Ошибка на языке программистов

 vlada_maestro / shutterstock

Пишет о программировании, в свободное время создаёт игры. Мечтает открыть свою студию и выпускать ламповые RPG.

Многим известно слово баг (англ. bug — жук), которым называют ошибки в программах. Однако баг — это не совсем ошибка, а скорее неожиданный результат работы. Также есть и другие термины: ворнинг, исключение, утечка.

В этой статье мы на примере C++ разберём, что же значат все эти слова и как эти проблемы влияют на эффективность программы.

Словом «ошибка» (англ. error) можно описать любую проблему, но чаще всего под ним подразумевают синтаксическую ошибку — некорректно написанный код, который даже не скомпилируется:

//В конце команды забыли поставить точку с запятой (;)
int a = 5

Компилятор тут же скажет, что в коде ошибка и скорее всего не хватает запятой или точки с запятой.

Также существуют ворнинги (англ. warning — предупреждение). Они не являются ошибками, поэтому программа всё равно будет собрана. Вот пример:

int main()
{
   //Мы создаём две переменные, которые просто занимают память и никак не используются
   int a, b;
}

Мы можем попросить компилятор показать нам все предупреждения с помощью флага -Wall:

Предупреждения не являются чем-то критичным, но могут иметь негативные последствия. Например, ваша программа будет использовать больше памяти, чем должна. Так как C++ нужен в том числе и для разработки высоконагруженных систем, этого допускать нельзя.

После восклицательного знака в треугольнике — количество предупреждений

Третий вид ошибок — ошибки сегментации (англ. segmentation fault, сокр. segfault, жарг. сегфолт). Они возникают, если программа пытается записать что-то в ячейку, недоступную для записи. Например:

//Создаём константный массив символов 
const char * s = "Hello World";
//Если мы попытаемся перезаписать значение константы, компилятор выдаст ошибку
//Но с помощью указателей мы можем обойти её, поэтому программа успешно скомпилируется
//Однако во время работы она будет выдавать ошибку сегментации
* (char *) s = 'H';

Вот результат работы такого кода:

Мы выяснили, что баг — это не совсем ошибка, а скорее неожиданное поведение программы или результат такого поведения. Баги могут быть чем-то забавным или неприятным. Например, как в играх:

Но они могут привести и к более серьёзным последствиям. Если неправильно спроектировать работу многопоточного приложения, то потоки будут постоянно опережать друг друга. Например, сообщение об ошибке из одного потока может опоздать на миллисекунду, из-за чего второй поток подумает, что никакой ошибки не было, и продолжит работу.

Если ваш код приводит в действие какое-нибудь потенциально опасное устройство, то ценой такой ошибки может быть чья-нибудь жизнь. Такое случилось с кодом для аппарата лучевой терапии Therac-25 — как минимум два человека умерло и ещё больше пострадали из-за превышения дозы радиации.

Также во время работы программы могут возникать ситуации, которые мешают корректной работе программы. Например, если вы просите пользователя ввести число, а он вводит строку.

Конвертировать введённое значение не всегда возможно, поэтому функция, которая занимается преобразованием, «выбрасывает» исключение (англ. exception). Это специальное сообщение говорит о том, что что-то идёт не так.

Если разработчик не описывает логику работы программы при вы выбрасывании исключения, то программа аварийно закрывается. Подробнее мы рассказали об этом в статье про ввод и конвертацию в C++.

Одно из самых известных исключений — переполнение стека (англ. stack overflow). В честь него даже назвали сайт, на котором программисты ищут помощь в решении своих проблем.

int main()
{
   //Бесконечная рекурсия - одна из причин переполнения стека вызовов
   main();
}

Компилятор C++ при этом может выдать ошибку сегментации, а не сообщение о переполнении стека:

Вот аналогичный код на языке C#:

class Program
{
   static void Main(string[] args)
   {
       Main(args);
   }
}

Однако сообщение в этот раз более конкретное:

В обоих случаях программа завершается, потому что не может дальше корректно работать.

Похожая ситуация — переполнение буфера (англ. buffer overflow). Она происходит, когда записываемое значение больше выделенной области в памяти.

//Пробуем записать в переменную типа int значение, которое превышает лимит
//Константа INT_MAX находится в библиотеке climits
int a = INT_MAX + 1;

Обратите внимание, что мы получили предупреждение об арифметическом переполнении (англ. integer overflow):

Тем не менее программа скомпилировалась. Если же такая ситуация возникнет во время вычислений, то мы можем не получить предупреждения.

Арифметическое переполнение стало причиной одной из самых дорогих аварий, произошедших из-за ошибки в коде. В 1996 году ракета-носитель «Ариан-5» взорвалась на 40-й секунде полёта — потери оценивают в 360–500 миллионов долларов.

К сожалению, вручную всё это заметить и исправить не получится. Однако существуют различные инструменты и технологии, которые могут помочь.

Один из таких инструментов — отладчик. Он помогает контролировать ход работы программы, чтобы отслеживать разные показатели.

Второй, более эффективный метод — unit-тесты. Они представляют из себя набор описанных ситуаций для каждого компонента программы с указанием ожидаемого поведения.

Например, у вас есть функция sum (int a, int b), которая возвращает сумму двух чисел. Вы можете написать unit-тесты, чтобы проверять следующие ситуации:

Входные данные	Ожидаемый результат
5, 10	15
99, 99	198
8, -9	-1
-1, -1	-2
fff, 8	IllegalArgumentException

Если какой-то из этих тестов не пройден, вы узнаете об этом и сможете всё исправить. Это намного быстрее, чем проверять всё вручную.

Ошибок существует слишком много. При этом самые опасные тяжелее обнаружить, что только усугубляет ситуацию.

Школа дронов для всех
Учим программировать беспилотники и управлять ими.
Узнать больше

Ошибки в программировании – дело обычное, хоть и неприятное. В данной статье будет рассказано о том, какими бывают ошибки (баги), а также что собой представляют исключения.

Определение

Ошибка в программировании (или так называемый баг) – это ситуация у разработчиков, при которой определенный код вследствие обработки выдает неверный результат. Причин данному явлению множество: неисправность компилятора, сбои интерфейса, неточности и нарушения в программном коде.

Баги обнаруживаются чаще всего в момент отладки или бета-тестирования. Реже – после итогового релиза готовой программы. Вот несколько вариантов багов:

1. Появляется сообщение об ошибке, но приложение продолжает функционировать.
2. ПО вылетает или зависает. Никаких предупреждений или предпосылок этому не было. Процедура осуществляется неожиданно для пользователя. Возможен вариант, при котором контент перезапускается самостоятельно и непредсказуемо.
3. Одно из событий, описанных ранее, сопровождается отправкой отчетов разработчикам.

Ошибки в программах могут привести соответствующее приложение в негодность, а также к непредсказуемым алгоритмам функционирования. Желательно обнаруживать баги на этапе ранней разработки или тестирования. Лишь в этом случае программист сможет оперативно и относительно недорого внести необходимые изменения в код для отладки ПО.

История происхождения термина

Баг – слово, которое используется разработчиками в качестве сленга. Оно произошло от слова «bug» – «жук». Точно неизвестно, откуда в программировании и IT возник соответствующий термин. Существуют две теории:

1. 9 сентября 1945 года ученые из Гарварда тестировали очередную вычислительную машину. Она называлась Mark II Aiken Relay Calculator. Устройство начало работать с ошибками. Когда его разобрали, то ученые заметили мотылька, застрявшего между реле. Тогда некая Грейс Хоппер назвала произошедший сбой упомянутым термином.
2. Слово «баг» появилось задолго до появления Mark II. Термин использовался Томасом Эдисоном и указывал на мелкие недочеты и трудности. Во время Второй Мировой войны «bugs» называли проблемы с радарной электроникой.

Второй вариант кажется более реалистичным. Это факт, который подтвержден документально. Со временем научились различать различные типы багов в IT. Далее они будут рассмотрены более подробно.

Как классифицируют

Ошибки работы программ разделяются по разным факторам. Классификация у рядовых пользователей и разработчиков различается. То, что для первых – «просто программа вылетела» или «глючит», для вторых – огромная головная боль. Но существует и общепринятая классификация ошибок. Пример – по критичности:

1. Серьезные неполадки. Это нарушения работоспособности приложения, которые могут приводить к непредвиденным крупным изменениям.
2. Незначительные ошибки в программах. Чаще всего не оказывают серьезного воздействия на функциональность ПО.
3. Showstopper. Критические проблемы в приложении или аппаратном обеспечении. Приводят к выходу программы из строя почти всегда. Для примера можно взять любое клиент-серверное приложение, в котором не получается авторизоваться через логин и пароль.

Последний вариант требует особого внимания со стороны программистов. Их стараются обнаружить и устранить в первую очередь. Критические ошибки могут отложить релиз исходной программы на неопределенный срок.

Также существуют различные виды сбоев в плане частоты проявления: постоянные и «разовые». Вторые встречаются редко, чаще – при определенных настройках и действиях со стороны пользователя. Первые появляются независимо от используемой платформы и выполненных клиентом манипуляций.

Иногда может получиться так, что ошибка возникает только на устройстве конкретного пользователя. В данном случае устранение неполадки требует индивидуального подхода. Иногда – полной замены компьютера. Связано это с тем, что никто не будет редактировать исходный код, когда он «глючит» только у одного пользователя.

Виды

Существуют различные типы ошибок в программах в зависимости от типовых условий использования приложений. Пример – сбои, которые возникают при возрастании нагрузки на оперативную память или центральный процессор устройства. Есть баги граничных условий, сбоя идентификаторов, несовместимости с архитектурой процессора (наиболее распространенная проблема на мобильных устройствах).

Разработчики выделяют следующие типы ошибок по уровню сложности:

1. «Борбаг» – «стабильная» неполадка. Она легко обнаруживается на этапе разработки и компилирования. Иногда – во время тестирования наработкой исходной программы.
2. «Гейзенбаг» – баги с поддержкой изменения свойств, включая зависимость от среды, в которой было запущено приложение. Сюда относят периодические неполадки в программах. Они могут исчезать на некоторое время, но через какой-то промежуток вновь дают о себе знать.
3. «Мандельбаг» – непредвиденные ошибки. Обладают энтропийным поведением. Предсказать, к чему они приведут, практически невозможно.
4. «Шрединбаг» – критические неполадки. Приводят к тому, что злоумышленники могут взломать программу. Данный тип ошибок обнаружить достаточно трудно, потому что они никак себя не проявляют.

Также есть классификация «по критичности». Тут всего два варианта – warning («варнинги») и критические весомые сбои. Первые сопровождаются характерными сообщениями и отчетами для разработчиков. Они не представляют серьезной опасности для работоспособности приложения. При компилировании такие сбои легко исправляются. В отдельных случаях компилятор справляется с этой задачей самостоятельно. А вот критические весомые сбои говорят сами за себя. Они приводят к серьезным нарушениям ПО. Исправляются обычно путем проработки логики и значительных изменений программного кода.

Типы багов

Ошибки в программах бывают:

• логическими;
• синтаксическими;
• взаимодействия;
• компиляционные;
• ресурсные;
• арифметические;
• среды выполнения.

Это – основная классификация сбоев в приложениях и операционных системах. Логические, синтаксические и «среды выполнения» встречаются в разработке чаще остальных. На них будет сделан основной акцент.

Ошибки синтаксиса

Синтаксические баги распространены среди новичков. Они относятся к категории «самых безобидных». С данной категорией ошибок способны справиться компиляторы тех или иных языков. Соответствующие инструменты показывают, где допущена неточность. Остается лишь понять, как исправить ее.

Синтаксические ошибки – ошибки синтаксиса, правил языка. Вот пример в Паскале:

Код написан неверно. Согласно действующим синтаксическим нормам, в Pascal в первой строчке нужно в конце поставить точку с запятой.

Логические

Тут стоит выделить обычные и арифметические типы. Вторые возникают, когда программе при работе необходимо вычислить много переменных, но на каком-то этапе расчетов возникают неполадки или нечто непредвиденное. Пример – получение в результатах «бесконечности».

Логические сбои обычного типа – самые сложные и неприятные. Их тяжелее всего обнаружить и исправить. С точки зрения языка программа может быть написана идеально, но работать неправильно. Подобное явление – следствие логической ошибки. Компиляторы их не обнаруживают.

Выше – пример логической ошибки в программе. Тут:

1. Происходит сравнение значения i с 15.
2. На экран выводится сообщение, если I = 15.
3. В заданном цикле i не будет равно 15. Связано это с диапазоном значений – от 1 до 10.

Может показаться, что ошибка безобидная. В приведенном примере так и есть, но в более крупных программах такое явление приводит к серьезным последствиям.

Время выполнения

Run-time сбои – это ошибка времени выполнения программы. Встречается даже когда исходный код лишен логических и синтаксических ошибок. Связаны такие неполадки с ходом выполнения программного продукта. Пример – в процессе функционирования ПО был удален файл, считываемый программой. Если игнорировать подобные неполадки, можно столкнуться с аварийным завершением работы контента.

Самый распространенный пример в данной категории – это неожиданное деление на ноль. Предложенный фрагмент кода с точки зрения синтаксиса и логики написан грамотно. Но, если клиент наберет 0, произойдет сбой системы.

Компиляционный тип

Встречается при разработке на языках высокого уровня. Во время преобразований в машинный тип «что-то идет не так». Причиной служат синтаксические ошибки или сбои непосредственно в компиляторе.

Наличие подобных неполадок делает бета-тестирование невозможным. Компиляционные ошибки устраняются при разработке-отладке.

Ресурсные

Ресурсный тип ошибок – это сбои вроде «переполнение буфера» или «нехватка памяти». Тесно связаны с «железом» устройства. Могут быть вызваны действиями пользователя. Пример – запуск «свежих» игр на стареньких компьютерах.

Исправить ситуацию помогают основательные работы над исходным кодом. А именно – полное переписывание программы или «проблемного» фрагмента.

Взаимодействие

Подразумевается взаимодействие с аппаратным или программным окружением. Пример – ошибка при использовании веб-протоколов. Это приведет к тому, что облачный сервис не будет нормально функционировать. При постоянном возникновении соответствующей неполадки остается один путь – полностью переписывать «проблемный» участок кода, ответственный за соответствующий баг.

Исключения и как избежать багов

Исключение – событие, при возникновении которых начинается «неправильное» поведение программы. Механизм, необходимый для стабилизации обработки неполадок независимо от типа ПО, платформ и иных условий. Помогают разрабатывать единые концепции ответа на баги со стороны операционной системы или контента.

Исключения бывают:

1. Программными. Они генерируются приложением или ОС.
2. Аппаратными. Создаются процессором. Пример – обращение к невыделенной памяти.

Исключения нужны для охвата критических багов. Избежать неполадок помогут отладчики на этапе разработки. А еще – своевременное поэтапное тестирование программы.

P. S. Большой выбор курсов по тестированию есть и в Otus. Присутствуют варианты как для продвинутых, так и для начинающих пользователей.

Отладка программы призвана выискивать «вредителей» кода и устранять их. За это отвечают отладчик и журналирование для вывода сведений о программе.

В предыдущей части мы рассмотрели исходный код и его составляющие.

После того, как вы начнете проверять фрагменты кода или попытаетесь решить связанные с ним проблемы, вы очень скоро поймете, что существуют моменты, когда программа крашится, прерывается и прекращает работу.

Это часто вызвано ошибками, известными как дефекты или исключительные ситуации во время выполнения. Акт обнаружения и удаления ошибок из нашего кода – это отладка программы. Вы лучше разберетесь в отладке на практике, используя ее как можно чаще. Мы не только отлаживаем собственный код, но и порой дебажим написанное другими программистами.

Для начала необходимо рассортировать общие ошибки, которые могут возникнуть в исходном коде.

Синтаксические ошибки

Эти эрроры не позволяют скомпилировать исходный код на компилируемых языках программирования. Они обнаруживаются во время компиляции или интерпретации исходного кода. Они также могут быть легко обнаружены статическими анализаторами (линтами). Подробнее о линтах мы узнаем немного позже.

Синтаксические ошибки в основном вызваны нарушением ожидаемой формы или структуры языка, на котором пишется программа. Как пример, это может быть отсутствующая закрывающая скобка в уравнении.

Семантические ошибки

Отладка программы может потребоваться и по причине семантических ошибок, также известных как логические. Они являются наиболее сложными из всех, потому что не могут быть легко обнаружены. Признак того, что существует семантическая ошибка, – это когда программа запускается, отрабатывает, но не дает желаемого результата.

Рассмотрим данный пример:

3 + 5 * 6

По порядку приоритета, называемому старшинством операции, с учетом математических правил мы ожидаем, что сначала будет оценена часть умножения, и окончательный результат будет равен 33. Если программист хотел, чтобы сначала происходило добавление двух чисел, следовало поступить иначе. Для этого используются круглые скобки, которые отвечают за смещение приоритетов в математической формуле. Исправленный пример должен выглядеть так:

(3 + 5) * 6

3 + 5, заключенные в скобки, дадут желаемый результат, а именно 48.

Ошибки в процессе выполнения

Как и семантические, ошибки во время выполнения никогда не обнаруживаются при компиляции. В отличие от семантических ошибок, эти прерывают программу и препятствуют ее дальнейшему выполнению. Они обычно вызваны неожиданным результатом некоторых вычислений в исходном коде.

Вот хороший пример:

input = 25
x = 0.8/(Math.sqrt(input) - 5)

Фрагмент кода выше будет скомпилирован успешно, но input 25 приведет к ZeroDivisionError. Это ошибка во время выполнения. Другим популярным примером является StackOverflowError или IndexOutofBoundError. Важно то, что вы идентифицируете эти ошибки и узнаете, как с ними бороться.

Существуют ошибки, связанные с тем, как ваш исходный код использует память и пространство на платформе или в среде, в которой он запущен. Они также являются ошибками во время выполнения. Такие ошибки, как OutOfMemoryErrorand и HeapError обычно вызваны тем, что ваш исходный код использует слишком много ресурсов. Хорошее знание алгоритмов поможет написать код, который лучше использует ресурсы. В этом и заключается отладка программы.

Процесс перезаписи кода для повышения производительности называется оптимизацией. Менее популярное наименование процесса – рефакторинг. Поскольку вы тратите больше времени на кодинг, то должны иметь это в виду.

Отладка программы

Вот несколько советов о том, как правильно выполнять отладку:

1. Использовать Linters. Linters – это инструменты, которые помогают считывать исходный код, чтобы проверить, соответствует ли он ожидаемому стандарту на выбранном языке программирования. Существуют линты для многих языков.
2. Превалирование IDE над простыми редакторами. Вы можете выбрать IDE, разработанную для языка, который изучаете. IDE – это интегрированные среды разработки. Они созданы для написания, отладки, компиляции и запуска кода. Jetbrains создают отличные IDE, такие как Webstorm и IntelliJ. Также есть NetBeans, Komodo, Qt, Android Studio, XCode (поставляется с Mac), etc.
3. Чтение кода вслух. Это полезно, когда вы ищете семантическую ошибку. Читая свой код вслух, есть большая вероятность, что вы зачитаете и ошибку.
4. Чтение логов. Когда компилятор отмечает Error, обязательно посмотрите, где он находится.

Двигаемся дальше

Поздравляем! Слово «ошибка» уже привычно для вас, равно как и «отладка программы». В качестве новичка вы можете изучать кодинг по книгам, онлайн-урокам или видео. И даже чужой код вам теперь не страшен

В процессе кодинга измените что-нибудь, чтобы понять, как он работает. Но будьте уверены в том, что сами написали.

Викторина

1. Какая ошибка допущена в фрагменте кода Python ниже?

items = [0,1,2,3,4,5]
print items[8]
//комментарий: элементы здесь представляют собой массив с шестью элементами. Например, чтобы получить 4-й элемент, вы будете использовать [3]. Мы начинаем отсчет с 0.

1. Какая ошибка допущена в фрагменте кода Python ниже?

input = Hippo'
if input == 'Hippo':
  print 'Hello, Hippo'

Ответы на вопросы

1. Ошибка выполнения: ошибка индекса вне диапазона.

2. Синтаксическая ошибка: Отсутствует стартовая кавычка в первой строке.

Существует две фундаментальные стратегии: обработка исправимых ошибок (исключения, коды возврата по ошибке, функции-обработчики) и неисправимых (assert(), abort()). В каких случаях какую стратегию лучше использовать?

Виды ошибок

Ошибки возникают по разным причинам: пользователь ввёл странные данные, ОС не может дать вам обработчика файла или код разыменовывает (dereferences) nullptr. Каждая из описанных ошибок требует к себе отдельного подхода. По причинам ошибки делятся на три основные категории:

• Пользовательские ошибки: здесь под пользователем подразумевается человек, сидящий перед компьютером и действительно «использующий» программу, а не какой-то программист, дёргающий ваш API. Такие ошибки возникают тогда, когда пользователь делает что-то неправильно.
• Системные ошибки появляются, когда ОС не может выполнить ваш запрос. Иными словами, причина системных ошибок — сбой вызова системного API. Некоторые возникают потому, что программист передал системному вызову плохие параметры, так что это скорее программистская ошибка, а не системная.
• Программистские ошибки случаются, когда программист не учитывает предварительные условия API или языка программирования. Если API требует, чтобы вы не вызывали foo() с 0 в качестве первого параметра, а вы это сделали, — виноват программист. Если пользователь ввёл 0, который был передан foo(), а программист не написал проверку вводимых данных, то это опять же его вина.

Каждая из описанных категорий ошибок требует особого подхода к их обработке.

Пользовательские ошибки

Сделаю очень громкое заявление: такие ошибки — на самом деле не ошибки.

Все пользователи не соблюдают инструкции. Программист, имеющий дело с данными, которые вводят люди, должен ожидать, что вводить будут именно плохие данные. Поэтому первым делом нужно проверять их на валидность, сообщать пользователю об обнаруженных ошибках и просить ввести заново.

Поэтому не имеет смысла применять к пользовательским ошибкам какие-либо стратегии обработки. Вводимые данные нужно как можно скорее проверять, чтобы ошибок не возникало.

Конечно, такое не всегда возможно. Иногда проверять вводимые данные слишком дорого, иногда это не позволяет сделать архитектура кода или разделение ответственности. Но в таких случаях ошибки должны обрабатываться однозначно как исправимые. Иначе, допустим, ваша офисная программа будет падать из-за того, что вы нажали backspace в пустом документе, или ваша игра станет вылетать при попытке выстрелить из разряженного оружия.

Если в качестве стратегии обработки исправимых ошибок вы предпочитаете исключения, то будьте осторожны: исключения предназначены только для исключительных ситуаций, к которым не относится большинство случаев ввода пользователями неверных данных. По сути, это даже норма, по мнению многих приложений. Используйте исключения только тогда, когда пользовательские ошибки обнаруживаются в глубине стека вызовов, вероятно, внешнего кода, когда они возникают редко или проявляются очень жёстко. В противном случае лучше сообщать об ошибках с помощью кодов возврата.

Системные ошибки

Обычно системные ошибки нельзя предсказать. Более того, они недетерминистские и могут возникать в программах, которые до этого работали без нареканий. В отличие от пользовательских ошибок, зависящих исключительно от вводимых данных, системные ошибки — настоящие ошибки.

Но как их обрабатывать, как исправимые или неисправимые?

Это зависит от обстоятельств.

Многие считают, что ошибка нехватки памяти — неисправимая. Зачастую не хватает памяти даже для обработки этой ошибки! И тогда приходится просто сразу же прерывать выполнение.

Но падение программы из-за того, что ОС не может выделить сокет, — это не слишком дружелюбное поведение. Так что лучше бросить исключение и позволить catch аккуратно закрыть программу.

Но бросание исключения — не всегда правильный выбор.

Кто-то даже скажет, что он всегда неправильный.

Если вы хотите повторить операцию после её сбоя, то обёртывание функции в try-catch в цикле — медленное решение. Правильный выбор — возврат кода ошибки и цикличное исполнение, пока не будет возвращено правильное значение.

Если вы создаёте вызов API только для себя, то просто выберите подходящий для своей ситуации путь и следуйте ему. Но если вы пишете библиотеку, то не знаете, чего хотят пользователи. Дальше мы разберём подходящую стратегию для этого случая. Для потенциально неисправимых ошибок подойдёт «обработчик ошибок», а при других ошибках необходимо предоставить два варианта развития событий.

Обратите внимание, что не следует использовать подтверждения (assertions), включающиеся только в режиме отладки. Ведь системные ошибки могут возникать и в релизной сборке!

Программистские ошибки

Это худший вид ошибок. Для их обработки я стараюсь сделать так, чтобы мои ошибки были связаны только с вызовами функций, то есть с плохими параметрами. Прочие типы программистских ошибок могут быть пойманы только в runtime, с помощью отладочных макросов (assertion macros), раскиданных по коду.

При работе с плохими параметрами есть две стратегии: дать им определённое или неопределённое поведение.

Если исходное требование для функции — запрет на передачу ей плохих параметров, то, если их передать, это считается неопределённым поведением и должно проверяться не самой функцией, а оператором вызова (caller). Функция должна делать только отладочное подтверждение (debug assertion).

С другой стороны, если отсутствие плохих параметров не является частью исходных требований, а документация определяет, что функция будет бросать bad_parameter_exception при передаче ей плохого параметра, то передача — это хорошо определённое поведение (бросание исключения или любая другая стратегия обработки исправимых ошибок), и функция всегда должна это проверять.

В качестве примера рассмотрим получающие функции (accessor functions) std::vector<T>: в спецификации на operator[] говорится, что индекс должен быть в пределах валидного диапазона, при этом at() сообщает нам, что функция кинет исключение, если индекс не попадает в диапазон. Более того, большинство реализаций стандартных библиотек обеспечивают режим отладки, в котором проверяется индекс operator[], но технически это неопределённое поведение, оно не обязано проверяться.

Примечание: необязательно бросать исключение, чтобы получилось определённое поведение. Пока это не упомянуто в исходных условиях для функции, это считается определённым. Всё, что прописано в исходных условиях, не должно проверяться функцией, это неопределённое поведение.

Когда нужно проверять только с помощью отладочных подтверждений, а когда — постоянно?

К сожалению, однозначного рецепта нет, решение зависит от конкретной ситуации. У меня есть лишь одно проверенное правило, которому я следую при разработке API. Оно основано на наблюдении, что проверять исходные условия должен вызывающий, а не вызываемый. А значит, условие должно быть «проверяемым» для вызывающего. Также условие «проверяемое», если можно легко выполнить операцию, при которой значение параметра всегда будет правильным. Если для параметра это возможно, то это получается исходное условие, а значит, проверяется только посредством отладочного подтверждения (а если слишком дорого, то вообще не проверяется).

Но конечное решение зависит от многих других факторов, так что очень трудно дать какой-то общий совет. По умолчанию я стараюсь свести к неопределённому поведению и использованию только подтверждений. Иногда бывает целесообразно обеспечить оба варианта, как это делает стандартная библиотека с operator[] и at().

Хотя в ряде случаев это может быть ошибкой.

Об иерархии std::exception

Если в качестве стратегии обработки исправимых ошибок вы выбрали исключения, то рекомендуется создать новый класс и наследовать его от одного из классов исключений стандартной библиотеки.

Я предлагаю наследовать только от одного из этих четырёх классов:

• std::bad_alloc: для сбоев выделения памяти.
• std::runtime_error: для общих runtime-ошибок.
• std::system_error (производное от std::runtime_error): для системных ошибок с кодами ошибок.
• std::logic_error: для программистских ошибок с определённым поведением.

Обратите внимание, что в стандартной библиотеке разделяются логические (то есть программистские) и runtime-ошибки. Runtime-ошибки — более широкое определение, чем «системные». Оно описывает «ошибки, обнаруживаемые только при выполнении программы». Такая формулировка не слишком информативна. Лично я использую её для плохих параметров, которые не являются исключительно программистскими ошибками, а могут возникнуть и по вине пользователей. Но это можно определить лишь глубоко в стеке вызовов. Например, плохое форматирование комментариев в standardese приводит к исключению при парсинге, проистекающему из std::runtime_error. Позднее оно ловится на соответствующем уровне и фиксируется в логе. Но я не стал бы использовать этот класс иначе, как и std::logic_error.

Подведём итоги

Есть два пути обработки ошибок:

• как исправимые: используются исключения или возвращаемые значения (в зависимости от ситуации/религии);
• как неисправимые: ошибки журналируются, а программа прерывается.

Подтверждения — это особый вид стратегии обработки неисправимых ошибок, только в режиме отладки.

Есть три основных источника ошибок, каждый требует особого подхода:

• Пользовательские ошибки не должны обрабатываться как ошибки на верхних уровнях программы. Всё, что вводит пользователь, должно проверяться соответствующим образом. Это может обрабатываться как ошибки только на нижних уровнях, которые не взаимодействуют с пользователями напрямую. Применяется стратегия обработки исправимых ошибок.
• Системные ошибки могут обрабатываться в рамках любой из двух стратегий, в зависимости от типа и тяжести. Библиотеки должны работать как можно гибче.
• Программистские ошибки, то есть плохие параметры, могут быть запрещены исходными условиями. В этом случае функция должна использовать только проверку с помощью отладочных подтверждений. Если же речь идёт о полностью определённом поведении, то функции следует предписанным образом сообщать об ошибке. Я стараюсь по умолчанию следовать сценарию с неопределённым поведением и определяю для функции проверку параметров лишь тогда, когда это слишком трудно сделать на стороне вызывающего.

Гибкие методики обработки ошибок в C++

Иногда что-то не работает. Пользователи вводят данные в недопустимом формате, файл не обнаруживается, сетевое соединение сбоит, в системе кончается память. Всё это ошибки, и их надо обрабатывать.

Это относительно легко сделать в высокоуровневых функциях. Вы точно знаете, почему что-то пошло не так, и можете обработать это соответствующим образом. Но в случае с низкоуровневыми функциями всё не так просто. Они не знают, что пошло не так, они знают лишь о самом факте сбоя и должны сообщить об этом тому, кто их вызвал.

В C++ есть два основных подхода: коды возврата ошибок и исключения. Сегодня широко распространено использование исключений. Но некоторые не могут / думают, что не могут / не хотят их использовать — по разным причинам.

Я не буду принимать чью-либо сторону. Вместо этого я опишу методики, которые удовлетворят сторонников обоих подходов. Особенно методики пригодятся разработчикам библиотек.

Проблема

Я работаю над проектом foonathan/memory. Это решение предоставляет различные классы выделения памяти (allocator classes), так что в качестве примера рассмотрим структуру функции выделения.

Для простоты возьмём malloc(). Она возвращает указатель на выделяемую память. Если выделить память не получается, то возвращается nullptr, то есть NULL, то есть ошибочное значение.

У этого решения есть недостатки: вам нужно проверять каждый вызов malloc(). Если вы забудете это сделать, то выделите несуществующую память. Кроме того, по своей натуре коды ошибок транзитивны: если вызвать функцию, которая может вернуть код ошибки, и вы не можете его проигнорировать или обработать, то вы тоже должны вернуть код ошибки.

Это приводит нас к ситуации, когда чередуются нормальные и ошибочные ветви кода. Исключения в таком случае выглядят более подходящим решением. Благодаря им вы сможете обрабатывать ошибки только тогда, когда вам это нужно, а в противном случае — достаточно тихо передать их обратно вызывающему.

Это можно расценить как недостаток.

Но в подобных ситуациях исключения имеют также очень большое преимущество: функция выделения памяти либо возвращает валидную память, либо вообще ничего не возвращает. Это функция «всё или ничего», возвращаемое значение всегда будет валидным. Это полезное следствие согласно принципу Скотта Майера «Make interfaces hard to use incorrectly and easy to use correctly».

Учитывая вышесказанное, можно утверждать, что вам следует использовать исключения в качестве механизма обработки ошибок. Этого мнения придерживается большинство разработчиков на С++, включая и меня. Но проект, которым я занимаюсь, — это библиотека, предоставляющая средства выделения памяти, и предназначена она для приложений, работающих в реальном времени. Для большинства разработчиков подобных приложений (особенно для игроделов) само использование исключений — исключение.

Каламбур детектед.

Чтобы уважить эту группу разработчиков, моей библиотеке лучше обойтись без исключений. Но мне и многим другим они нравятся за элегантность и простоту обработки ошибок, так что ради других разработчиков моей библиотеке лучше использовать исключения.

Так что же делать?

Идеальное решение: возможность включать и отключать исключения по желанию. Но, учитывая природу исключений, нельзя просто менять их местами с кодами ошибок, поскольку у нас не будет внутреннего кода проверки на ошибки — весь внутренний код опирается на предположение о прозрачности исключений. И даже если бы внутри можно было использовать коды ошибок и преобразовывать их в исключения, это лишило бы нас большинства преимуществ последних.

К счастью, я могу определить, что вы делаете, когда обнаруживаете ошибку нехватки памяти: чаще всего вы журналируете это событие и прерываете программу, поскольку она не может корректно работать без памяти. В таких ситуациях исключения — просто способ передачи контроля другой части кода, которая журналирует и прерывает программу. Но есть старый и эффективный способ передачи контроля: указатель функции (function pointer), то есть функция-обработчик (handler function).

Если у вас включены исключения, то вы просто их бросаете. В противном случае вызываете функцию-обработчика и затем прерываете программу. Это предотвратит бесполезную работу функции-обработчика, та позволит программе продолжить выполняться в обычном режиме. Если не прервать, то произойдёт нарушение обязательного постусловия функции: всегда возвращать валидный указатель. Ведь на выполнении этого условия может быть построена работа другого кода, да и вообще это нормальное поведение.

Я называю такой подход обработкой исключений и придерживаюсь его при работе с памятью.

Решение 1: обработчик исключений

Если вам нужно обработать ошибку в условиях, когда наиболее распространённым поведением будет «журналировать и прервать», то можно использовать обработчика исключений. Это такая функция-обработчик, которая вызывается вместо бросания объекта-исключения. Её довольно легко реализовать даже в уже существующем коде. Для этого нужно поместить управление обработкой в класс исключений и обернуть в макрос выражение throw.

Сначала дополним класс и добавим функции для настройки и, возможно, запрашивания функции-обработчика. Я предлагаю делать это так же, как стандартная библиотека обрабатывает std::new_handler:

class my_fatal_error
{
public:
    // тип обработчика, он должен брать те же параметры, что и конструктор,
    // чтобы у них была одинаковая информация
    using handler = void(*)( ... );

    // меняет функцию-обработчика
    handler set_handler(handler h);

    // возвращает текущего обработчика
    handler get_handler();

    ... // нормальное исключение
};

Поскольку это входит в область видимости класса исключений, вам не нужно именовать каким-то особым образом. Отлично, нам же легче.

Если исключения включены, то для удаления обработчика можно использовать условное компилирование (conditional compilation). Если хотите, то также напишите обычный подмешанный класс (mixin class), дающий требуемую функциональность.

Конструктор исключений элегантен: он вызывает текущую функцию-обработчика, передавая ей требуемые аргументы из своих параметров. А затем комбинирует с последующим макросом throw:

If```cpp #if EXCEPTIONS #define THROW(Ex) throw (Ex) #else #define THROW(Ex) (Ex), std::abort() #endif

> Такой макрос throw также предоставляется [foonathan/compatiblity](https://github.com/foonathan/compatibility).

Можно использовать его и так:

```cpp
THROW(my_fatal_error(...))

Если у вас включена поддержка исключений, то будет создан и брошен объект-исключение, всё как обычно. Но если поддержка выключена, то объект-исключение всё равно будет создан, и — это важно — только после этого произойдёт вызов std::abort(). А поскольку конструктор вызывает функцию-обработчика, то он и работает, как требуется: вы получаете точку настройки для журналирования ошибки. Благодаря же вызову std::abort() после конструктора пользователь не может нарушить постусловие.

Когда я работаю с памятью, то при включённых исключениях у меня также включён и обработчик, который вызывается при бросании исключения.

Так что при этой методике вам ещё будет доступна определённая степень кастомизации, даже если вы отключите исключения. Конечно, замена неполноценная, мы только журналируем и прерываем работу программы, без дальнейшего продолжения. Но в ряде случаев, в том числе при исчерпании памяти, это вполне пригодное решение.

А если я хочу продолжить работу после бросания исключения?

Методика с обработчиком исключений не позволяет этого сделать в связи с постусловием кода. Как же тогда продолжить работу?

Ответ прост — никак. По крайней мере, это нельзя сделать так же просто, как в других случаях. Нельзя просто так вернуть код ошибки вместо исключения, если функция на это не рассчитана.
Есть только одно решение: сделать две функции. Одна возвращает код ошибки, а вторая бросает исключения. Клиенты, которым нужны исключения, будут использовать второй вариант, остальные — первый.

Извините, что говорю такие очевидные вещи, но ради полноты изложения я должен был об этом сказать.

Для примера снова возьмём функцию выделения памяти. В этом случае я использую такие функции:

void* try_malloc(..., int &error_code) noexcept;

void* malloc(...);

При сбое выделения памяти первая версия возвращает nullptr и устанавливает error_code в коде ошибки. Вторая версия не возвращает nullptr, зато бросает исключение. Обратите внимание, что в рамках первой версии очень легко реализовать вторую:

void* malloc(...)
{
    auto error_code = 0;
    auto res = try_malloc(..., error_code);
    if (!res)
        throw malloc_error(error_code);
    return res;
}

Не делайте этого в обратной последовательности, иначе вам придётся ловить исключение, а это дорого. Также это не даст нам скомпилировать код без включённой поддержки исключений. Если сделаете, как показано, то можете просто стереть другую перегрузку (overload) с помощью условного компилирования.

Но даже если у вас включена поддержка исключений, клиенту всё равно может понадобиться вторая версия. Например, когда нужно выделить наибольший возможный объём памяти, как в нашем примере. Будет проще и быстрее вызывать в цикле и проверять по условию, чем ловить исключение.

Решение 2: предоставить две перегрузки

Если недостаточно обработчика исключений, то нужно предоставить две перегрузки. Одна использует код возврата, а вторая бросает исключение.

Если рассматриваемая функция не имеет возвращаемого значения, то можете её использовать для кода ошибки. В противном случае вам придётся возвращать недопустимое значение для сигнализирования об ошибке — как nullptr в вышеприведённом примере, — а также установить выходной параметр для кода ошибки, если хотите предоставить вызывающему дополнительную информацию.

Пожалуйста, не используйте глобальную переменную errno или что-то типа GetLastError()!

Если возвращаемое значение не содержит недопустимое значение для обозначения сбоя, то по мере возможности используйте std::optional или что-то похожее.

Перегрузка исключения (exception overload) может — и должна — быть реализована в рамках версии с кодом ошибки, как это показано выше. Если компилируете без исключений, сотрите перегрузку с помощью условного компилирования.

std::system_error

Подобная система идеально подходит для работы с кодами ошибок в С++ 11.

Она возвращает непортируемый (non-portable) код ошибки std::error_code, то есть возвращаемый функцией операционной системы. С помощью сложной системы библиотечных средств и категорий ошибок вы можете добавить собственные коды ошибок, или портируемые std::error_condition. Для начала почитайте об этом здесь. Если нужно, то можете использовать в функции кода ошибки std::error_code. А для функции исключения есть подходящий класс исключения: std::system_error. Он берёт std::error_code и применяется для передачи этих ошибок в виде исключений.

Эту или подобную систему должны использовать все низкоуровневые функции, являющиеся закрытыми обёртками ОС-функций. Это хорошая — хотя и сложная — альтернатива службе кодов ошибок, предоставляемой операционной системой.

Да, и мне ещё нужно добавить подобное в функции виртуальной памяти. На сегодняшний день они не предоставляют коды ошибок.

std::expected

Выше упоминалось о проблеме, когда у вас нет возвращаемого значения, содержащего недопустимое значение, которое можно использовать для сигнализирования об ошибке. Более того, выходной параметр — не лучший способ получения кода ошибки.

А глобальные переменные вообще не вариант!

В № 4109 предложено решение: std::expected. Это шаблон класса, который также хранит возвращаемое значение или код ошибки. В вышеприведённом примере он мог бы использоваться так:

std::expected<void*, std::error_code> try_malloc(...);

В случае успеха std::expected будет хранить не-null указатель памяти, а при сбое — std::error_code. Сейчас эта методика работает при любых возвращаемых значениях. Комбинация std::expected и функции исключения определённо допускает любые варианты использования.

Заключение

Если вы создаёте библиотеки, то иногда приходится обеспечивать максимальную гибкость использования. Под этим подразумевается и разнообразие средств обработки ошибок: иногда требуются коды возврата, иногда — исключения.

Одна из возможных стратегий — улаживание этих противоречий с помощью обработчика исключений. Просто удостоверьтесь, что когда нужно, то вызывается callback, а не бросается исключение. Это замена для критических ошибок, которая в любом случае будет журналироваться перед прерыванием работы программы. Как таковой этот способ не универсален, вы не можете переключаться в одной программе между двумя версиями. Это лишь обходное решение при отключённой поддержке исключений.

Более гибкий подход — просто предоставить две перегрузки, одну с исключениями, а вторую без. Это даст пользователям максимальную свободу, они смогут выбирать ту версию, что лучше подходит в их ситуации. Недостаток этого подхода: вам придётся больше потрудиться при создании библиотеки.

Ошибки в программах – дело обыденное. Приложения зависают, вылетают, перестают запускаться. В простейшем случае пользователь решает проблему переустановкой ПО или чисткой от «мусора». Разработчикам же нужно четко понимать, что такое баг, как исправить его и каким образом получить своевременную обратную связь от пользователей.

Что такое баг?

Термин «баг» (в переводе «жук») у программистов обозначает ситуацию, когда определенный код выдает неверный результат. Причины возникновения разные: ошибки в исходном коде, интерфейсе программы или некорректной работе компилятора. Обнаруживают их на этапе отладки или уже на стадии бета-тестирования, выпуска продукта на рынок.

Варианты ошибок:

1. Появилось сообщение об ошибке, программа продолжает работу.
2. Приложение зависает или вылетает без каких-либо предупреждений.
3. Происходит одно из событий с одновременной отправкой отчета разработчику.

Сложнее всего работать с компьютерными играми, в которых чаще используют термин «краш» (crash). Он означает критическую проблему при запуске или использовании программы. Когда говорят о багах, то чаще имеют в виду сбои графики, например, если игрок «проваливается в текстуры».

Классификация багов

Точка зрения пользователей часто не совпадает с мнением программистов. Так, для первых всего лишь произошел сбой, «приложение перестало работать». Кодеру же предстоит головная боль с определением источника проблемы. Ведь ошибка в программе, вероятно, проявляется лишь на конкретном железе или при сочетании с другим софтом (часто с антивирусами).

Баги делят на категории в зависимости от их критичности:

1. незначительные ошибки,
2. серьезные ошибки,
3. showstopper.

Последние указывают на критическую программную или аппаратную проблему, из-за которой ПО теряет свою функциональность практически на 100%. Например, не удается авторизоваться через логин-пароль или перестала работать кнопка «Далее». Поэтому таким ошибкам отдают приоритет.

Также есть деление ошибок по частоте проявления. Проще всего исправлять постоянные, возникающие при одних и тех же обстоятельствах, независимо от платформы, аппаратной части компьютера или каких-то действий пользователя. Сложность возрастает при периодических сбоях, когда причиной вполне может оказаться глючная оперативная память или ошибки накопителей.

Есть вариант, когда проблема возникает только на машине конкретного клиента. Здесь приходится либо заказывать индивидуальную «работу над ошибками», либо менять компьютер. Потому что ПО для массового пользователя никто не будет редактировать из-за «одного». Только если наберется некая критическая масса одинаковых случаев.

Разновидности ошибок

Программисту еще важно деление на разные типы ошибок приложений исходя из типовых условий их эксплуатации. Например, возникающие при повышении нагрузки на процессор, в интерфейсе, в модуле обработки входящих данных. Существуют баги граничных условий, сбоя идентификаторов, банальной несовместимости с архитектурой процессора (чаще в мобильных устройствах).

Кодеры делят ошибки по сложности:

1. Борбаг (Bohr Bug) – «стабильная» ошибка, легко выявляемая еще на этапе отладки или при бета-тестировании, когда речь еще не идет о выпуске стабильной версии.
2. Гейзенбаг (Heisenbug) – периодически проявляющиеся, иногда надолго исчезающие баги с меняющимися свойствами, включая зависимость от программной среды, «железа».
3. Мандельбаг (Mandelbug) – ошибка с энтропийным поведением, почти с непредсказуемым результатом.
4. Шрединбаг (Schroedinbug) – критические баги, чаще приводящие к появлению возможности взлома, хотя внешне никак себя не проявляют.

Последняя категория ошибок – одна из основных причин регулярного обновления операционных систем Windows. Вроде бы пользователя все устраивает, а разработчик раз за разом выпускает новые пакеты исправлений. Наиболее известный баг, попортивший нервы многим кодерам, это «ошибка 2000 года» (Y2K Error). Про нее успешно забыли, но уроки извлекли.

Программисты различают и те ошибки, что мешают скомпилировать программу, и ворнинги. Вторая категория представляет собой лишь предупреждение о найденных «косяках» в коде, но они не мешают ни сборке ПО, ни последующей эксплуатации. Например, речь идет об отсутствии точки или точки запятой в синтаксисе, когда компилятор способен сам решить проблему.

Логические

Наиболее серьезная из ошибок. Такие баги приводят к изменению функционирования программы вопреки техническому заданию. К чему это приведет, никто не знает – могут записаться на диске «не те данные», некорректно измениться важные документы или предоставиться доступ к коммерческой информации без авторизации. Исправить их получится только при знании изначальной логики.

Синтаксические

Ошибки синтаксиса существуют на уровне конкретного языка программирования: C, Java, Python, Perl и т.д. Что на одной платформе работает максимум с ворнингами, для другой будет серьезной проблемой. Такие баги легко исправить на этапе компиляции, потому что инструмент не позволит «пройти дальше» некорректного участка кода.

Компиляционные

Ситуация происходит, когда код, написанный на языке высокого уровня, преобразуют в «простой», машиночитаемый. Причиной может служить как серьезная ошибка в синтаксисе, так и сбои в самом компиляторе. Такие баги устраняют на этапе разработки-отладки программ, потому что выпустить их даже для бета-тестирования не получится.

Среды выполнения

Так называемые ошибки Run-Time. Проявляются в скомпилированных программах, при запуске. Например, из-за нехватки ресурсов на машине, в результате аварийной ситуации (поломка памяти, носителя, устройств ввода-вывода). Такое происходит, если разработчик не учел реальных условий работы; придется вернуться к стадии проработки логики.

Арифметические

Одна из разновидностей логических ошибок. Происходят, когда программа при работе вычисляет массу переменных, но на каком-то этапе происходит непредвиденное. Например, деление на ноль или же приложение получает «бесконечный» результат. Изменить ситуацию получится только на уровне кода, внедренного в него алгоритма.

Ресурсные

Преимущественно к этой категории относят ошибки типа «переполнение буфера». Программист не учел необходимость очистки памяти перед размещением новых данных. Или интерфейс разработан без учета типовых разрешений экранов, и его элементы постоянно «съезжают», нарушается логика срабатывания кнопок и т.д. Исправить получится только переписыванием части кода.

Взаимодействия

Речь идет о взаимодействии с аппаратным или программным окружением. В случае с приложением для облачного ресурса программист мог допустить ошибку при использовании веб-протоколов. При постоянном появлении ошибки остается только переписывать участок кода, ответственный за появление бага, иначе программа останется неработоспособной.

Что такое исключение

Снизить риски появления непредвиденных ошибок позволяет внедрение в программу исключений. Это события, при возникновении которых начинается «неправильное» поведение. Такой механизм позволяет систематизировать обработку багов независимо от типа приложения, платформы и иных условий. И разработать единую систему реагирования, например, со стороны операционки.

Существуют программные и аппаратные исключения. Первые генерируются самой программой и ОС, под которой она запущена. К аппаратным относятся те, что создаются процессором. Например, деление на 0, переполнение буфера, обращение к невыделенной памяти. Исключениями кодеры охватывают наиболее серьезные, критические баги.

Как избежать ошибок?

Существует два эффективных способа избежать проблем еще на стадии разработки. Первый – это отладка при помощи специальных программ. Они отображают результаты выполнения в цифрах, которые объективно показывают кодеру, правильно ли был обработан следующий участок кода или нужно искать закравшуюся ошибку.

Второй способ представляет собой привлечение специальных людей, тестировщиков. Они помогут разобраться с работоспособностью интерфейса в различных ситуациях, на разных платформах. Это происходит максимально приближенно к реальным условиям. Поэтому любой серьезный продукт проходит такую стадию обязательно.

Выводы

Баги – сопутствующий фактор любой разработки. Большую их часть пользователь не видит, потому что устраняются они еще в «лаборатории», на этапе альфа-тестирования. В бета-версии попадают уже незначительные ошибки, например, связанные с конкретными «узкими» условиями эксплуатации. Редкие проблемы помогают решать краш-репорты – отчеты, отсылаемые производителю самой программой. 

Исключения в программировании (exceptions) — это механизм, который позволяет программе обрабатывать нетипичную ситуацию и при этом не прекращать работу. Благодаря этому механизму разработчик может описать в коде реакцию программы на такие ситуации.

Добавлено 30 мая 2021 в 21:14

В уроке «7.14 – Распространенные семантические ошибки при программировании на C++» мы рассмотрели многие типы распространенных семантических ошибок, с которыми сталкиваются начинающие программисты при работе с языком C++. Если ошибка является результатом неправильного использования языковой функции или логической ошибки, исправить ее можно просто.

Но большинство ошибок в программе возникает не в результате непреднамеренного неправильного использования языковых функций – скорее, большинство ошибок возникает из-за ошибочных предположений, сделанных программистом, и/или из-за отсутствия надлежащего обнаружения/обработки ошибок.

Например, в функции, предназначенной для поиска оценки учащегося, вы могли предположить, что:

• просматриваемый студент будет существовать;
• имена всех студентов будут уникальными;
• в предмете используется числовая оценка (вместо «зачет/незачет»).

Что, если какое-либо из этих предположений неверно? Если программист не предвидел этих случаев, программа при возникновении таких случаев, скорее всего, завершится со сбоем (обычно в какой-то момент в будущем, через долгое время после того, как функция была написана).

Есть три ключевых места, где обычно возникают ошибки предположений:

• Когда функция возвращает значение, программист мог предположить, что вызов функции будет успешным, хотя это не так.
• Когда программа получает входные данные (либо от пользователя, либо из файла), программист мог предположить, что ввод будет в правильном формате и семантически корректен, хотя это не так.
• Когда функция была вызвана, программист мог предположить, что параметры будут семантически допустимыми, хотя это не так.

Многие начинающие программисты пишут код, а затем проверяют только счастливый путь: только те случаи, когда ошибок нет. Но вы также должны планировать и проверять печальные пути, на которых что-то может пойти и пойдет не так. В уроке «3.10 – Поиск проблем до того, как они станут проблемами», мы определили защитное программирование как попытку предвидеть все способы неправильного использования программного обеспечения конечными пользователями или разработчиками (либо самим программистом, либо другими). Как только вы ожидаете (или обнаруживаете) какое-то неправильное использование, следующее, что вам нужно сделать, – это обработать его.

В этом уроке мы поговорим о стратегиях обработки ошибок (что делать, если что-то пойдет не так) внутри функции. В следующих уроках мы поговорим о проверке ввода данных пользователем, а затем представим полезный инструмент, помогающий документировать и проверять предположения.

Обработка ошибок в функциях

Функции могут давать сбой по любому количеству причин – вызывающий мог передать аргумент с недопустимым значением, или что-то может дать сбой в теле функции. Например, функция, открывающая файл для чтения, может не работать, если файл не может быть найден.

Когда это произойдет, в вашем распоряжении будет несколько вариантов. Лучшего способа справиться с ошибкой нет – это на самом деле зависит от характера проблемы и от того, можно ли устранить проблему или нет.

Можно использовать 4 основные стратегии:

• обработать ошибку в функции;
• передать ошибку вызывающему, чтобы он разобрался с ней;
• остановить программу;
• выбросить исключение.

Обработка ошибки в функции

Если возможно, наилучшей стратегией является восстановление после ошибки в той же функции, в которой возникла ошибка, так, чтобы ошибку можно было локализовать и исправить, не влияя на какой-либо код вне функции. Здесь есть два варианта: повторять попытки до успешного завершения или отменить выполняемую операцию.

Если ошибка возникла из-за чего-то, не зависящего от программы, программа может повторять попытку, пока не будет достигнут успех. Например, если программе требуется подключение к Интернету, и пользователь потерял соединение, программа может отобразить предупреждение, а затем использовать цикл для периодической повторной проверки подключения к Интернету. В качестве альтернативы, если пользователь ввел недопустимые входные данные, программа может попросить пользователя повторить попытку и выполнять этот цикл до тех пор, пока пользователь не введет корректные входные данные. Мы покажем примеры обработки недопустимого ввода и использования циклов для повторных попыток в следующем уроке (7.16 – std::cin и обработка недопустимого ввода).

Альтернативная стратегия – просто игнорировать ошибку и/или отменить операцию. Например:

void printDivision(int x, int y)
{
    if (y != 0)
        std::cout << static_cast<double>(x) / y;
}

В приведенном выше примере, если пользователь ввел недопустимое значение для y, мы просто игнорируем запрос на печать результата операции деления. Основная проблема при этом заключается в том, что у вызывающей функции или у пользователя нет возможности определить, что что-то пошло не так. В таком случае может оказаться полезным напечатать сообщение об ошибке:

void printDivision(int x, int y)
{
    if (y != 0)
        std::cout << static_cast<double>(x) / y;
    else
        std::cerr << "Error: Could not divide by zeron";
}

Однако если вызывающая функция ожидает, что вызываемая функция выдаст возвращаемое значение или какой-либо полезный побочный эффект, тогда просто игнорирование ошибки может быть недопустимым вариантом.

Передача ошибок вызывающей функции

Во многих случаях обработать ошибку с помощью функции, которая ее обнаруживает, невозможно. Например, рассмотрим следующую функцию:

double doDivision(int x, int y)
{
    return static_cast<double>(x) / y;
}

Если y равно 0, что нам делать? Мы не можем просто пропустить логику программы, потому что функция должна возвращать какое-то значение. Мы не должны просить пользователя ввести новое значение для y, потому что это функция вычисления, и введение в нее процедур ввода может быть или не быть подходящим для программы, вызывающей эту функцию.

В таких случаях лучшим вариантом может быть передача ошибки обратно вызывающей функции в надежде, что вызывающая сторона сможет с ней справиться.

Как мы можем это сделать?

Если функция имеет тип возвращаемого значения void, его можно изменить, чтобы она возвращала логическое значение, указывающее на успех или на неудачу. Например, вместо:

void printDivision(int x, int y)
{
    if (y != 0)
        std::cout << static_cast<double>(x) / y;
    else
        std::cerr << "Error: Could not divide by zeron";
}

Мы можем сделать так:

bool printDivision(int x, int y)
{
    if (y == 0)
    {
        std::cerr << "Error: could not divide by zeron";
        return false;
    }
    
    std::cout << static_cast<double>(x) / y;
 
    return true;
}

Таким образом, вызывающий может проверить возвращаемое значение, чтобы узнать, не завершилась ли функция по какой-либо причине неудачей.

Если функция возвращает обычное значение, всё немного сложнее. В некоторых случаях полный диапазон возвращаемых значений не используется. В таких случаях, чтобы указать на ошибку, мы можем использовать возвращаемое значение, которое иначе было бы невозможно. Например, рассмотрим следующую функцию:

// Обратное (reciprocal) к x равно 1/x
double reciprocal(double x)
{
    return 1.0 / x;
}

Обратное к некоторому числу x определяется как 1/x, а число, умноженное на обратное, равно 1.

Однако что произойдет, если пользователь вызовет эту функцию как reciprocal(0.0)? Мы получаем ошибку деления на ноль и сбой программы, поэтому очевидно, что мы должны защититься от этого случая. Но эта функция должна возвращать значение doube, так какое же значение мы должны вернуть? Оказывается, эта функция никогда не выдаст 0.0 как допустимый результат, поэтому мы можем вернуть 0.0, чтобы указать на случай ошибки.

// Обратное (reciprocal) к x равно 1/x; возвращает 0.0, если x=0
double reciprocal(double x)
{
    if (x == 0.0)
       return 0.0;
 
    return 1.0 / x;
}

Однако если требуется полный диапазон возвращаемых значений, то использование возвращаемого значения для указания ошибки будет невозможно (поскольку вызывающий не сможет определить, является ли возвращаемое значение допустимым значением или значением ошибки). В таком случае выходной параметр (рассмотренный в уроке «11.3 – Передача аргументов по ссылке») может быть жизнеспособным вариантом.

Фатальные ошибки

Если ошибка настолько серьезна, что программа не может продолжать работать правильно, она называется неисправимой ошибкой (или фатальной ошибкой). В таких случаях лучше всего завершить программу. Если ваш код находится в main() или в функции, вызываемой непосредственно из main(), лучше всего позволить main() вернуть ненулевой код состояния. Однако если вы погрузились в какую-то глубоко вложенную подфункцию, передать ошибку обратно в main() может быть неудобно или невозможно. В таком случае можно использовать инструкцию остановки (например, std::exit()).

Например:

double doDivision(int x, int y)
{
    if (y == 0)
    {
        std::cerr << "Error: Could not divide by zeron";
        std::exit(1);
    }
    return static_cast<double>(x) / y;
}

Исключения

Поскольку возврат ошибки из функции обратно вызывающей функции сложен (и множество различных способов сделать это приводит к несогласованности, а несогласованность ведет к ошибкам), C++ предлагает совершенно отдельный способ передачи ошибок обратно вызывающей стороне: исключения.

Основная идея состоит в том, что при возникновении ошибки «выбрасывается» исключение. Если текущая функция не «улавливает» ошибку, то уловить ошибку есть шанс у вызывающей функции. Если вызывающая функция не обнаруживает ошибку, то обнаружить ошибку есть шанс у функции, вызвавшей вызывающую функцию. Ошибка постепенно перемещается вверх по стеку вызовов до тех пор, пока она не будет обнаружена и обработана (в этот момент выполнение продолжается в обычном режиме), или пока main() не сможет обработать ошибку (в этот момент программа завершится с ошибкой исключения).

Мы рассмотрим обработку исключений в главе 20 этой серии обучающих статей.

Теги

C++ / CppException / ИсключениеLearnCppstd::exit()Для начинающихОбнаружение ошибокОбработка ошибокОбучениеПрограммирование

Большинство наших проектов устроены так: когда во время работы программы возникает какая-то ошибка, то программа аварийно завершается. Иногда при этом она выдаёт сообщение об ошибке. Кажется, что это нормальная ситуация, но на самом деле большинство ошибок можно предусмотреть и научить программу правильно с ними работать. Для этого нам нужны обработчики ошибок. 

Что такое обработчик ошибок

Чтобы программа знала, что делать, если возникла какая-то ошибка, используют обработчики исключительных ситуаций, или, проще говоря, обработчики исключений. Смысл такой:

Такие обработчики есть не в каждом языке программирования, но большинство современных языков это умеют делать. 

Пример программы без обработчика исключений

Допустим, у нас в программе на Python предусмотрено чтение данных из файла и есть такой код:

file = open("myfile2.txt")

Но если на диске этого файла не будет, то компьютер, когда дойдёт до этой строчки, выдаст ошибку:

Давайте нарисуем это в виде простой схемы:

Получается, что наша задача — предусмотреть вариант, что на диске не будет нужного файла, и придумать поведение программы в этом случае. Используем для этого обработчик исключений.

Программа с обработчиком исключений

Если мы знаем, что в каком-то месте возможна ошибка, то можем тогда предусмотреть этот сценарий и подстраховаться. Для этого используют обработчик и делают так:

В этой ситуации программа не зависнет и не вывалится с ошибкой, а сама сможет её обработать и делать дальше то, что нужно:

try:
    file = open("myfile2.txt")
except FileNotFoundError:
    print("Файл не найден, создаю новый")
    file = open("myfile2.txt","a")

Команда try — это начало нашего обработчика исключений. Она говорит компьютеру: «Попробуй выполнить вот эту команду, а мы посмотрим, что произойдёт». 

Except — это какую ошибку мы ожидаем здесь увидеть. В нашем случае мы хотим предусмотреть случай, что такого файла нет, поэтому пишем стандартную ошибку для такой ситуации. 

👉 Сравните текст этой ошибки с тем, что нам выдал компьютер в предыдущем разделе. 

В других языках конструкция обработчика исключений может выглядеть по-другому, но смысл тот же: говорим компьютеру, какую команду нужно выполнить и что делать, если появилась конкретная ошибка.

Когда что-то не предусмотрено — будет ошибка

Если программе в этом блоке встретится другая ошибка, не та, которую мы предусмотрели, то программа остановится и всё перестанет работать. Например, вот какие ошибки могут возникнуть с файлом:

Во всех этих случаях программа сломается, потому что мы не предусмотрели эти ситуации:

Получается, всё нужно делать с обработкой исключений?

Нет, и вот почему:

Конечно, есть места в коде, которые лучше делать с обработкой ошибок: работа с файлами, сетевые запросы или получение внешних данных. Но запихивать исключения на каждую команду в программе точно не стоит.