Aula 16 Tratamento de Exceções. Eiji Adachi Barbosa LES / DI / PUC-Rio Outubro / 2013

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1 Aula 16 Tratamento de Exceções Eiji Adachi Barbosa LES / DI / PUC-Rio Outubro / 2013

2 Avisos Na aula do dia 23/10 (quarta-feira) os alunos que ainda não viram a prova, poderão ver em sala após a aula Na aula do dia dias 28/10 haverá exercício valendo nota 28/10 (Segunda-Feira) Exercício sobre tratamento de exceções 1

3 Sumário Definições básicas O que é função? Por que / para que usar funções? Como se encerram as funções? Problema: e quando funções não encerram corretamente? Tratamento de exceções Tipos de tratadores Caso de insucesso Como tratar exceções Em C Em linguagens de programação contemporâneas 2

4 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

5 Definições básicas Por que / para que usar funções? Princípio dividir para conquistar Dividir sistema em módulos ß à Dividir algoritmo em funções Evitar códigos monolíticos Reuso e manutenibilidade 4

6 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 é local, i.e., após o return o controle do fluxo de execução 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 streams são fechados, todos arquivos temporários são apagados 3. O controle de execução retorna ao ambiente-hospedeiro (host enviornment) o valor inteiro passado como argumento 5

7 Problema E o que fazer quando uma exceção impede que uma função encerre sua execução corretamente? Exemplos: Não há memória disponível quando você tenta alocar memória dinamicamente Um parâmetro de entrada ocasiona uma divisão por zero Hardware para de funcionar corretamente 6

8 Tratamento de exceções Sistemas atuais são cada vez maiores e mais complexos Condições excepcionais podem surgir por diversos motivos e serem até mesmo imprevisíveis 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 7

9 Tratamento de exceções Por que é importante tratar exceções? Você pode irritar o seu usuário 8

10 Tratamento de exceções Por que é importante tratar exceções? Você pode irritar o seu usuário 9

11 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! 10

12 Tratamento de exceções Vídeo do Bill Gates: 11

13 Tratamento de exceções Por que é importante tratar exceções? Pode custar milhões de dólares/reais/euros Ou até mesmo vidas 12

14 Tratamento de exceções Vídeo do Ariane 5: 13

15 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 14

16 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: Indicar a ocorrência de uma exceção Detectar a ocorrência de uma exceção Estruturar ações de tratamento de exceções 15

17 Tratamento de exceções Exemplos de tratadores: Armazenamento de erro: cria um registro da exceção e de informações adicionais em arquivo especial (log). Notificação ao usuário: notifica o usuário a ocorrência da exceção, com possibilidade de pedir novo input, caso seja possível. Reconfiguração: reconfigura o estado do sistema com outros valores. Nova tentativa: a mesma função, ou uma diferente implementação, é invocada novamente. Liberação de recursos: assegura a liberação de recursos alocados, como memória alocada dinamicamente, arquivos e conexões abertos, etc. 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. Delegação de controle: delega o controle da execução para outro trecho do sistema mais apto a lidar com a exceção. 16

18 Tratamento de exceções Exemplos de tratadores: Re-sinaliza a exceção: identifica um tipo de exceção e reporta para a função chamadora outro tipo de exceção. Geralmente é usada para preservar o acoplamento. Ignora a exceção: identifica a ocorrência de uma exceção e não toma nenhuma ação corretiva. Má prática e deve ser evitada. 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. 17

19 Como tratar exceções? 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, usaremos nesta disciplina um idioma de tratamento de exceções: Usando o código de retorno das funções e elementos enum para indicar sob qual condição a função encerrou sua execução Modificando / testando variáveis globais ou parâmetros passados por referência 18

20 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 19

21 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 */ 20

22 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 ); 21

23 Usando o código de retorno das funções Problemas Uma função pode usar uma condição de retorno excepcional cujo valor reside dentro do intervalo de valores válidos calculados pela função. O problema é que a função chamadora não sabe se o valor retornado é um valor válido ou uma condição excepcional 22

24 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; 23

25 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 24

26 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 */... Usar uma variável global, seria análogo... return LIS_CondRetOK ; /* Fim função: LIS &Excluir elemento */ 25

27 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 ); Usar uma variável global, seria análogo... 26

28 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 Nem sempre é possível retornar um elemento enumerado como condição de retorno Ex.: Implemente uma função que receba os três parâmetros (Nome, Estado Civil, Idade) e retorne por referência a estrutura preenchida. Como prover mais informações a respeito do problema / exceção? Ex.: Qual a severidade? Que condições levaram a esta ocorrência? 27

29 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 28

30 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 FINALLY define um trecho de código que sempre será executado, mesmo quando exceções ocorrerem THROW sinaliza a ocorrência de uma exceção THROWS especifica na interface de um módulo / função quais as possíveis exceções que podem ser ocasionadas durante a execução daquele módulo / função 29

31 Acoplamento excepcional explícito Cláusula throws indica quais exceções podem ocorrer durante a execução de uma função void escrevearquivo(arquivo) throws FileNotFoundException, CharCodingException, PermissionException; 30

32 Sinalização explícita de exceções Cláusula throw sinaliza a ocorrência de uma exceção static void escrevearquivo(arquivo a) throws FileNotFoundException, CharCodingException, PermissionException { Buffer bf = buscaarquivo( a ); if( bf == null ) throw new FileNotFoundException(); 31

33 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 ){... 32

34 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 ){... 33

35 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 34

36 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 35

37 Referência Cap. 8 do livro Programação Modular Leitura complementar: Tutorial sobre tratamento de exceções em Java exceptions/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,

38 FIM