Spezifikation von Methoden, Klassen und Programmen definiert was erlaubte Programmzustände sind. Jede Verwendung der Methoden, Klassen und Programmen wird im Voraus auf die Einhaltung der Spezifikation überprüft.

9 934 Ziele der Fehlerbehandlung Vermeidung von inkonsistentem Verhalten Rückkehr zu früherem, sicherem Programmpunkt Kontrollierte Beendung des Programmes Sicherung von Ergebnissen Ausgabe von hilfreichen Fehlermeldungen

10 935 Techniken zur Fehlerbehandlung Keine Behandlung Terminierung des Programmes Verwendung eines globalen Fehlerflags Verwendung eines speziellen Rückgabewertes Vereinbarung einer speziellen Funktion Verwendung von Transaktionsmechanismen Ausnahmebehandlung mit try/catch

11 936 Techniken zur Fehlerbehandlung Keine Behandlung Terminierung des Programmes Verwendung eines globalen Fehlerflags Verwendung eines speziellen Rückgabewertes Vereinbarung einer speziellen Funktion Verwendung von Transaktionsmechanismen Ausnahmebehandlung mit try/catch

12 937 Verwendung eines globalen Fehlerflag Wir erfinden java.lang.integer.error. Wir ignorieren das Problem der Feldgröße im folgenden. int value1 = Integer.parseInt(args[0]); boolean error = Integer.error; int value2 = Integer.parseInt(args[1]); error = Integer.error; Abfrage des Fehlerflags nach jedem Aufruf if (!error) { int sum = value1 + value2; System.out.println(value1 + " + " + value2 + " = " + sum); else { System.err.println("Argument(s) not a number"); System.exit(-1); Das Abfragen des Flags kann leicht vergessen werden.

13 938 Techniken zur Fehlerbehandlung Keine Behandlung Terminierung des Programmes Verwendung eines globalen Fehlerflags Verwendung eines speziellen Rückgabewertes Vereinbarung einer speziellen Funktion Verwendung von Transaktionsmechanismen Ausnahmebehandlung mit try/catch

14 939 Verwendung eines speziellen Rückgabewertes Wir ändern den Ergebnistyp von parseint von int nach Integer. (Integer ist ein Referenztyp für int.) Wir interpretieren null als Fehler. Integer value1 = Integer.parseInt(args[0]); boolean error = value1 == null; Integer value2 = Integer.parseInt(args[1]); error = value2 == null; Interpretiere null als Fehler if (!error) { int sum = value1 + value2; System.out.println(value1 + " + " + value2 + " = " + sum); else { System.err.println("Argument(s) not a number"); System.exit(-1); Fehler können weiterhin übersehen werden oder der Fehlerwert kann fehlinterpretiert werden. Auch verlangt diese Technik häufig Typänderungen.

15 940 Techniken zur Fehlerbehandlung Keine Behandlung Terminierung des Programmes Verwendung eines globalen Fehlerflags Verwendung eines speziellen Rückgabewertes Vereinbarung einer speziellen Funktion Verwendung von Transaktionsmechanismen Ausnahmebehandlung mit try/catch

16 941 Vereinbarung einer speziellen Funktion Illustration für Cobol; Vereinbarung eines Fehlerparagraphen für bestimmte Dateifehler. DECLARATIVES. HANDLE-FILE-ERRORS SECTION. USE AFTER ERROR ON ACCOUNT-FILE. HANDLE-ACOUNT-ERROR. MOVE ACOUNT TO PANIC-RESOURCE. MOVE FILE ERROR TO PANIC-HEADER. MOVE FILE-STATUS TO PANIC-CODE. GO TO PANIC-STOP. END-DECLARATIVES. Diese Technik verlangt Sprachunterstützung. Ausnahmen (siehe nachfolgend) sind allgemeiner.

17 942 Techniken zur Fehlerbehandlung Keine Behandlung Terminierung des Programmes Verwendung eines globalen Fehlerflags Verwendung eines speziellen Rückgabewertes Vereinbarung einer speziellen Funktion Verwendung von Transaktionsmechanismen Ausnahmebehandlung mit try/catch

18 943 Ausnahmebehandlung mit try/catch try { int value1 = Integer.parseInt(args[0]); int value2 = Integer.parseInt(args[1]); int sum = value1 + value2; System.out.println(value1 + " + " + value2 + " = " + sum); catch (NumberFormatException e) { System.err.println("Argument(s) not a number"); System.exit(-1);

19 944 Der OO-Ansatz: Ausnahmen Ausnahme: ein Ereignis während der Ausführung des Programms welches zur Unterbrechung des regulären Ablaufs führt. Java-Repräsentation einer Ausnahme: Objekte der Klasse Throwable oder deren Unterklassen. Werfen einer Ausnahme: Bei der Feststellung eines Fehlers wird (vom Laufzeitsystem oder vom Programm) ein Ausnahmeobjekt konstruiert und an das Laufzeitsystem zur Behandlung übergeben.

20 945 Vom Programm geworfene Ausnahme public class Program { Parameter für Diagnose. public static void main(string[] args) { throw new RuntimeException("Don t call main!"); Ein konkreter Ausnahmetyp

21 946 Vordefinierte Ausnahmeklassen Ausnahmen werden durch Klassen in einer Vererbungshierarchie organisiert.

22 947 Wichtige Unterklassen von Throwable Error Klasse und Unterklassen: Kritischer Fehler von dem kaum zu erwarten ist, dass die Applikation ihn behandeln kann. Virtual Machine Error Exception Klasse und Unterklassen: Mögliche Ausnahme in der normalen Programmausführung. Solche Ausnahmen können behandelt werden. IOException NullPointerException

23 948 Ausnahmen des Laufzeitsystems IndexOutOfBoundsException: Der Index bei einem Feldzugriff ist nicht im zulässigen Bereich. ArrayStoreException: Der Typ des Objektes bei einem schreibenden Feldzugriff ist nicht zulässig. NullPointerException: Ein Feldzugriff oder ein Methodenaufruf auf null anstatt einem Objekt. SecurityException: Der Security Manager weist einen Verstoss gegen die Sicherheitspolitik ab....

24 949 Sprachunterstützung für Ausnahmebehandlung try {... // Anweisungen die Ausnahmen werfen könnten catch(ausnahmetyp name) {... // Anweisungen welche die Ausnahme behandeln

25 950 Ausnahmebehandlung mit try/catch try { int value1 = Integer.parseInt(args[0]); int value2 = Integer.parseInt(args[1]); int sum = value1 + value2; System.out.println(value1 + " + " + value2 + " = " + sum); catch (NumberFormatException e) { System.err.println("Argument(s) not a number"); System.exit(-1);

26 951 Sprachunterstützung für Ausnahmebehandlung einschließlich des finally-blockes try {... // Anweisungen catch (AusnahmeTyp name) {... // Anweisungen finally {... // Anweisungen try-block Keine Ausnahme finally- Block Ausnahme catch- Block Der catch-block ist anwendbar für eine Ausnahme a wenn der Typ von a zuweisungskompatibel mit AusnahmeTyp ist. Der finally-block wird auch für den Fall ausgeführt, dass der catch-block nicht anwendbar ist oder der catch oder try-block continue oder break benutzt.

27 952 Mehrere Catch-Klauseln try { catch (AusnahmeTyp1 name1) { catch (AusnahmeTyp2 name2) { finally { Klauseln werden in Definitionsreihefolge geprüft. Speziellere Ausnahmetypen sind zuerst anzugeben!

28 953 Ein Tabu-Idiom try {... catch (Exception x) { Konsumiert alle Ausnahmen. Behandelt keine Ausnahmen. Verursacht eventuell schwierige Folgefehler.

29 954 Propagierung von Ausnahmen Innerhalb von Hierarchien von Throw-Blöcken zum unmittelbar umfassenden throw-block Im Aufrufkeller zum nächsten Aufruf mit einem Handler

30 955 Illustration für Propagierung public class Program { public static void a() { b(); public static void b() { c(); public static void c() { throw new RuntimeException("Safe Our Souls!"); public static void main(string[] args) { try { a(); catch (RuntimeException e) { e.printstacktrace(); java.lang.runtimeexception: Safe Our Souls! at Program.c(Program.java:9) at Program.b(Program.java:6) at Program.a(Program.java:3) at Program.main(Program.java:13)

31 956 Stack trace Ausnahmetyp Parameter der Ausnahme java.lang.runtimeexception: Safe Our Souls! at Program.c(Program.java:9) at Program.b(Program.java:6) at Program.a(Program.java:3) at Program.main(Program.java:13) Methode der Behandlung

32 957 Aufrufkeller und Ausnahmebehandlung (für ein neues Szenario) Methode reicht Ausnahme durch Methode behandelt Ausnahme Methode mit Ausnahme Methode ohne Exception handler Methode mit Exception handler Methodenaufruf Methodenaufruf Methode wirft Ausnahme Methode ist unbehelligt main Methodenaufruf

33 958 Wichtige Regeln Konsumiere nur die Ausnahmen, die Du auch behandelst (behandeln kannst). Wenn sich eine Ausnahme als nicht behandelbar herausstellt, nachdem sie bereits abgefangen wurde, dann muss sie erneut geworfen werden. Verwende Klassenvererbung um ein System von Ausnahmen in einer Hierarchie zu organisieren.

34 959 Wann sollte man eine Ausnahme werfen anstatt einfach zurückzukehren? Pro Ausnahmewurf Es handelt sich um eine wirkliche Ausnahmesituation. Der Aufrufer sollte das Problem nicht ignorieren können. Die Klasse wäre sonst instabil oder inkonsistent. Con Ausnahmewurf Das Problem kann allgemein lokal behoben werden.

35 960 Ein weiteres Beispiel: Abhebung vom Konto Ausnahmesituationen Betrag ist negativ Grundlegendes Problem (als Folge eines Bedienfehlers oder einer Vertragsverletzung) IllegalArgumentException Betrag überzieht Konto OverdraftException Anwendungsspezifisches Problem, welches behandelt werden sollte.

36 961 Abhebung vom Konto mit Überziehungskontrolle /** * Withdraw some money from account. * Refuse negative amounts as nonsense. * Throw an exception if an attempt is made to overdraw. */ public void withdraw(float amount) { // Precondition if (amount < 0) throw new IllegalArgumentException(); if (balance < amount) throw new OverdraftException(); Vordefinierte Ausnahmeklasse balance -= amount; Programm-definierte Ausnahmeklasse

37 962 Programm-definierte Ausnahmenklassen public class OverdraftException extends RuntimeException { Unterklassen von Exception Konstruktoren Standardkonstruktor Konstruktor mit String-Parameter ( Fehlermeldung ) Weiterer Zustand Daten für Handler Für fortgeschrittene Szenarien

38 963 Verwendung von Zusicherungen vs. Ausnahmen public void withdraw(float amount) { // Precondition assert!( amount < 0 balance < amount); Verletzten der Vorbedingung führt zum Werfen einer Ausnahme AssertionError. balance -= amount;

39 964 Verwendung von Zusicherungen vs. Ausnahmen public void withdraw(float amount) { // Precondition if (amount < 0) throw new IllegalArgumentException(); if (balance < amount) throw new OverdraftException(); Spezifischere Ausnahme als AssertionError balance -= amount; Wir werden zeigen, dass wir den Aufrufer zur Behandlung zwingen wollen und können!

40 965 Zwang zur Ausnahmebehandlung Gedankenexperiment Was wäre wenn wir Aufrufer von withdraw zur Ausnahmebehandlung ermutigen ( erzwingen ) wollen -- soweit es den Versuch der Kontenüberziehung angeht? Ein solcher Versuch ist schließlich eine Ausnahmesituation, auf welche das Programm vorbereitet sein sollte.

41 966 Wir wollen dieses Programm verbieten. public static void transfer( Account from, Account to, float amount) { to.deposit(amount); from.withdraw(amount); Der Compiler (das Typsystem) soll den Programmierer zwingen, den möglichen Fehler zu behandeln.

42 Verwendung geprüfter Ausnahmen public class OverdraftException extends RuntimeException { Ungeprüfte Ausnahmen Sind von RuntimeException abgeleitet Müssen nicht in Methodensignatur spezifiziert werden Gelten eher als nicht reparierbar Geprüfte Ausnahmen Sind nicht von RuntimeException abgeleitet Müssen in Methodensignatur spezifiziert werden Sollten von der Anwendung behandelt werden Änderung unserer ursprünglichen Ausnahmeklasse (C) Ralf Lämmel, OOPM, Universität Koblenz-Landau 967

43 968 Dieses Programm wird abgewiesen. public static void transfer( Account from, Account to, float amount) { to.deposit(amount); from.withdraw(amount); Wir müssen die Ausnahme OverdraftException entweder deklarieren oder behandeln.

44 969 Eine Behandlung innerhalb der Methode transfer ist nicht offensichtlich. public static void transfer( Account from, Account to, float amount) { try { from.withdraw(amount); to.deposit(amount); catch (OverdraftException o) { //... but what to do?

45 970 Die Behandlungspflicht ergeht an Aufrufer. public static void transfer( Account from {, Account to, float amount) throws OverdraftException from.withdraw(amount); to.deposit(amount); Die mögliche Ausnahme wird explizit deklariert. Der Compiler (das Typsystem) soll den Programmierer wenigstens dazu zwingen, die Ausnahme zu deklarieren.

46 971 Deklaration von werfbaren Ausnahmen /** * Withdraw some money from account. * Refuse negative amounts as nonsense. * Throw an exception if an attempt is made to overdraw. */ public void withdraw(float amount) { // Precondition if (amount < 0) throws OverdraftException throw new IllegalArgumentException(); if (balance < amount) throw new OverdraftException(); IllegalArgumentExceptio n ist eine ungeprüfte Ausnahmeklasse und muss deswegen nicht deklariert werden. balance -= amount; Der Compiler (das Typsystem) verlangt die throws-deklaration (im Falle einer geprüften

47 972 Geprüft oder ungeprüft? Sun s (Oracle s?) guideline: If a client can reasonably be expected to recover from an exception, make it a checked exception. If a client cannot do anything to recover from the exception, make it an unchecked exception.

48 Zusammenfassung Fehler sind unzulässige Programmzustände. Ausnahmen sind Ereignisse, die den regulären Ablauf abbrechen. Ausnahmen sind Objekte / Ausnahmetypen sind Klassen. Sprachunterstützung: try, catch, finally, throw, throws Von einigen Fehler kann man sich nicht erholen. Von gewissen Ausnahmen kann man sich erholen. Ausblick Syntax von Softwaresprachen Klausur

49 974 Ein Zitat zur Fehlerbehandlung The major difference between a thing that might go wrong and a thing that cannot possibly go wrong is that when a thing that cannot possibly go wrong goes wrong it usually turns out to be impossible to get at or repair. Douglas Adams [Ada92] Vergleiche dies mit dem Fehlschlagen einer Vorbedingung einer Methode.