Laboratorium VII

Wstęp

Dzisiejsze zajęcia dotyczyły będą wyjątków. Stanowią one mechanizm, za pomocą którego możemy w C++ obsługiwać niekrytyczne błędy programu. Przykłady takich błędów to: - niepowodzenie alokacji pamięci (za mało RAMu) - brak połączenia sieciowego - plik, który próbujemy otworzyć nie istnieje

Są to sytuacje, które jesteśmy w stanie z góry przewidzieć i po wystąpieniu których chcemy potencjalnie mieć możliwość odzyskania normalnego trybu pracy programu.

Przypomnijmy, jak radziliśmy sobie z tego typu błędami w języku C. Powszechnie przyjęte podejście polega na zwracaniu z funkcji kodów błędu. Innymi słowy, zwracamy z funkcji, których działanie może się nie powieść, liczbę całkowitą. Na podstawie wartości tej liczby stwierdzamy następnie, czy (i jaki) błąd nastąpił. Podejście to ma następujące wady:

tracimy możliwość zwracania z funkcji wyniku, musimy robić to przez argument będący wskaźnikiem
musimy ręcznie propagować kody błędów przez stos wywołań funkcji (jeżeli funkcja A woła B, B woła C, itd., to jeżeli funkcja Z może zwrócić błąd, jesteśmy zmuszeni ręcznie propagować jego wartość przez wszystkie funkcje A-Y)
obsługiwanie wyjątków zakłóca nieco czytelność kodu - zamiast wołać funkcję i pracować z wynikiem jej wywołania, musimy w samym środku kodu umieścić blok sprawdzający wartość kodu błędu

Łapanie wyjątków

W C++ mamy do dyspozycji wyjątki. Korzystamy z nich w następujący sposób:

try
{
    // Tutaj potencjalnie problematyczne instrukcje
}
catch(const T1& wyjatek)
{
    // Tutaj instrukcje obsługujące sytuację, w której rzucony zostanie wyjątek typu T1
}
catch(const T2& wyjatek)
{
    // Tutaj instrukcje obsługujące sytuację, w której rzucony zostanie wyjątek typu T2
}
// Obsłuż inne typy wyjątków...
catch(...)
{
    // Tutaj instrukcje obsługujące sytuację, w której rzucony zostanie wyjątek
    // typu innego niż obsłużone powyżej (T1, T2, itd.)
}

Zanim powiemy o tym jak rzucać wyjątki i jakie mogą mieć typy, zobaczmy konkretny przykład sytuacji, w której wyjątek jest rzucany przez bibliotekę standardową.

Zadanie 1

Napisz program, który tworzy wektor 100 intów, dowolnie go wypełnia (np. zerami), a następnie wczytuje z klawiatury liczbę całkowitą index i drukuje co znajduje się w wektorze pod indeksem index. Do dostępu do wektora użyj metody at, nie operatora nawiasów kwadratowych. Następnie w bloku try stwórz wektor wypełniony zerami o długości 100. W bloku catch(...) wyświetl wiadomość informującą, że został rzucony wyjątek. Sprawdź co stanie się, gdy podasz liczbę 42, a co gdy podasz liczbę przekraczającą rozmiar wektora.

Rozróżnianie wyjątków, `std::exception`

W zadaniu 1, blok catch(...) pozwolił nam na wykrycie, że pewien wyjątek został rzucony. Często chcemy jednak, aby sam wyjątek niósł ze sobą jakąś informację. Mamy możliwość łapania konkretnych typów wyjątków. Na przykład, biblioteka standardowa w przypadku “bezpiecznego” dostępu poza zakres (metody at różnych kontenerów) rzucają wyjątek typu std::out_of_range.

Zadanie 2

Wykonaj zadanie 1, tym razem łapiąc konkretny wyjątek typu std::out_of_range. Wyświetl do konsoli wiadomość zawartą w tym wyjątku (użyj metody what).

Może się zdarzyć, że w bloku try mogą zostać rzucone różne typy wyjątków. W zależności od tego, jaki błąd wystąpił, mamy wtedy możliwość wykonania innego zestawu instrukcji. Zobaczmy to na przykładzie std::out_of_range i std::bad_cast. std::bad_cast jest typem wyjątku, który rzucany jest gdy próbujemy rzutować dynamicznie (dynamic_cast) referencję na typ bazowy B& na referencję na typ pochodny D1&, a okazuje się, że referencja wskazuje na obiekt innego typu, np. D2. Przykład takiej hierarchii klas podano niżej:

struct B {
    virtual void dummy() = 0;
};
struct D1 : B {
    void dummy() override {}
};
struct D2 : B {
    void dummy() override {}
};

Zadanie 3

Wykonaj ponownie zadanie drugie, ale tym razem oprócz indeksowania wykonaj niepoprawne dynamiczne rzutowanie opisane powyżej Napisz 2 bloki catch, jeden łapiący std::out_of_range, jeden łapiący std::bad_cast, w których wyświetlisz wiadomość o rzuconym wyjątku. Zbadaj zachowanie programu w zależności od podanej z klawiatury zmiennej.

Wyjątki rzucane przez bibliotekę standardową są polimorficznymi typami, które dziedziczą po klasie std::exception i nadpisują jej wirtualną metodę what (vide dokumentacja). W przypadku, gdy nie zależy nam na innym zestawie instrukcji dla różnych typów wyjątków, a jedynie informacji jaka sytuacja wyjątkowa miała miejsce, możemy to wykorzystać, pisząc tylko jeden blok catch łapiący klasę bazową.

Zadanie 4

Wykonaj ponownie zadanie 3, tym razem pisząc tylko jeden blok catch, łapiący (przez referencję) wyjątek typu std::exception. Wyświetl w nim informację zwróconą przez metodę what. Zbadaj zachowanie programu w zależności od podanych z klawiatury zmiennych.

W przypadku, gdy istnieje więcej niż 1 blok catch, wyjątki dopasowywane są do pierwszego bloku (w kolejności, w której występuje w kodzie), do którego jest to możliwe. W związku z tym, jeżeli wyjątki są polimorficzne, przeważnie najlepiej umieścić klasy bazowe na końcu, aby obsłużyć wyjątek w możliwie jak najbardziej “wyspecjalizowany” sposób. W praktyce, pisząc bloki catch powinniśmy trzymać się następującj hierarchii:

Wyjątki konkretnych typów, zdefiniowanych przez nas lub biblioteki, z których korzystamy
Wyjątki STL klas pochodnych (np. std::bad_alloc i std::bad_variant_access)
std::exception
Blok catch(...)

Rzucanie wyjątków

Oczywiście możliwość rzucania wyjątków ma nie tylko biblioteka standardowa, ale także my. Wyjątki rzucamy za pomocą słowa kluczowego throw, np.:

void foo(const T& argument)
{
    if(!warunek(argument))
    {
        T_wyjatek wyjatek{/* ... */};
        throw wyjatek;
    }
    // Teraz przystępujemy do pracy z argumentem mając pewność, że spełnia postawiony warunek
}

Zwróćmy uwagę, że rzucenie wyjątku przerywa funkcję i przechodzi to “najbliższego” bloku catch. W związku z tym w powyższym kawałku kodu nie jest potrzebny blok else.

Zadanie 5

Napisz funkcję podziel, która przyjmuje dwie liczby całkowite i zwraca ich iloraz. Jeżeli podany mianownik jest równy zero, niech funkcja rzuca wyjątek typu int o wartości 0. W funckji main wywołaj podziel w blokach try-catch

Rozwijanie stosu (stack unwinding) i RAII

Po rzuceniu wyjątku, a przed wejściem do bloku catch, następuje bardzo ważny etap: rozwijanie stosu. Oznacza to, że wołane są destruktory wszystkich zmiennych ze scope’ów poprzedzających blok catch. Jeżeli mamy stos wywołań (call stack) funkcji A-Z (funkcja A woła B, B woła C, itd.), to możemy śmiało rzucić wyjątek w funkcji Z i złapać go w funkcji A. Funkcje B-Y nie muszą nic wiedzieć o możliwości zaistnienia wyjątku. Dzięki rozwijaniu stosu, stworzone dotychczas zmienne w B-Y zostaną automatycznie i poprawnie zniszczone, co pozwoli nam uniknąć wycieku zasobów i innych nieprzyjemnych sytuacji. Jest to kolejny argument za stosowaniem podejścia RAII.

Zadanie 6

Napisz klasę Informer, która drukuje informację o konstrukcji i destrukcji jej obiektów (możesz użyć tej napisanej na wcześniejszych zajęciach). Wykonaj dowolne z wcześniejszych zadań zawartych w tej instruckji, poprzedzając miejsce w którym może zostać rzucony wyjątek stworzeniem obiektu typu Informer. Zweryfikuj, czy jest on niszczony zgodnie z oczekiwaniami.