Aula 22 Tratamento de Exceções

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1 Aula 22 Tratamento de Exceções Alessandro Garcia LES / DI / PUC-Rio Junho / 2016 Avisos Trabalho T4 enunciado completo está disponível: devem estar em andamento: conclusão da implementação do jogo agora: teste do módulo Lista deve satisfazer critério de cobertura de arestas entrega: até 30/6 Prova P2: 22/6 Próxima aula: entrega dos exercícios corrigidos do T3 1 1

2 Sumário Definições básicas Como se encerram as funções? Problema: e quando funções não encerram corretamente? Tratamento de exceções Tipos de tratadores Como tratar exceções Em C Em linguagens de programação contemporâneas 2 Relembrando - Definições básicas O que é uma função? Função é uma porção auto-contida de código que: possui um nome que pode ser chamado (ativado) de diversos lugares pode retornar zero ou mais valores pode depender de e alterar zero ou mais parâmetros pode alterar zero ou mais valores do estado do módulo variáveis internas variáveis globais pode criar, ler e destruir arquivos, etc... TIPO_RETORNO NOME_FUNCAO ( LISTA_PARAMETROS) { CORPO_FUNCAO 3 2

3 Definições básicas Encerrando a execução de uma função: Chegar ao fim de uma função void O comando return <VALUE> Encerra a execução de uma função imediatamente Se um valor de retorno é informado, a função chamada (callee) retorna este valor para a função chamadora (caller) A transferência de controle após o return passa da função chamada para a função chamadora O comando exit(int) Encerra a execução do programa 1. Executa em ordem reversa todas as funções registradas pela função int atexit( void (*func)(void) ) 2. Todos arquivos são fechados, todos arquivos temporários são apagados 3. O controle de execução retorna ao ambiente-hospedeiro (host enviornment) o valor inteiro passado como argumento 4 Problema Exceção: Uma exceção é um evento que ocorre durante a execução de um programa (ou módulo) e que impede a sua execução normal E o que fazer quando uma exceção impede que uma função encerre sua execução corretamente? Quais são situações de erro? 5 3

4 Problema Exemplos: Um parâmetro de entrada ocasiona uma divisão por zero Um valor de um dos parâmetros ou variáveis viola assertivas de entrada, saída Uma das assertivas estruturais é violada Não há memória disponível quando você tenta alocar memória dinamicamente Hardware para de funcionar corretamente 6 Tratamento de exceções Por que é importante tratar exceções? Você pode irritar o seu usuário 7 4

5 Tratamento de exceções Por que é importante tratar exceções? Os usuários podem perder a confiança no seu produto... e você pode passar uma tremenda vergonha! 8 Tratamento de exceções Sistemas atuais são cada vez maiores e mais complexos Condições excepcionais podem surgir por diversos motivos e serem até mesmo difíceis de serem previstas Sistemas robustos e confiáveis devem prover seus serviços mesmo sob condições excepcionais Sistemas críticos: Sistemas bancários Controladores de redes elétricas, vôo, usinas nucleares... Sistemas embarcados em aviões, submarinos, foguetes... O tratamento de exceções é parte central do desenvolvimento de sistemas robustos e confiáveis 9 5

6 Tratamento de exceções - Caso de insucesso Em outubro de 1996 o foguete francês Ariane 501 se autodestruiu 5 minutos após decolar Motivo: cálculo errado do ângulo de ataque Causa: O Ariane 5 reutilizou um módulo do Ariane 4 para calcular o Alinhamento Interno, elemento relacionado com a componente horizontal da velocidade O valor gerado pelo módulo do Ariane 4 foi muito maior do que o esperado pelo módulo do Ariane 5, pois a trajetória do Ariane 5 difere da trajetória do Ariane 4 O módulo do Ariane 5 tentou converter o valor do Alinhamento Interno de um número de 64 bits em ponto flutuante para um inteiro de 16 bits com sinal Valor em ponto flutuante era maior do que poderia ser representado por um inteiro Operação de conversão não estava protegida e ocasionou Overflow Exception 10 Tratamento de exceções Vídeo do Bill Gates: Vídeo do Ariane 5: Outros desastres famosos devido ao não tratamento de exceções

7 Tratamento de exceções Por que é importante tratar exceções? Pode custar milhões de dólares/reais/euros Ou até mesmo vidas 12 Tratamento de exceções - Terminologia Exceção: Uma exceção é um evento que ocorre durante a execução de um programa (ou módulo) e que impede a sua execução normal Uma exceção indica que o estado interno do sistema está inconsistente e, por isso, não é possível prosseguir com sua execução normal Para restaurar a consistência interna do sistema, é necessário tomar ações corretivas, ou remediadoras Tratador: Um tratador é um conjunto de ações que visam corrigir ou remediar a ocorrência de uma exceção Mecanismo de tratamento de exceções: Um mecanismo de tratamento de exceções é um modelo que permite a desenvolvedores: Representar os tipos de ocorrências de exceção Indicar a ocorrência de uma exceção na interface de funções/módulos Detectar a ocorrência de uma exceção na execução da função Estruturar ações de tratamento de exceções Desviar o fluxo normal do programa para o fluxo excepcional 13 7

8 Estrutura de uma função Conjunto de exceções sinalizadas na interface em C: condições de retorno excepcionais Chamadas Função Tratador E1 Tratador E2 Tratador E3 Chamadas Exceções exs.: nome de arquivo não existe, índice/chave fora do limite, conexão com servidor/banco-dados não pode ser estabelecida, etc... Maio 2009 Alessandro Garcia LES/DI/PUC-Rio 14/ 32 Tratamento de exceções Exemplos de tratadores: Ignora a exceção: identifica a ocorrência de uma exceção e não toma nenhuma ação corretiva. Má prática e deve ser evitada. Re-sinaliza a exceção: identifica um tipo de exceção e reporta para a função chamadora outro tipo de exceção. Geralmente é usada para preservar abstração e encapsulamento. Delegação de controle: delega o controle da execução para outro módulo do sistema mais apto a lidar com a exceção. Notificação ao usuário: notifica o usuário a ocorrência da exceção, com possibilidade de pedir novo input, caso seja possível. Preferencialmente, somente em casos que usuário deve ser envolvido. Armazenamento de erro: cria um registro da exceção e de informações adicionais em arquivo especial (log). Reconfiguração: reconfigura o estado do sistema com outros valores. Nova tentativa: a mesma função é simplesmente invocada novamente. (ex. exceções intermitentes do ambiente rede WiFi) 15 8

9 Tratamento de exceções Exemplos de tratadores: Liberação de recursos: assegura a liberação de recursos alocados, como memória alocada dinamicamente, arquivos e conexões abertos, etc. Preparação para desligar: prepara o sistema para terminar sem causar efeitos colaterais. Geralmente é usada em situações extremas. É necessário liberar todos os recursos alocados e reverter o sistema para um estado em que os dados estão consistentes. Recuperação por retrocesso: desfaz modificações no estado do sistema a fim de restaurá-lo a um estado válido. Comumente usado em sistemas de bancos de dados. Uso de redundância de software: ativa uma função com o mesmo propósito. Uso de redundância de dados: uso de elementos adicionais da estrutura que permitam navegar de outras formas na estrutura. Vide estruturas auto-verificáveis. 16 Como tratar exceções em módulos em C? A linguagem C não traz suporte específico para tratamento de exceções Fica sob responsabilidade do programador desenvolver uma forma de identificar e tratar exceções da aplicação Existem várias formas de realizar esta tarefa, cada um com seus prós e contras A fim de padronizar a identificação e o tratamento de exceções em C, usamos nesta disciplina padrões/convenções de tratamento de exceções: Tipos enum e código de retorno das funções para indicar sob qual condição a função encerrou sua execução Se necessários, define-se parâmetros adicionais passados por referência e modifica-se seus valores para informações extra do erro 17 9

10 Usando o código de retorno das funções Este é o método mais comum e mais simples de tratamento de exceções em linguagem C Neste método, as funções tem duas responsabilidades: A função chamada deve usar o comando return para indicar sob qual condição (normal excepcional) sua execução encerrou A função chamadora deve testar o código retornado pela função chamada a fim de tomar ações corretivas, caso necessário Preferencialmente, as condições de retorno devem ser declaradas como um elemento enum 18 Usando o código de retorno das funções typedef enum { LIS_CondRetOK, /* Concluiu corretamente */ LIS_CondRetListaVazia, /* A lista não contém elementos */ LIS_CondRetFimLista, /* Foi atingido o fim de lista */ LIS_tpCondRet LIS_InserirElementoAntes ( LIS_tppLista plista, void * pvalor ) { tpelemlista * pelem ; pelem = CriarElemento( plista, pvalor ) ; if ( pelem == NULL ) { return LIS_CondRetFaltouMemoria ; /* if */ LIS_CondRetNaoAchou, /* Não encontrou o valor procurado */ LIS_CondRetFaltouMemoria /* Faltou memória ao tentar criar um elemento de lista */ LIS_tpCondRet ;... return LIS_CondRetOK ; /* Fim função: LIS &Excluir elemento */ 19 10

11 Usando o código de retorno das funções int main(void){... LIS_tpCondRet condret = InserirElementoAntes( lista, pvalor ); switch( condret ) { case LIS_CondRetFaltouMemoria:... case LIS_CondRetOK:... default : printf( Condição de retorno inesperada ); 20 Usando parâmetro passado por referência LIS_tpCondRet LIS_InserirElementoAntes ( LIS_tppLista plista, void * pvalor, char ** errormsg ) { tpelemlista * pelem ; pelem = CriarElemento( plista, pvalor ) ; if ( pelem == NULL ) { char str[] = Não foi possível alocar memória para um novo elemento ; int size = strlen( str ) + 1; (*errormsg) = (char*)malloc( sizeof(char) * size ); memcpy( (*errormsg), str, size ); return LIS_CondRetFaltouMemoria ; /* if */... return LIS_CondRetOK ; /* Fim função: LIS &Excluir elemento */ 21 11

12 Exemplo de condição de retorno Servidor typedef enum { CondRetLeuOK, /* Leitura normal */ CondRetLeuEOF, /* Encontrou fim de arquivo antes de ler */ CondRetLeuErro /* Ocorreu erro de leitura */ tpcondretleu ;... tpcondretleu LerReg( FILE * parq, tpreg * preg ) { if ( feof( parq )) { memset( preg, 0xFF, sizeof( tpreg )) ; return CondRetLeuEOF ; /* if */ Conta = fread( preg, parq, sizeof( tpreg ), 1 ) ; if ( ( ferror( parq )!= 0 ) ( Conta!= 1 )) { memset( preg, 0xCC, sizeof( tpreg )) ; return CondRetLeuErro ; /* if */ return CondRetLeuOK ; /* Função LerReg */ Maio 2009 Alessandro Garcia LES/DI/PUC-Rio 22/ 32 Exemplo de condição de retorno A função cliente contém o código: Cond = LerReg( parqa, pbuffer ) ; switch ( Cond ) { case CondRetLeuOK : /* código que trata o caso de leitura normal */ break ; case CondRetLeuEOF : /* código que trata o caso de fim de arquivo */ break ; case CondRetLeuErro : printf( "\nerro de leitura no arquivo: %s código \'C\' %c", NomeArqA, errno ) ; printf( "\nprograma será cancelado" ) ; Finalizar( CondRetLeuErro ) ; default: printf( "\Erro de execução: LerReg condição desconhecida: %i", Cond ) ; printf( "\nprograma será cancelado" ) ; Finalizar( ErroDesconhecido ) ; /* fim switch */ o break é desnecessário, pois Finalizar( ) não retorna Maio 2009 Alessandro Garcia LES/DI/PUC-Rio 23/ 32 12

13 Usando parâmetro passado por referência int main(void){... char *errormsg; LIS_tpCondRet condret = InserirElementoAntes( lista, pvalor, &errormsg ); switch( condret ) { case LIS_CondRetFaltouMemoria: printf( %s, errormsg ); case LIS_CondRetOK:... default : printf( Condição de retorno inesperada ); 24 Usando variáveis globais ou parâmetros Este método é complementar ao método de condições de retorno Bastante usado na GLIBC, biblioteca padrão do sistema GNU/Linux Neste método, as funções tem as seguintes responsabilidades: A função chamada deve modificar variáveis globais ou parâmetros passados por referência para indicar sob qual condição (normal excepcional) sua execução encerrou A função chamadora deve testar a variável global, ou o parâmetro passado por referência, a fim de tomar ações corretivas, caso necessário 25 13

14 Limitações de C A sinalização de uma exceção não é explícita Usa-se o comando return, parâmetros passados por referência ou variáveis globais Não há distinção entre encerramento sob condição normal ou excepcional O sistema não é interrompido no momento em que a exceção ocorre Mesmo sabendo-se que o estado é inconsistente Como prover mais informações a respeito do problema / exceção? Ex.: Qual a severidade? Que condições levaram a esta ocorrência? Uso de parâmetros encoraja quebra de abstração e encapsulamento 26 Limitações de C Há um overhead na criação de tipos enumerados para cada módulo Para cada módulo é definido um tipo enumerado, mesmo que representem a mesma condição (EX.: Falta de memória) A associação entre as exceções descritas nos tipos enumerados e quais exceções que podem ser levantadas por uma função depende exclusivamente da especificação da função Difícil entender o acoplamento excepcional entre funções: quais exceções devem ser tratadas? Não há separação textual do código de tratamento de exceção Código torna-se rapidamente extenso, complexo e pouco compreensível 27 14

15 Mecanismo de Tratamento de Exceções Comportamento exceptional de funções diferente de C, C++ e Java provêem suporte explícito a tratamento de exceções Facilidades / Mecanismos para Tratamento de Exceções Exceções Tratadores (Handlers) Desvio do Fluxo e Busca de Tratadores Interfaces Excepcionais Definição de Regiões Protegidas Maio 2009 Alessandro Garcia LES/DI/PUC-Rio 28/ 32 Usando o código de retorno das funções Problemas: Chamadas encadeadas de funções podem resultar em uma estrutura muito aninhada que é difícil de compreender, testar e fazer a manutenção ARQ_tpCondRet learquivo(){ condret = OK; abrearquivo(); se( arquivoaberto() ){ determinetamanhoarquivo(); se( determinoutamanho() ){ aloquememoria(); se( alocoumemoria() ){ copiedados(); se(! copioudados() ){ condret = ERRO_COPIAR_DADOS; senão { condret = ERRO_ALOCAR_MEM; senão { condret = ERRO_DET_TAM; fechearquivo(); se(! fechouarquivo() ){ condret = ERRO_FECHAR_ARQ; senão { condret = ERRO_ABRIR_ARQ; 29 15

16 Linguagens contemporâneas Linguagens como Java, JavaScript, C++, C#, Python... proveem mecanismos de tratamento de exceções implementados na própria linguagem Elementos sintáticos específicos para tratamento de exceções: THROW sinaliza a ocorrência de uma exceção TRY define uma região protegida contra a ocorrência de exceções CATCH define um tratador, i.e., um trecho de código que implementa um conjunto de ações de recuperação 30 Sinalização explícita de exceções Cláusula throw sinaliza a ocorrência de uma exceção static void escrevearquivo(arquivo a)... {... Buffer bf = buscaarquivo( a ); if( bf == null ) throw new FileNotFoundException(); 31 16

17 Estrutura de uma função em Java/C++ Exceções são levantadas/sinalizadas explicitamente int funcaox (...) { // código desprotegido try { // código a ser tentado; região protegida if (x > 10) {throw excecao; catch (Excecao) { // código do tratador: a ser executado // em caso de exceção if (x > 10) {throw excecao2; acoplamento: exceção sinalizada Maio 2009 Alessandro Garcia LES/DI/PUC-Rio 32/ 32 Linguagens contemporâneas Linguagens como Java, JavaScript, C++, C#, Python... provêem mecanismos de tratamento de exceções implementados na própria linguagem Elementos sintáticos específicos para tratamento de exceções: TRY define uma região protegida contra a ocorrência de exceções CATCH define um tratador, i.e., um trecho de código que implementa um conjunto de ações de recuperação THROW sinaliza a ocorrência de uma exceção THROWS especifica na interface de uma função quais as possíveis exceções que podem ser ocasionadas durante a execução daquela função do módulo 33 17

18 Estrutura de uma função em Java Acoplamento conjunto de exceções sinalizadas exceções são sinalizadas explicitamente em Java class Count { public static void main(string args[]) throws java.io.ioexception { int count = 0; while (System.in.read()!= -1) count++; System.out.println("Entrada:"+count+ "caracteres."); acoplamento: exceção sinalizada Maio 2009 Alessandro Garcia LES/DI/PUC-Rio 34/ 32 Acoplamento excepcional explícito Cláusula throws indica quais exceções podem ocorrer durante a execução de uma função void escrevearquivo(arquivo) throws FileNotFoundException, CharCodingException, PermissionException; 35 18

19 Linguagens contemporâneas Linguagens como Java, JavaScript, C++, C#, Python... provêem mecanismos de tratamento de exceções implementados na própria linguagem Elementos sintáticos específicos para tratamento de exceções: TRY define uma região protegida contra a ocorrência de exceções CATCH define um tratador, i.e., um trecho de código que implementa um conjunto de ações de recuperação THROW sinaliza a ocorrência de uma exceção THROWS especifica na interface de uma função quais as possíveis exceções que podem ser ocasionadas durante a execução daquela função do módulo FINALLY define um trecho de código que sempre será executado, mesmo quando exceções ocorrerem 36 Mecanismo para código de limpeza O código definido no bloco finally sempre será executado, seja após a terminação normal, ou após a terminação excepcional, de um bloco try Usado especialmente para liberação de recursos, como memória, arquivos abertos, conexões abertas, etc learquivo(){ try{ abrearquivo(); determinetamanhoarquivo(); aloquememoria(); copiedados(); catch( abrirerro ){... catch( determinartamanhoerro ) {... catch( alocarmemoriaerro ) {... catch( copiardadoserro ) {... finally { try{ fechearquivo(); catch( fechararquivoerro ){

20 Melhor separação textual ARQ_tpCondRet learquivo(){ condret = OK; abrearquivo(); se( arquivoaberto() ){ determinetamanhoarquivo(); se( determinoutamanho() ){ aloquememoria(); se( alocoumemoria() ){ copiedados(); se(! copioudados() ){ condret = ERRO_COPIAR_DADOS; senão { condret = ERRO_ALOCAR_MEM; senão { condret = ERRO_DET_TAM; fechearquivo(); se(! fechouarquivo() ){ condret = ERRO_FECHAR_ARQ; senão { condret = ERRO_ABRIR_ARQ; learquivo(){ try{ abrearquivo(); determinetamanhoarquivo(); aloquememoria(); copiedados(); catch( abrirerro ){... catch( determinartamanhoerro ) {... catch( alocarmemoriaerro ) {... catch( copiardadoserro ) {... finally { try{ fechearquivo(); catch( fechararquivoerro ){ Linguagens contemporâneas Principais vantagens em relação a C: Redução do aninhamento de estruturas if-then-else Melhor separação textual entre o código que implementa a lógica da aplicação e o código que implementa o tratamento de exceções Também há uma clara distinção entre o encerramento normal de uma função ( comando return ) e o encerramento excepcional ( comando throw ) Tipos de exceção podem ser reutilizadas entre diferentes módulos Mecanismos que garantem a execução de determinados trechos de código tanto em situações normais, quanto em situações excepcionais Blocos finally Liberação de recursos 39 20

21 Linguagens contemporâneas Mesmo com os mecanismos de tratamento de exceções providos na própria linguagem, código de tratamento de exceções ainda é fonte de erros: Dificuldade em modificar métodos que tratam exceções Tratadores vazios (catch block vazio) Exceções não tratadas Erros no código de tratamento de exceções são de difícil diagnose Código pouco executado e pouco testado Implementar tratamento de exceções não é trivial e requer esforço extra dos desenvolvedores 40 Tratamento de Exceções: Origem indicação de ocorrência de exceção associação do tratador PL/I ON statements Goodenough EH Notation CLU Declaração explícita De interface excepcional Parnas & Dijkstra Princípio de Encapsulamento e Separação de Interesses Tratamento de Exceções em Linguagens Modernas Nelio Cacho 21

22 Referência Cap. 8 do livro Programação Modular Leitura complementar: Tutorial sobre tratamento de exceções em Java ions/index.html Artigos Discovering Faults in Idiom-Based Exception Handling, Bruntink, M., van Deursen, A. and Tourwé, T. In Proceedings of 28th ICSE, Exception handling: a field study in Java and.net, Cabral, B. and Marques, P. In Proceedings of 21th ECOOP, FIM 22