Другие способы обработки ошибок

Механизм особых ситуаций нужен для того, чтобы из одной части программы можно было сообщить в другую о возникновении в первой "особой ситуации". При этом предполагается, что части программы написаны независимо друг от друга, и в той части, которая обрабатывает особую ситуацию, возможна осмысленная реакция на ошибку. Как же должен быть устроен обработчик особой ситуации? Приведем несколько вариантов: int f(int arg) { try { g(arg); } catch (x1) { // исправить ошибку и повторить g(arg); } catch (x2) { // произвести вычисления и вернуть результат return 2; } catch (x3) { // передать ошибку throw; } catch (x4) { // вместо x4 запустить другую особую ситуацию throw xxii; } catch (x5) { // исправить ошибку и продолжить со следующего оператора } catch (...) { // отказ от обработки ошибки terminate(); } //... } Укажем, что в обработчике доступны переменные из области видимости, содержащей проверяемый блок этого обработчика. Переменные, описанные в других обработчиках или других проверяемых блоках, конечно, недоступны: void f() { int i1; //... try { int i2; //... } catch (x1) { int i3; //... } catch (x4) { i1 = 1; // нормально i2 = 2; // ошибка: i2 здесь невидимо i3 = 3; // ошибка: i3 здесь невидимо } } Нужна общая стратегия для эффективного использования обработчиков в программе. Все компоненты программы должны согласованно использовать особые ситуации и иметь общую часть для обработки ошибок. Механизм обработки особых ситуаций является нелокальным по своей сути, поэтому так важно придерживаться общей стратегии. Это предполагает, что стратегия обработки ошибок должна разрабатываться на самых ранних стадиях проектах. Кроме того, эта стратегия должна быть простой (по сравнению со сложностью всей программы) и ясной. Последовательно проводить сложную стратегию в такой сложной по своей природе области программирования, как восстановление после ошибок, будет просто невозможно. Прежде всего стоит сразу отказаться от того, что одно средство или один прием можно применять для обработки всех ошибок. Это только усложнит систему. Удачная система, обладающая устойчивостью к ошибкам, должна строиться как многоуровневая. На каждом уровне надо обрабатывать настолько много ошибок, насколько это возможно без нарушения структуры системы, оставляя обработку других ошибок более высоким уровням. Назначение terminate() поддержать такой подход, предоставляя возможность экстренного выхода из такого положения, когда нарушен сам механизм обработки особых ситуаций, или когда он используется полностью, но особая ситуация оказалась неперехваченной. Функция unexpected() предназначена для выхода из такого положения, когда не сработало основанное на описании всех особых ситуаций средство защиты. Это средство можно представлять как брандмауер, т.е. стену, окружающую каждую функцию, и препятствующую распространению ошибки. Попытка проводить в каждой функции полный контроль, чтобы иметь гарантию, что функция либо успешно завершится, либо закончится неудачно, но одним из определенных и корректных способов, не может принести успех. Причины этого могут быть различными для разных программ, но для больших программ можно назвать следующие: [1] работа, которую нужно провести, чтобы гарантировать надежность каждой функции, слишком велика, и поэтому ее не удастся провести достаточно последовательно; [2] появятся слишком большие дополнительные расходы памяти и времени, которые будут недопустимы для нормальной работы системы (будет тенденция неоднократно проверять на одну и ту же ошибку, а значит постоянно будут проверяться переменные с правильными значениями); [3] таким ограничениям не будут подчиняться функции, написанные на других языках; [4] такое понятие надежности является чисто локальным и оно настолько усложняет систему, что становится дополнительной нагрузкой для ее общей надежности. Однако, разбить программу на отдельные подсистемы, которые либо успешно завершаются, либо заканчиваются неудачно, но одним из определенных и корректных способов, вполне возможно, важно и даже выгодно. Таким свойством должны обладать основные библиотеки, подсистемы или ключевые функции. Описание особых ситуаций должно входить в интерфейсы таких библиотек или подсистем. Иногда приходится от одного стиля реакции на ошибку переходить на другой. Например, можно после вызова стандартной функции С проверять значение errno и, возможно, запускать особую ситуацию, а можно, наоборот, перехватывать особую ситуацию и устанавливать значение errno перед выходом из стандартной функции в С-программу: void callC() { errno = 0; cfunction(); if (errno) throw some_exception(errno); } void fromC() { try { c_pl_pl_function(); } catch (...) { errno = E_CPLPLFCTBLEWIT; } } При такой смене стилей важно быть последовательным, чтобы изменение реакции на ошибку было полным. Обработка ошибок должна быть, насколько это возможно, строго иерархической системой. Если в функции обнаружена динамическая ошибка, то не нужно обращаться за помощью для восстановления или выделения ресурсов к вызывающей функции. При таких обращениях в структуре системы возникают циклические зависимости, в результате чего ее труднее понять, и возможно возникновение бесконечных циклов в процессе обработки и восстановления после ошибки. Чтобы часть программы, предназначенная для обработки ошибок была более упорядоченной, стоит применять такие упрощающие дело приемы, как "запрос ресурсов путем инициализации", и исходить из таких упрощающих дело допущений, что "особые ситуации являются ошибками".

Упражнения

1. (*2) Обобщите класс STC до шаблона типа, который позволяет хранить и устанавливать функции разных типов. 2. (*3) Дополните класс CheckedPtrToT из $$7.10 до шаблона типа, в котором особые ситуации сигнализируют о динамических ошибках. 3. (*3) Напишите функцию find для поиска в бинарном дереве узлов по значению поля типа char*. Если найден узел с полем, имеющим значение "hello", она должна возвращать указатель на него. Для обозначения неудачного поиска используйте особую ситуацию. 4. (*1) Определите класс Int, совпадающий во всем со встроенным типом int за исключением того, что вместо переполнения или потери значимости в этом классе запускаются особые ситуации. Подсказка: см. $$9.3.2. 5. (*2) Перенесите из стандартного интерфейса С в вашу операционную систему основные операции с файлами: открытие, закрытие, чтение и запись. Реализуйте их как функции на С++ с тем же назначением, что и функций на С, но в случае ошибок запускайте особые ситуации. 6. (*1) Напишите полное определение шаблона типа Vector с особыми ситуациями Range и Size. Подсказка: см. $$9.3. 7. (*1) Напишите цикл для вычисления суммы элементов вектора, определенного в упражнении 6, причем не проверяйте размер вектора. Почему это плохое решение? 8. (*2.5) Допустим класс Exception используется как базовый для всех классов, задающих особые ситуации. Каков должен быть его вид? Какая от него могла быть польза? Какие неудобства может вызвать требование обязательного использования этого класса? 9. (*2) Напишите класс или шаблон типа, который поможет реализовать обратный вызов. 10. (*2) Напишите класс Lock (замок) для какой-нибудь системы, допускающей параллельное выполнение. 11. (*1) Пусть определена функция int main() { /*... */ } Измените ее так, чтобы в ней перехватывались все особые ситуации, преобразовывались в сообщения об ошибке и вызов abort(). Подсказка: в функции fromC() из $$9.8 учтены не все случаи.

* ГЛАВА 10. ПОТОКИ

"Доступно только то, что видимо" Б. Керниган В языке С++ нет средств для ввода-вывода. Их и не нужно, посколькутакие средства можно просто и элегантно создать на самом языке.Описанная здесь библиотека потокового ввода-вывода реализует строгийтиповой и вместе с тем гибкий и эффективный способ символьного ввода ивывода целых, вещественных чисел и символьных строк, а также являетсябазой для расширения, рассчитанного на работу с пользовательскими типамиданных. Пользовательский интерфейс библиотеки находится в файле<iostream.h>. Эта глава посвящена самой потоковой библиотеке, некоторымспособам работы с ней и определенным приемам реализации библиотеки.

ВВЕДЕНИЕ

Широко известна трудность задачи проектирования и реализациистандартных средств ввода-вывода для языков программирования.Традиционно средства ввода-вывода были рассчитаны исключительно нанебольшое число встроенных типов данных. Однако, в нетривиальныхпрограммах на С++ есть много пользовательских типов данных, поэтомунеобходимо предоставитьвозможность ввода-вывода значений таких типов. Очевидно, что средстваввода-вывода должны быть простыми, удобными, надежными в использованиии, что важнее всего, адекватными. Пока никто не нашел решения, котороеудовлетворило бы всех; поэтому необходимо дать возможность пользователюсоздавать иные средства ввода-вывода, а также расширять стандартныесредства ввода-вывода в расчете на определенное применение. Цель создания С++ была в том, чтобы пользователь мог определить новыетипы данных, работа с которыми была бы столь же удобна и эффективна каки со встроенными типами. Таким образом, кажется разумным потребовать,чтобы средства ввода-вывода для С++ программировались с использованиемвозможностей С++, доступных каждому. Представленные здесь потоковыесредства ввода-вывода появились в результате попытки удовлетворитьэтим требованиям.Основная задача потоковых средств ввода-вывода - это процесспреобразования объектов определенного типа в последовательность символови наоборот. Существуют и другие схемы ввода-вывода, но указанная являетсяосновной, и если считать символ просто набором битов, игнорируя егоестественную связь с алфавитом, то многие схемы двоичного ввода-выводаможно свести к ней. Поэтому программистская суть задачи сводится кописанию связи между объектом определенного типа и бестиповой (чтосущественно) строкой. Последующие разделы описывают основные части потоковой библиотеки С++: 10.2 Вывод: То, что для прикладной программы представляется выводом, на самом деле является преобразованием таких объектов как int, char *, complex или Employee_record в последовательность символов. Описываются средства для записи объектов встроенных и пользовательских типов данных.10.3 Ввод: Описаны функции для ввода символов, строк и значений встроенных и пользовательских типов данных.10.4 Форматирование: Часто существуют определенные требования к виду вывода, например, int должно печататься десятичными цифрами, указатели в шестнадцатеричной записи, а вещественные числа должны быть с явно заданной точностью фиксированного размера. Обсуждаются функции форматирования и определенные программистские приемы их создания, в частности, манипуляторы.10.5 Файлы и потоки: Каждая программа на С++ может использовать по умолчанию три потока - стандартный вывод (cout), стандартный ввод (cin) и стандартный поток ошибок (cerr). Чтобы работать с какими- либо устройствами или файлами надо создать потоки и привязать их к этим устройствам или файлам. Описывается механизм открытия и закрытия файлов и связывания файлов с потоками.10.6 Ввод-вывод для С: обсуждается функция printf из файла <stdio.h> для С а также связь между библиотекой для С и <iostream.h> для С++.Укажем, что существует много независимых реализацийпотоковой библиотеки ввода-вывода и набор средств, описанных здесь, будеттолько подмножеством средств, имеющихся в вашей библиотеке. Говорят,что внутри любой большой программы есть маленькая программа, котораястремится вырваться наружу. В этой главе предпринята попытка описатькак раз маленькую потоковую библиотеку ввода-вывода, которая позволитоценить основные концепции потокового ввода-вывода и познакомитьс наиболее полезными средствами. Используя только средства,описанные здесь, можно написать много программ; если возникнетнеобходимость в более сложных средствах, обратитесь за деталями к вашемуруководству по С++. Заголовочный файл <iostream.h> определяет интерфейспотоковой библиотеки. В ранних версиях потоковой библиотеки использовалсяфайл <stream.h>. Если существуют оба файла, <iostream.h> определяет полныйнабор средств, а <stream.h> определяет подмножество, котороесовместимо с ранними, менее богатыми потоковыми библиотеками. Естественно, для пользования потоковой библиотекой вовсе не нужнознание техники ее реализации, тем более, что техника может бытьразличной для различных реализаций. Однако, реализация ввода-выводаявляется задачей, диктующей определенные условия, значит приемы, найденныев процессе ее решения, можно применить и для других задач, а само эторешение достойно изучения.

ВЫВОД

Строгую типовую и единообразную работу как со встроенными, так и спользовательскими типами можно обеспечить, если использоватьединственное перегруженное имя функции для различных операций вывода.Например: put(cerr,"x = "); // cerr - выходной поток ошибок put(cerr,x); put(cerr,'\n'); Тип аргумента определяет какую функцию надо вызывать в каждом случае.Такой подход применяется в нескольких языках, однако, это слишкомдлинная запись. За счет перегрузки операции <<, чтобы она означала"вывести" ("put to"), можно получить более простую запись и разрешитьпрограммисту выводить в одном операторе последовательность объектов,например так: cerr << "x = " << x << '\n'; Здесь cerr обозначает стандартный поток ошибок. Так, если х типа intсо значением 123, то приведенный оператор выдаст x = 123 и еще символ конца строки в стандартный поток ошибок. Аналогично, если химеет пользовательский тип complex со значением (1,2.4), то указанныйоператор выдаст x = (1,2.4) в поток cerr. Такой подход легко использовать пока x такого типа, длякоторого определена операция <<, а пользователь может простодоопределить << для новых типов. Мы использовали операцию вывода, чтобы избежать многословности,неизбежной, если применять функцию вывода. Но почему именно символ <<?Невозможно изобрести новую лексему (см. 7.2). Кандидатом для ввода ивывода была операция присваивания, но большинство людей предпочитает,чтобы операции ввода и вывода были различны. Более того, порядоквыполнения операции = неподходящий, так cout=a=b означает cout=(a=b).Пробовали использовать операции < и >, но к ним так крепко привязанопонятие "меньше чем" и "больше чем", что операции ввода-вывода с нимиво всех практически случаях не поддавались прочтению. Операции << и >> похоже не создают таких проблем. Они асиметричны,что позволяет приписывать им смысл "в" и "из". Они не относятся к числунаиболее часто используемых операций над встроенными типами, априоритет << достаточно низкий, чтобы писать арифметические выражения вкачестве операнда без скобок: cout << "a*b+c=" << a*b+c << '\n'; Скобки нужны, если выражение содержит операции с более низкимприоритетом: cout << "a^b|c=" << (a^b|c) << '\n'; Операцию сдвига влево можно использовать в операции вывода, но, конечно,она должна быть в скобках: cout << "a<<b=" << (a<<b) << '\n';

Вывод встроенных типов

Для управления выводом встроенных типов определяется класс ostreamс операцией << (вывести): class ostream: public virtual ios { //... public: ostream& operator<<(const char*); //строки ostream& operator<<(char); ostream& operator<<(short i) { return *this << int(i); } ostream& operator<<(int); ostream& operator<<(long); ostream& operator<<(double); ostream& operator<<(const void*); // указатели //... }; Естественно, в классе ostream должен быть набор функций operator<<()для работы с беззнаковыми типами. Функция operator<< возвращает ссылку на класс ostream, изкоторого она вызывалась, чтобы к ней можно было применить еще разoperator<<. Так, если х типа int, то cerr << "x = " << x; понимается как (cerr.operator<<("x = ")).operator<<(x); В частности, это означает, что если несколько объектов выводятся спомощью одного оператора вывода, то они будут выдаваться вестественном порядке: слева - направо. Функция ostream::operator<<(int) выводит целые значения, афункция ostream::operator<<(char) - символьные. Поэтому функция void val(char c) { cout << "int('"<< c <<"') = " << int(c) << '\n'; } печатает целые значения символов и с помощью программы main() { val('A'); val('Z'); } будет напечатано int('A') = 65 int('Z') = 90 Здесь предполагается кодировка символов ASCII, на вашей машине может бытьиной результат. Обратите внимание, что символьная константа имееттип char, поэтому cout<<'Z' напечатает букву Z, а вовсе не целое 90. Функция ostream::operator<<(const void*) напечатает значениеуказателя в такой записи, которая более подходит для используемойсистемы адресации.Программа main() { int i = 0; int* p = new int(1); cout << "local " << &i << ", free store " << p << '\n'; } выдаст на машине, используемой автором, local 0x7fffead0, free store 0x500c Для других систем адресации могут быть иные соглашения об изображениизначений указателей. Обсуждение базового класса ios отложим до 10.4.1.