Обрабо́тка исключи́тельных ситуа́ций () — механизм языков программирования, предназначенный для описания реакции программы на ошибки времени выполнения и другие возможные проблемы (исключения), которые могут возникнуть при выполнении программы и приводят к невозможности (бессмысленности) дальнейшей отработки программой её базового алгоритма. В русском языке также применяется более короткая форма термина: «обработка исключений».
Исключения
Общее понятие исключительной ситуации Во время выполнения программы могут возникать ситуации, когда состояние внешних данных, устройств ввода-вывода или компьютерной системы в целом делает дальнейшие вычисления в соответствии с базовым алгоритмом невозможными или бессмысленными. Классические примеры подобных ситуаций приведены ниже. Целочисленное деление на ноль. Конечного результата у данной операции быть не может, поэтому ни дальнейшие вычисления, ни попытка использования результата деления не приведут к решению задачи. Ошибка при попытке считать данные с внешнего устройства. Если данные не удаётся получить, любые дальнейшие запланированные операции с ними бессмысленны. Исчерпание доступной памяти. Если в какой-то момент система оказывается не в состоянии выделить достаточный для прикладной программы объём оперативной памяти, программа не сможет работать нормально. Появление сигнала аварийного отключения электропитания системы. Прикладную задачу, по всей видимости, решить не удастся, в лучшем случае (при наличии какого-то резерва питания) прикладная программа может позаботиться о сохранении данных.
Виды исключительных ситуаций Исключительные ситуации, возникающие при работе программы, можно разделить на два основных типа: синхронные и асинхронные, принципы реакции на которые существенно различаются. Синхронные исключения могут возникнуть только в определённых, заранее известных точках программы. Так, ошибка чтения файла или коммуникационного канала, нехватка памяти — типичные синхронные исключения, так как возникают они только в операции чтения или в операции выделения памяти соответственно. Асинхронные исключения могут возникать в любой момент времени и не зависят от того, какую конкретно инструкцию программы выполняет система. Типичные примеры таких исключений: аварийный отказ питания или поступление новых данных.
Некоторые типы исключений могут быть отнесены как к синхронным, так и к асинхронным. Например, инструкция деления на ноль формально должна приводить к синхронному исключению, так как логически оно возникает именно при выполнении данной команды, но на некоторых платформах за счёт глубокой конвейеризации исключение может фактически оказаться асинхронным.
Обработчики исключений
Общее описание В отсутствие собственного механизма обработки исключений для прикладных программ наиболее общей реакцией на любую исключительную ситуацию является немедленное прекращение выполнения с выдачей пользователю сообщения о характере исключения. Можно сказать, что в подобных случаях единственным и универсальным обработчиком исключений становится операционная система. Например, в операционную систему Windows встроена утилита Dr. Watson, которая занимается сбором информации о необработанном исключении и её отправкой на специальный сервер компании Microsoft.
Возможно игнорирование исключительной ситуации и продолжение работы, но такая тактика опасна, так как приводит к ошибочным результатам работы программ или возникновению ошибок впоследствии. Например, проигнорировав ошибку чтения из файла блока данных, программа получит в своё распоряжение не те данные, которые она должна была считать, а какие-то другие. Результаты их использования предугадать невозможно.
Обработка исключительных ситуаций самой программой заключается в том, что при возникновении исключительной ситуации управление передаётся некоторому заранее определённому обработчику — блоку кода, процедуре, функции, которые выполняют необходимые действия.
Существует два принципиально разных механизма функционирования обработчиков исключений. Обработка с возвратом подразумевает, что обработчик исключения ликвидирует возникшую проблему и приводит программу в состояние, когда она может работать дальше по основному алгоритму. В этом случае после того, как выполнится код обработчика, управление передаётся обратно в ту точку программы, где возникла исключительная ситуация (либо на команду, вызвавшую исключение, либо на следующую за ней, как в некоторых старых диалектах языка BASIC) и выполнение программы продолжается. Обработка с возвратом типична для обработчиков асинхронных исключений (которые обычно возникают по причинам, не связанным прямо с выполняемым кодом), для обработки синхронных исключений она малопригодна. Обработка без возврата заключается в том, что после выполнения кода обработчика исключения управление передаётся в некоторое, заранее заданное место программы, и с него продолжается исполнение. То есть, фактически, при возникновении исключения команда, во время работы которой оно возникло, заменяется на безусловный переход к заданному оператору.
Существует два варианта подключения обработчика исключительных ситуаций к программе: структурная и неструктурная обработка исключений.
Неструктурная обработка исключений Неструктурная обработка исключений реализуется в виде механизма регистрации функций или команд-обработчиков для каждого возможного типа исключения. Язык программирования или его системные библиотеки предоставляют программисту как минимум две стандартные процедуры: регистрации обработчика и разрегистрации обработчика. Вызов первой из них «привязывает» обработчик к определённому исключению, вызов второй — отменяет эту «привязку». Если исключение происходит, выполнение основного кода программы немедленно прерывается и начинается выполнение обработчика. По завершении обработчика управление передаётся либо в некоторую наперёд заданную точку программы, либо обратно в точку возникновения исключения (в зависимости от заданного способа обработки — с возвратом или без). Независимо от того, какая часть программы в данный момент выполняется, на определённое исключение всегда реагирует последний зарегистрированный для него обработчик. В некоторых языках зарегистрированный обработчик сохраняет силу только в пределах текущего блока кода (процедуры, функции), тогда процедура разрегистрации не требуется. Ниже показан условный фрагмент кода программы с неструктурной обработкой исключений: УстановитьОбработчик(ОшибкаБД, ПерейтиНа ОшБД) // На исключение "ОшибкаБД" установлен обработчик - команда "ПерейтиНа ОшБД" ... // Здесь находятся операторы работы с БД ПерейтиНа СнятьОшБД // Команда безусловного перехода - обход обработчика исключений ОшБД: // метка - сюда произойдёт переход в случае ошибки БД по установленному обработчику ... // Обработчик исключения БД СнятьОшБД: // метка - сюда произойдёт переход, если контролируемый код выполнится без ошибки БД. СнятьОбработчик(ОшибкаБД) // Обработчик снят
Неструктурная обработка — практически единственный вариант для обработки асинхронных исключений, но для синхронных исключений она неудобна: приходится часто вызывать команды установки/снятия обработчиков, всегда остаётся опасность нарушить логику работы программы, пропустив регистрацию или разрегистрацию обработчика.
Структурная обработка исключений
Структурная обработка исключений требует обязательной поддержки со стороны языка программирования — наличия специальных синтаксических конструкций. Такая конструкция содержит блок контролируемого кода и обработчик (обработчики) исключений. Наиболее общий вид такой конструкции (условный): НачалоБлока ... // Контролируемый код ... если (условие) то СоздатьИсключение Исключение2 ... Обработчик Исключение1 ... // Код обработчика для Исключения1 Обработчик Исключение2 ... // Код обработчика для Исключения2 ОбработчикНеобработанных ... // Код обработки ранее не обработанных исключений КонецБлока
Здесь «НачалоБлока» и «КонецБлока» — ключевые слова, которые ограничивают блок контролируемого кода, а «Обработчик» — начало блока обработки соответствующего исключения. Если внутри блока, от начала до первого обработчика, произойдёт исключение, то произойдёт переход на обработчик, написанный для него, после чего весь блок завершится и исполнение будет продолжено со следующей за ним команды. В некоторых языках нет специальных ключевых слов для ограничения блока контролируемого кода, вместо этого обработчик (обработчики) исключений могут быть встроены в некоторые или во все синтаксические конструкции, объединяющие несколько операторов. Так, например, в языке Ада любой составной оператор (begin — end) может содержать обработчик исключений.
«ОбработчикНеобработанных» — это обработчик исключений, которые не соответствуют ни одному из описанных выше в данном блоке. Обработчики исключений в реальности могут описываться по-разному (один обработчик на все исключения, по одному обработчику на каждый тип исключения), но принципиально они работают одинаково: при возникновении исключения находится первый соответствующий ему обработчик в данном блоке, его код выполняется, после чего выполнение блока завершается. Исключения могут возникать как в результате программных ошибок, так и путём явной их генерации с помощью соответствующей команды (в примере — команда «СоздатьИсключение»). С точки зрения обработчиков такие искусственно созданные исключения ничем не отличаются от любых других.
Блоки обработки исключений могут многократно входить друг в друга, как явно (текстуально), так и неявно (например, в блоке вызывается процедура, которая сама имеет блок обработки исключений). Если ни один из обработчиков в текущем блоке не может обработать исключение, то выполнение данного блока немедленно завершается, и управление передаётся на ближайший подходящий обработчик более высокого уровня иерархии. Это продолжается до тех пор, пока обработчик не найдётся и не обработает исключение или пока исключение не выйдет из обработчиков заданных программистом и не будет передано системному обработчику по умолчанию, аварийно закроющему программу.
Иногда бывает неудобно завершать обработку исключения в текущем блоке, то есть желательно, чтобы при возникновении исключения в текущем блоке обработчик выполнил какие-то действия, но исключение продолжило бы обрабатываться на более высоком уровне (обычно так бывает, когда обработчик данного блока не полностью обрабатывает исключение, а лишь частично). В таких случаях в обработчике исключений генерируется новое исключение или возобновляется, с помощью специальной команды, ранее появившееся. Код обработчиков не является защищённым в данном блоке, поэтому созданное в нём исключение будет обрабатываться в блоках более высокого уровня.
Блоки с гарантированным завершением Помимо блоков контролируемого кода для обработки исключений, языки программирования могут поддерживать блоки с гарантированным завершением. Их использование оказывается удобным тогда, когда в некотором блоке кода, независимо от того, произошли ли какие-то ошибки, необходимо перед его завершением выполнить определённые действия. Простейший пример: если в процедуре динамически создаётся какой-то локальный объект в памяти, то перед выходом из этой процедуры объект должен быть уничтожен (чтобы избежать утечки памяти), независимо от того, произошли после его создания ошибки или нет. Такая возможность реализуется блоками кода вида: НачалоБлока ... // Основной код Завершение ... // Код завершения КонецБлока