8. Fehler und Ausnahmen

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1 8. Fehler und Ausnahmen Vorfälle während des Programmlaufs: Fehler (Error) Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens ist hoch. z.b. Benutzereingaben Sonderfall/Ausnahme(Exception) Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens ist eher gering. z.b. Umgang mit Dateien Für derartige Fälle sind möglichst Vorkehrungen zu treffen. Weitere Fehler sind beispielsweise: Planungsfehler, Syntaxfehler, Semantikfehler (logische Fehler)

2 Fehler(Problem) 8.1 Motivation: Beispiele für Fehler und Ausnahmen Ausnahmen Rechenoperationen Division durch 0 Addition zu großer Zahlen(int/double) Ein-/Ausgabe Unzulässige Eingabe z.b. Zeichen statt Zahl Daten/Dateien Datei nicht vorhanden/defekt Adressierung Adressierungsfehler Zeiger Unzulässiger Index (Array/String/vector) Speicher Speicher reicht nicht bei new Diskriminante negativ Determinante ist 0 Unzulässige Eingabe z.b. negative Anzahl unzulässiger Menuepunkt Datei/Liste leer bzw. Ende erreicht String/Container ohne Elemente Objekt existiert nicht Unzulässiger Index (Array/String/vector) Array zu klein für Einfügen Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

3 Strategien Ausgangssituation Während des Programmablaufs ist ein Fehler/Sonderfall etwa in einer Funktion aufgetreten. 1) Der Fall wird nicht bemerkt: 1.1) Mit falschen Werten weiterrechnen 1.2) Programmabsturz ohne Kommentar -> Katastrophe -> schlecht 2) Der Fall wird bemerkt sofortige Reaktion an der betroffenen Stelle (lokal) 2.1) Man löst das Problem nicht und beendet das Programm mit einer Meldung -> nicht ganz so schlecht 2.2) Man sucht eine Lösung an Ort und Stelle, wo der Fehler aufgetreten ist Dies ist die klassische Vorgehensweise -> meist unübersichtlich durch das Nebeneinander von Programmablauf und Fehlerbehandlung. Reaktion an anderer Stelle 2.3) Man beendet die Funktion und sucht eine Lösung in der aufrufenden Funktion -> Returncode erforderlich/vertagt : besser 2.4) Man sucht eine Lösung an anderer Stelle (Trennung von Ablauf und Fehlerbehandlung) -> besser Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

4 Ein einfaches Beispiel Es sollen 2 ganze Zahlen eingelesen und das Ergebnis der ganzzahligen Division am Bildschirm angezeigt werden. Ist der Nenner 0 liegt eine Fehlersituation vor. Ist der Zähler auch 0 soll eine besondere Warnung ausgegeben werden. Weitere Fehler wie die Eingabe unzulässiger Zeichen werden der Einfachheit halber zunächst nicht betrachtet. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

5 8.2 Strategie 1: Abbruch Der gezielte Abbruch eines Programms kann über den Aufrufvon Funktionen erreicht werden void exit(int) und assert(bool) exit beendet das Programm sofort (ohne eine Meldung). Der Parameter gibt den Returncode an, welcher an das Betriebssystem weitergegeben wird. Beispiel exit(2); //Der Returncode des Programms ist 2. Beim Aufruf der Funktion assert wird eine Bedingung (Parameter) überprüft. Sofern diese nicht erfüllt ist wird das Programm mit einer Systemmeldung beendet. #include <assert.h> ist erforderlich. Beispiel: assert ( j!= 0 ); Falls der Ausdruck false ist (also im Beispiel j = 0), wirdeine Systemfehlermeldung erzeugt und das Programm beendet. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

6 void main() //Berechne a/b fuer 2 Ziffern int zaehler,nenner; cout<<" 2 Zahlen eingeben "; cin>>zaehler>>nenner; if ( nenner==0 ) if ( zaehler==0 ) cout<<"0/0 nicht definiert "<<endl; exit(1); else cout<<" Division durch 0 "<<endl; exit(2); else cout<<"ergebnis "<<zaehler/nenner<<endl; Beispiel exit Das Programm wird jeweils beendet Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

7 Beispiel assert notwendig #include <iostream> #include <assert.h> using namespace std; void main() //Berechne a/b fuer 2 Zahlen int zaehler,nenner; cout<<" 2 Zahlen eingeben "; cin>>zaehler>>nenner; assert ( nenner!= 0 ); cout<<"ergebnis "<<zaehler/nenner<<endl; Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

8 void test() char antwort='n'; bool error; int zaehler,nenner; cout<<" 2 Zahlen eingeben "; cin>>zaehler>>nenner; do if ( nenner==0 ) //Fehler error=true; if ( zaehler==0 )//Sonderfall cout<<" Zaehler und Nenner 0 "<<endl; cout<<" 2 neue Zahlen eingeben (J)"; cout<<" oder Abbruch ((N)"; cin>>antwort; if ( antwort=='j') cout<<" neue Zahlen "; cin>>zaehler>>nenner; 8.3 Strategie 2: Lokale Lösung else cout<<" Nenner 0 "<<endl; cout<<" neuen Nenner eingeben (J)"; cout<<" oder Abbruch ((N)"; cin>>antwort; if ( antwort=='j') cout<<" neuer Nenner "; cin>>nenner; else error=false; while ( antwort=='j' && error); if (!error) cout<<"ergebnis "<<zaehler/nenner<<endl; else cout<<" Abbruch nach Fehleingabe"<<endl; return; Unübersichtlich wg. vieler Abfragen/Entscheidungen. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

9 80 % Programmcode Für Fehler undausnahmen Nicht berücksichtigt ist dabei etwa die Eingabe von Zeichen statt Zahlen!!!. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

10 8.4 Strategie 3: Verwendung von Returncodes Die Aufgabe wird in einer Funktion bearbeitet. Wird ein Fehler/Sonderfall entdeckt, dann erfolgt die Bearbeitung/Entscheidung nicht in der Funktion sondern in dem aufrufenden Programmteil. Damit gibt es kein Nebeneinander von eigentlicher Aufgabe und eventuell aufwendigen Abfragen im Fehlerfall. Notwendig ist dabei die Übermittlung entsprechender Informationen über die festgestellte Situation an dieses Programmteil, um die korrekte Bearbeitung zu ermöglichen. Üblicherweise geschieht dies über einen Returncode, der als Funktionswert der aufrufenden Funktion übergeben wird (Alternative: Referenzparameter returncode). Returncode = 0 nicht 0 kein Fehler Fehler Gibt es mehrere Fehlermöglichkeiten, so kann dies über unterschiedliche Returncodes realisiert werden. In der Funktion ist damit keine Programmcode (nur return!!!) zur Behebung des Problems erforderlich. Bzgl. der Übersichtlichkeit ist es kürzer als Strategie 1. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

11 int action() //Berechne a/b fuer 2 Ziffern int zaehler,nenner; cout<<" 2 Zahlen eingeben "; cin>>zaehler>>nenner; if ( nenner==0 ) if ( zaehler==0 ) return 1; else return 2; else Beispiel cout<<"ergebnis "<<zaehler/nenner<<endl; return 0; void main() int action(); int result= action(); if ( result==0 ) cout<<" action erfolgreich aufgerufen "<<endl; else cout<<" returncode action "<<result<<endl; // Reaktion programmieren Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

12 Klasse string Weitere Beispiele Die Methoden find/rfind liefern bei der Suche die Position des Suchstrings als Funktionswert. Im "Fehlerfall", d.h. bei nicht erfolgreicher Suche ist der Funktionswert -1. Dies ist der Standard für Suchverfahren int main() liefert wie exit einen Returncode für das Betriebssystem bei Grafische Oberflächen bool draw( ) zeichnet beispielsweise ein Bitmap bool create( ) erzeugt ein Fenster false: hat nicht geklappt true : hat geklappt Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

13 8.5 Strategie 4: Exception-Handling(Ausnahmebehandlung) bool error=true; while(error) if ( ein>>i ) if ( i<0 ) // Fehler 1 else error=false;//ok-aktion else if ( ein.eof() ) //Fehler 2 else if ( ein.fail() ) // Fehler 3 else //Fehler 4 Gute Programme versuchen möglichst viele Fehler/Ausnahmen abzufangen: Hier sind es z.bsp. 4 Blöcke zu deren Behandlung und nur einer für die gewünschte Aktion. 20% Normalfall <->80% Fehler/Ausnahme -> u n ü b er s i c h t l i c h Lösung: Trennung des normalen Programablaufs, von dem Teil für die Fehler-/Ausnahmebehandlung, d.h. Zusammenfassung aller besonderen Fälle in einem Fehlerbehandlungsteil. Dies ist analog zu Strategie 3. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Info rmatik

14 Exception-Handling: Idee Es wird versucht, einen Programmteil durchzuführen.dieser Programmteil wird im try Block zusammengefasst -> try In diesem werden Kontrollen eingebaut. Entdeckt man dann eine Ausnahmesituation, wird eine Ausnahme(Exception) " ausgelöst, genauer gesagt ein Objekt eines speziellen Datentyps geworfen : throw objekt; Dieses Objekt wird von einem für die Abarbeitung dieses Objekttyps zuständigen Programmteil( Exception-Handler) aufgefangen und bearbeitet: catch (objekt) Es kann mehrere Exception-Handler für unterschiedliche Objekttypen geben. Danach geht weiter mit dem ersten Befehl nach dem letzten catch Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

15 Exception-Handling: Ablauf try-block catch-blöcke Überwachter throw Programmabschnitt Exception Handler 1 Exception Handler n Fortsetzung Fehlerobjekt Meldung erfolgt durch die throw- Anweisung, welche die Fehlermeldung in Form eines sogenannten Fehlerobjekts in den Programmteil zur Fehlerbehandlung wirft. Das Fehlerobjekt kann von beliebigem Typ sein also int, string, oder auch ein Objekt einer speziell dafür entwickelten Fehlerklasse und wird von einem Exception- Handler in einem catch-block gefangen. Nach der Bearbeitung durch den zuständigen Teil (Exception-Handler) geht es nach dem letzten catch-block weiter Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

16 Exception-Handling: Durchführung 1. Kennzeichnung des Blocks, welcher Meldungen auslösen darf : try-block try // hier stehen die Befehle, die Meldungen erzeugen dürfen Eine Meldung wird üblicherweise durch if (. ) throw objekt;//wichtig ist der Typ von objekt ausgelöst. Beispiele für throw Anweisungen: throw Fehler aufgetreten ; // objekt " Fehler " ist vom Typ char* throw i; // objekt i ist vom Typ int throw c;// objekt c ist vom Typ char throw err;// objekt err ist vom Typ Fehlerklasse (z.b. Program_exception) Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

17 Exception-Handling: Durchführung 2. Auf den try-block folgen direkt ein oder mehrere Exception-Handler in je einem catch-block. Diese entsprechen praktisch einer Funktion mit einem Parameter vom Objekttyp, für den er zuständig ist. catch (objekttyp name) // Reaktion auf Fehlerobjekt name catch (...) reagiert auf alle anderen ausgeworfenen Fehlerobjekt- Typen, z.b. auch auf solche, die von Systemfunktionen kommen. catch ( int i ) cout<<" Fehler in Zeile "<<i<<endl; catch ( Program_error err1 )//eigene Fehlerklasse cout<<err1.what();//liefert einen Fehlertext catch ( char *text ) cout<<text<endl; catch ( ) cout<<" unbekannter Fehler"<endl; Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

18 Exception-Handling: einfaches Beispiel void action() Typ char* //Berechne a/b fuer 2 Ziffern try int zaehler,nenner; cout<<" 2 Zahlen eingeben "; cin>>zaehler>>nenner; if ( nenner==0 ) if ( zaehler==0 ) Typ int throw "0/0"; else throw zaehler; else cout<<"ergebnis "<<zaehler/nenner<<endl; Wesentlich übersichtlicher als Strategie 2 catch (char* t) cout<<t<<endl; catch ( int i) cout<<i<<"/0"<<endl; catch(...) cout<<"unbekannter Fehler"; cout<<" action aufgerufen "; //hier geht es weiter Für nichtvorhergesehene Fehler, beispielsweise durch Systemfunktionen Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

19 Exception-Handling/Beispiel void main() void action() throw(int,char*); //void action() throw(); Anmerkung: die Exception-Handler könnten auch im main stehen und die Objekte, die in action geworfen werden, fangen. Damit wäre action wesentlich verkürzt. In diesem Fall sollten im Prototyp die zu erwartenden Wurf -Objekte aufgeführt werden: z.b. void action() throw (int,char*); Damit können beispielsweise Fehler in Konstruktoren abgefangen werden. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

20 8.6 Fehlerklassen Die Standarddatentypen sind selten ausreichend, um als Basis für differenzierte Exception-Handler zu dienen. Manchmal genügt char* oder string als einziger Typ, um unterschiedliche Texte mittels eines Exception-Handlers auszugeben wie: Datei existiert nicht Datei ist leer Dateiende erreicht Fehlerhafte Zeile in name.txt Fehlerhafte Daten Bei den beiden letzten Meldungungen wäre es jedoch wünschenswert, wenn elegant Zeilennummer und Zeileninhalt bzw. die Daten zusätzlich mit angezeigt würden. In so einem Fall ist es besser, Fehlerklassen zu verwenden, wo diese Daten als Eigenschaften verfügbar sind. C++ hat für Systemmeldungen eine Hierarche von (Standard-)Fehlerklassen. Diese sind abgeleitet von einer Basisklasse exception. Davon lassen sich dann eigene Fehlerklassen ableiten. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

21 Standardfehlerklassen In der Bibliothek von C++ ist eine Hierarchie von Standardfehlerklassen definiert. Es gibt eine Basisklasse exception und davon abgeleitet insgesamt 13 weitere Klassen wie z.b. runtime_error, von der wiederum overflow_error abgeleitet wird usw. class exception public: exception(char*);//für Text der Meldung // weitere Konstruktoren virtual const char *what() const; ; Prinzipieller Aufbau: Konstruktor mit einem Parameter vom Typ char* als Fehlertext für Meldungen. Eine Methode what, welche diesen Fehlertext liefert. //Beispiel für Exception-Handler catch(exception e) cout<<e.what();<<endl Da innerhalb der Klasse string auch Fehler auftreten können, verwendet exception char* anstelle von string. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

22 Eigene Fehlerklassen Prinzipieller Aufbau Eine eigene Fehlerklasse sollte stets als abgeleitete Klasse von exception programmiert werden, um generell mittels what auch an allen Stellen mit Exception-Handling eine qualifizierte Meldung verfügbar zu haben. Es sollten Eigenschaften für alle Daten, welche im Rahmen von Fehlermeldungen angezeigt werden sollen, vorhanden sein wie z.b. Dateiname, Zeilennummer, falsche Daten, Fallbeschreibung etc. Weiterhin sollte der auszugebende Meldungstext als char* oder string vorhanden sein. Als Methoden sind demzufolge passende Konstruktoren anzulegen, die aus den Daten den Text der Fehlermeldung erzeugen. Weiterhin eine Redefinition der Methode char * what(), gegebenenfalls auch eigene Meldungen oder get- Methoden zur Bereitstellung einzelner Daten. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

23 Eigene Fehlerklassen class MeineFehlerklasse:public exception private: string text; //sonstige Daten/Objekte wie z.b. // int Zeilennummer // string dateiname // char* beschreibung public: MeineFehlerklasse( ); string message(); char* what(); // getzeilennummer(); // get Dateiname(); Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

24 Beispiel Fehlerklasse Data_Error class Data_Error: public exception private: string text; //Fehlertext char typ; //Merkmal in Beispiel 2 unsigned int zeilennummer; public: Data_Error(char,unsigned int); Data_Error(unsigned int); //char* what();//redefinition string message();//neue Meldung ; string Data_Error::message() stringstream s; s<<text<<" in Zeile "<<zeilennummer<<endl; return s.str(); Eine Redefinition von what, welche den Text der neuen Methode message beinhaltet, ist wegen des Typs char* umständlich. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

25 Data_Error Konstruktoren Data_Error::Data_Error(char c,unsigned int i):exception("data error") text="unzulaessiger Typ "; text+=c; zeilennummer=i; Data_Error::Data_Error(unsigned int i):exception("data error") text="unzulaessige Daten"; zeilennummer=i; Hat man andere Daten wie etwa double oder ein Objekt einer Klasse XX bzw. auch Kombinationen davon lässt sich dies einfach realisieren, indem man entsprechende Eigenschaften und Konstruktoren vorsieht: Data_Error::Data_Error(double a):exception("data error") Data_Error::Data_Error(XX t):exception("data error") Data_Error::Data_Error(XX t,double a):exception("data error") Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

26 Fehlerklasse: File_Error File_Error ist damit eine Kopie von exception, aber eine andere Klasse!!!!! class File_Error: public exception public: File_Error(char*); ; File_Error::File_Error(char *c):exception(c) Damit liefert what die Meldung in c Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

27 Verschachtelung 8.7 Weitere Aspekte Bei der Abarbeitung eines Exception-Handlers im catch-block kann es natürlich wieder zu Fehlern bzw. Ausnahmesituationen kommen, die ihrerseits wieder mittels Exception-Handling abgearbeitet werden können. Es kann verschachtelt werden! Funktionen können ebenfalls Objekte werfen (-> Beispiel action), für die dann Exception- Handler außerhalb der Funktion zuständig sind. Es ist empfehlenswert, die möglichen Exceptions im Prototypen anzugeben a) void action(); // jede Exception kann ausgelöst werden b) void action throw();// keine Exception wird ausgelöst c) void action throw ( int, char*);// Typ int und char* wird ausgelöst A B E R: wird im Visual C++ Express 2010 nicht unterstützt nur a geht Angaben sinnvoll wg. Lesbarkeit. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

28 Zusammenfassung Exception Handling strukturiert ein Programmteil. Der Teil für Fehler/Ausnahmen ist klar erkennbar. Jedes Fehlerobjekt (auch vom System) wird erkannt. Es kann individuell reagiert werden. Exception Handling ist plattformunabhängig (Portabilität). Man sollte Exception Handling nicht zur Steuerung der Programmlogik einsetzen. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

29 8.8 Exception-Handling/Beispiel 2 Die Datei eingabe.txt enthält in jeder Zeile den Namen einer Filiale, ein Kennzeichen für den Typ und den getätigten Umsatz Gültige Typen sind die Buchstaben A K Ein Programm soll alle Filialen mit Typ C zusammen mit dem Umsatz in die Datei ausgabe.txt schreiben im csv-format. Dabei können Datei- und Datenfehler anfallen. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

30 int main() unsigned int zeile=0,umsatz; string name; char typ; // try-block try fstream out("ausgabe.txt",ios::out); if ( out.fail() ) throw File_Error("ausgabe.txt kann nicht geoeffnet werden"); fstream ein; ein.open("eingabe.txt",ios::in); if ( ein.fail() ) throw File_Error("eingabe.txt kann nicht geoeffnet werden"); ein >>name>>typ>>umsatz;//erste Zeile //Verarbeitungsschleife while (!ein.eof() ) zeile++; if ( ein.fail() ) //Lesefehler throw Data_Error(zeile); if ( typ<'a' 'K'<typ ) //Typ falsch throw Data_Error(typ,zeile); //Verarbeitung if ( typ=='c' ) out<< name<<';'<<umsatz<<endl; ein >>name>>typ>>umsatz;//naechste Zeile ein.close(); out.close(); if ( out.fail() ) throw File_Error("ausgabe.txt kann nicht geschlossen werden"); Exception-Handling/Beispiel 2 // catch-block catch (File_Error d) cout<<d.what()<<endl; return 1; catch (Data_Error d) cout<<d.message()<<endl; return 2; catch (...) cout <<" unbekannter Fehler"<<endl; return 3; // hier gehts weiter cout << " das wars"<<endl; return 0; // zusätzlich möglich catch (exception e) cout<<e.what()<<endl; return 9; Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

31 eingabe.txt nicht vorhanden Filiale1 A Filiale2 C Filiale3 C Filiale5 X Filiale7 C Exception-Handling/Beispiel 2 Filiale1 A Filiale2 C Filiale3 C d11000 Filiale5 H Filiale7 C ausgabe.txt nach Beseitigung der Fehler Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

32 8.9 Exception-Handling/Beispiel 3- ohne catch/try Aufgabe: Es soll ein Text von Tastatur eingelesen werden, wobei das 2. Zeichen ein Kleinbuchstabe sein muss. Ist dies nicht der Fall soll eine Meldung ausgegeben werden. Lösung ohne catch/try -> Programmabsturz void main() string s; cin>>s; char c=s.at(1); if ( c<'a' 'z'<c ) cout<<"die Eingabe ist nicht korrekt "<<s<<endl; Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

33 Exception-Handling/Beispiel 3- mit catch/try void main() try string s; cin>>s; char c=s.at(1); if ( c<'a' 'z'<c ) throw c; cout<<"die Eingabe ist korrekt "<<s<<endl; catch (char cc) cout <<" Fehler "<<cc<<endl; catch(...) cout<<"sonstiger Fehler"<<endl; //Hier geht es weiter Falls das 2. Zeichen kein Kleinbuchstabe ist -> Meldung catch-block 1 Falls der String kein 2. Zeichen hat Systemmeldung durch at (!) im catch-block sonstiges abgefangen Jetzt kein Programmabsturz (bei s[1] auch Absturz / keine Exception) Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

34 Exception-Handling/Beispiel 3- mit exception void main() try string s; cin>>s; Falls der String kein 2. Zeichen hat Systemmeldung durch at im catch-block abgefangen und angezeigt char c=s.at(1); if ( c<'a' 'z'<c ) throw c; cout<<"die Eingabe ist korrekt "<<s<<endl; catch (char cc) cout <<" Fehler "<<cc<<endl; catch(exception e) cout<<"sonstiger Fehler"<<endl; cout<<e.what();<<endl //Hier geht es weiter Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik