異常處理
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在計算和計算機編程領域中,例外處理(exception handling,也意譯為異常處理,需注意「异常」一般對應英文abnormality[1]),是對出現的例外的響應處理,在程序執行期間,異常或例外情況需要特殊處理。一般而言,例外打斷正常的執行流程並執行預先登記的「例外處理器」;具體如何去做依賴於它是硬件還是軟件例外,還有軟件例外是如何實現的。
例外是由計算機系統的不同層級來定義的,典型的層級有CPU定義的中斷、操作系統(OS)定義的信號和編程語言定義的例外。每個層級都要求不同例外處理方式,但是它們可以是關聯的,比如說CPU中斷可能被轉變成OS信號。一些例外特別是硬件例外,可以被優雅地處理使得程序執行能在它被中斷的地方恢復。
硬體的例外處理
硬體的異常處理機制由CPU完成。這種機制支持錯誤檢測,在發生錯誤後會將程序流跳轉到專門的錯誤處理例程中。發生異常前的狀態存儲在棧上。[2]
操作系統的例外處理
針對程序中可能發生的例外,操作系統可能通過IPC來提供對應的處理設施。進程執行過程中發生的中斷通常由操作提供的「中斷服務子程序」處理,操作系統可以藉此向該進程發送信號。進程可以通過註冊信號處理器的方式自行處理信號,也可以讓操作系統執行預設行為(比如終止該程序)。
從進程的視角,硬體中斷相當於可恢復異常,雖然中斷一般與程序流本身無關。
編程語言的例外處理
在編程語言領域,通常例外(英語:exception)這一術語所描述的是一種資料結構,該資料結構可以存儲例外的相關訊息。例外處理的常見的一種機制是移交控制權。引發(raise)異常,也叫作拋出(throw)異常,通過該方式達到移交控制權的效果。例外拋出後,控制權會被移交至某處的接(catch),並執行處理。
編程語言對例外有着截然不同的定義,而現代語言大致上可分兩類:[3]
- 用作於控制流程的例外,如:Ada、Java、Modula-3、ML、OCaml、Python、Ruby 。
- 用作於處理異常、無法預測、錯誤性的情況。如:C++[4]、C#、Common Lisp、Eiffel、Modula-2 。
從子程序作者的角度看,如果要表示當前子程序無法正常執行,拋出例外是很好的選擇。無法正常執行的原因可以是輸入參數無效(比如值在函數的定義域之外),也可以是無法獲得所需的資源(比如文件不存在、硬碟出錯、內存不足)等等。在不支持例外的系統中,子程序需要通過返回特殊的錯誤碼實作類似的功能。然而回傳錯誤碼可能導致不完全預測問題,子程序的使用方需要編寫額外的代碼,才能將普通的回傳值與錯誤碼相區別。
Kiniry強調:「語言設計僅僅部分地影響了對例外的使用,從而影響編程者處理系統執行期間部分或所有失敗的方式。其他主要的影響還有在核心庫、技術書籍、雜誌文章、在線研討論壇和特定組織的代碼標準中的使用示例」。[5]
歷史
在1960和1970年代,Lisp語言發展出軟體例外。最初版本是在1962年Lisp 1.5的時候,這時候異常通過ERRSET
關鍵詞進行捕捉,並在出錯時候,通過NIL
進行回傳,而不是以前的終止程序或者進行調試器。[6]1960年代後半,Maclisp語言通過ERR
關鍵詞引入「引發」(Raise)錯誤機制。[6]Lisp的這種創新不僅僅被應用於拋出錯誤,還被應用於「非局部控制流」。在在1972年6月,Maclisp語言通過CATCH
和THROW
兩個新的關鍵詞來實現非局部控制流,並保留ERRSET
和ERR
專門做錯誤處理。在1970中後,NIL(「新實現的LISP」)衍生出清除操作UNWIND-PROTECT
,對應着現今常見的finally
。[7]該操作也被Common Lisp使用了。與之同時代,Scheme也誕生了dynamic-wind
,用於處理閉包中的異常。Goodenough (1975a)和Goodenough (1975b)是介紹結構化的異常處理的開創性文章。[8] 1980年後,異常處理被廣泛利用於許多編程語言。
PL/I語言使用的是動態作用域例外,然而稍微現代的編程語言多用詞法作用域的例外。PL/I語言的例外處理包含事件(不是錯誤)、注意(Attention)、EOF、列舉了的變量的修改(Modification of listed variables)。雖然現在的一些編程語言支持不含錯誤信息的例外,但是他們並不常見。
一開始,軟體的例外處理是包含可恢復的例外,它具有恢復語義,就像大部分的硬體例外一樣,以及不恢復的例外,它具有終止語義。但是,在1960和1970時代,在實踐中得出恢復語義是十分低效的(C++標準相關的討論可見[9]),因此恢復語義就很少再出現了,通常只能在類似Common Lisp和Dylan這種語言中見到。
批評
1980年Tony Hoare在評論Ada語言時,將異常處理提及為危險特徵。[10]
對於軟件而言,異常處理經常無法正確的處理,尤其是當這裡有多種來自不同源代碼的異常時。在對五百萬行Java代碼進行數據流分析時,我們發現了超過1300個異常處理。[11]這是1999-2004年的前沿報告以及他們的結論,Weimer和Necula寫到,異常是一個十分嚴峻的問題,他們會創造隱藏的控制流途徑,這種途徑是編程人員很難去推理的。
Go語言的初始版本並沒有異常處理,而因此被有的開發者認為控制流十分冗餘。[12]後來,追加了類似的異常處理的語法panic
/recover
機制,但是Go語言的作者建立這僅僅在整個程序不可恢復的錯誤時候使用它。[13][14][15][16]
異常,作為一個非結構化的流程,它會增加資源泄露的可能性(如:從鎖住的代碼中逃脫,在打開文件時候逃脫掉),也有可能導致狀態不一致。因此,出現了集中異常處理的資源管理技術,最常見的結合dispose pattern和解除保護(unwind protection)一起使用(如finally
語句),會在這段代碼的控制權結束時自動釋放資源。
編程語言相關支持
許多常見的程序設計語言支持異常處理,包括:
多數語言的異常機制的語法是類似的:用throw
或raise
拋出一個異常對象(Java或C++等)或一個特殊可擴展的枚舉類型的值(如Ada語言);異常處理代碼的作用範圍用標記子句(try
或begin
開始的語言作用域)標示其起始,以第一個異常處理子句(catch, except, rescue
等)標示其結束;可連續出現若干個異常處理子句,每個處理特定類型的異常。某些語言允許else
子句,用於無例外出現的情況。更多見的是finally, ensure
子句,無論是否出現異常它都將執行,用於釋放異常處理所需的一些資源。
C語言沒有try-catch異常處理,而是使用返回碼用於錯誤檢查;setjmp
與longjmp
標準庫函數可以被用來通過宏實現try-catch處理[17]。一般在異常處理代碼的搜索過程中會逐級完成堆疊輾轉開解(stack unwinding);但Common Lisp中進行異常處理的條件系統,不採取堆疊輾轉開解,因此允許異常處理完後在拋出異常的代碼處原地恢復執行。
C++
C++異常處理是資源獲取即初始化(RAII)的基礎。異常事件在C++中表示為「異常對象」(exception object)。異常事件發生時,由操作系統為程序設置當前異常對象,然後執行程序的當前異常處理代碼塊,在包含了異常出現點的最內層的try
塊,依次匹配同級的catch
語句。如果匹配catch
語句成功,則在該catch塊內處理異常;然後執行當前try...catch...
塊之後的代碼。如果在當前的try...catch...
塊沒有能匹配該異常對象的catch
語句,則由更外一層的try...catch...
塊處理該異常;如果當前函數內的所有try...catch...
塊都不能匹配該異常,則遞歸回退到調用棧的上一層函數去處理該異常。如果一直回退到主函數main()
都不能處理該異常,則調用系統函數terminate()
終止程序。
Python
在Python中只存在語法錯誤和例外。語法錯誤是在運行之前發生的。而例外是在運行時發生的錯誤,除非進行捕捉處理,否則它將無條件停止程序。可以書寫代碼來處理選定的例外。[18]
Python語言中對例外處理機制的採用是非常普遍深入的,這種編碼風格被稱為EAFP(請求原諒比得到許可更容易)[19],它假定有效的鍵或特性存在,並在這個假定證明失敗時捕獲例外。Python社區認為這種風格是清晰而快速的,它的特徵是會出現很多try
和except
語句。這種技術對立於常見於很多其他語言比如C語言中的LBYL(看好再跳)風格。
Java
在Java中異常是異常事件(exceptional event)的縮寫。異常是一個事件,它發生在程序運行時並會打亂程序指示的正常流程。當方法出現了錯誤時,方法會創建一個對象並將它交給運行時系統,所創建的對象叫「異常對象」,該對象包含了錯誤的信息(描述了出錯時的程序的類型和狀態)。創建錯誤對象和轉交給運行時系統的過程,叫拋出異常。[20]
class RuntimeException
和class Error
均是不檢查的異常(Unchecked Exceptions)。[21]錯誤不等於錯誤類(class Error
),錯誤類代表着不應該被捕捉的嚴重的問題。[22]class RuntimeException
意味着程序出現問題了。[21]
Go
Go語言提倡的是錯誤處理(error handling)。Go語言設計者系統希望使用者在錯誤出時,顯式地檢查錯誤。[23] Go雖然不提供與Java語言的try..catch
同等的功能語句,但是取而代之,提供了輕型的異常處理機制panic...recover
。[24]
.NET語言
大多數.NET程序設計語言,內建的異常機制都是沿着函數呼叫堆疊的函數調用逆向搜索,直到遇到異常處理代碼為止。而 Visual Basic(尤其是在其早於 .net 的版本,例如 6.0 中)走得更遠:on error
語句可輕易指定發生異常後是重試(resume
)還是跳過(resume next
)還是執行程序員定義的錯誤處理程序(goto ***
)。
錯誤處理
錯誤處理(error handling)是通過處理函數的返回值的形式從而處理錯誤的一種編程方式。在Go等返回值可為複數的語言中,可通過將其中一個值設為錯誤值,從而達到錯誤處理的效果。
f, err := os.Open("filename.ext")
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
// do something with the open *File f
在僅僅支持返回狀態碼的語言裡,可通過處理錯誤碼,達到錯誤處理的效果。shell語言可通過$?
獲得函數執行的退出碼,從而判斷是否出錯。
在其他語言中,可以通過判斷結果的某一個特徵,從而達到錯誤處理部分的效果,但不意味着這些語言自身支持錯誤處理。如,Java等面向對象的語言往往會通過null值判斷是否執行失敗,但有時候也會通過異常處理判斷是否執行失敗。
技術問題
未捕捉異常
如果一個異常拋出後,沒有被捕捉,那麼未捕捉異常(uncaught exception)將會在運行時被處理。進行該處理的例程叫「未捕捉異常處理器」(uncaught exception handler)[25][26]。大部分的處理是終止程序並將錯誤信息打印至控制台,該信息通常包含調試用的信息,如:異常的描述信息、棧追蹤。[27][28][29]通常處於最高級(應用級別)的處理器,即便捕捉到異常也會避免終止自身(如:線程出現異常,主線程也不會終止)。[30][31]
值得了解的是,在即便未捕捉異常導致了程序異常中斷(如:異常沒被捕捉、滾動未完成、沒釋放資源),程序仍舊能正常地順序性地關閉。只要確保運行時系統能正常地運行,因為運行時系統控制着整個程序的執行。
作為默認的未捕捉異常處理器是可以被替換的,不管是全局還是單線程的,新的未捕捉異常處理器可以嘗試做這些事情:未捕捉異常導致關閉了的線程,使之重啟;提供另一種方式記錄日誌;讓用戶報告未捕捉異常等等。在Java中,單一線程可以使用Thread.setUncaughtExceptionHandler
[32],全局可以用Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler
[33];在python中,可通過修改sys.excepthook
[34]。
異常的靜態檢查
檢查性異常
Java的設計者設計了[35] 檢查性異常(Checked exceptions)[36]。當方法引發「檢查性異常」時,「檢查性異常」將成為方法符號的一部分。例如:如果方法拋出了IOException
,我們必須顯式地使用方法符號(在Java中是try...catch
),如果不這樣做的話將會導致編譯時錯誤。
異常安全
一段代碼是「異常安全的」,如果這段代碼運行時的失敗不會產生有害後果,如內存泄露、存儲數據混淆、或無效的輸出。異常安全可分成不同層次:
- 「失敗透明」,也稱作「不拋出保證」:代碼的運行保證能成功並滿足所有的約束條件,即使存在異常情況。如果出現了異常,將不會對外進一步拋出該異常。(異常安全的最好的層次)
- 「提交或卷回的語義」,或稱作「強異常安全」或「無變化保證」:運行可以是失敗,但失敗的運行保證不會有負效應,因此所有涉及的數據都保持代碼運行前的初始值。[37]
- 「基本異常安全」:失敗運行的已執行的操作可能引起了副作用,但會保證狀態不變。所有存儲數據保持有效值,即使這些數據與異常發生前的值有所不同。
- 「最小異常安全」,也稱作「無泄漏保證」:失敗運行的已執行的操作可能在存儲數據中保存了無效的值,但不會引起崩潰,資源不會泄漏。
- 「沒有異常安全」:沒有保證(最差的異常安全層次)。
例如,考慮一個smart vector類型,如C++的 std::vector
或Java的 ArrayList
。當一個數據項x
插入vector v
,必須實際增加x
的值到vector的內部對象列表中並且修改vector的計數域以正確表示v
中保存了多少數據項;此時如果已有的存儲空間不夠大,就需要分配新的內存。內存分配可能會失敗並拋出異常。因此,vector數據類型如果是「失敗透明」保證將會非常困難甚至不可能實現。但vector類型提供「強異常安全」保證卻是相當容易的;在這種情況下,x
插入v
或者成功,或者v
保持不變。如果vector類型僅提供「基本異常安全」保證,如果數據插入失敗,v
可能包含也可能不包含x
的值,但至少v
的內部表示是一致的。但如果vector數據類型是「最小異常安全」保證,v
可能會是無效的,例如v
的計數域被增加了,但x
並未實際插入,使得內部狀態不一致。對於「異常不安全」的實現,程序可能會崩潰,例如寫入數據到無效的內存。
通常至少需要基本異常安全。失敗透明是難於實現的,特別是在編寫庫函數時,因為對應用程序的複雜知識缺少獲知。
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外部連結
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- Article "C++ Exception Handling (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)" by Christophe de Dinechin
- Article "Exceptional practices (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)" by Brian Goetz
- Article "Object Oriented Exception Handling in Perl (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)" by Arun Udaya Shankar
- Article "Programming with Exceptions in C++ (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)" by Kyle Loudon
- Article "Unchecked Exceptions - The Controversy (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)"
- Conference slides Floating-Point Exception-Handling policies (pdf p. 46) (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) by William Kahan
- Descriptions from Portland Pattern Repository (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- Does Java Need Checked Exceptions?
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