Telecooperation/RBG Technische Universität Darmstadt Copyrighted material; for TUD student use only Grundlagen der Informatik I Thema 16: Ausnahmebehandlung.

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1 Telecooperation/RBG Technische Universität Darmstadt Copyrighted material; for TUD student use only Grundlagen der Informatik I Thema 16: Ausnahmebehandlung Prof. Dr. Max Mühlhäuser Dr. Guido Rößling

2 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Übersicht Fehler und deren Klassifizierung Fehlerbehandlung ohne eigenständige Sprachmechanismen und deren Probleme Grundkonzepte der Fehlerbehandlung mit eigenständigen Sprachmechanismen am Beispiel von Java Vorteile der Fehlerbehandlung mit eigenständigen Sprachmechanismen am Beispiel von Java Zusammenfassung 2

3 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Lexikalische Fehler: Falsche oder unbekannte Worte //... int[] result = neu int[5]; result.size(); //... Syntaxfehler: Falsche Anordnung von Worten //... move(); public static void main(String[] args) { //... } Klassifikation von Fehlern 3 Lexikalische und syntaktische Fehler werden vom Compiler entdeckt und signalisiert

4 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Klassifikation von Fehlern 4 Laufzeitfehler: ein Ereignis, das während des Ablaufs eines Programms vorkommt und den normalen Kontrollfluss der Anweisungen stört Fehlerterminierung –Division durch 0 –Ein Grafikobjekt soll gezeichnet werden, existiert aber nicht Intentionsfehler: Programm läuft, aber mit unerwünschtem Ergebnis

5 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Fehlerbehandlung 5 Umgang mit Fehlern ist ein wichtiger Teil der Softwareentwicklung: Qualitätszusicherung! Die übliche Reaktion auf nicht abgefangene Ausnahmesituationen: Programmabsturz! –Das kann manchmal besser sein als fehlerhafte Ereignisse, die für eine lange Zeit unentdeckt bleiben. Komplexe Programme/verteilte Anwendungen ohne jede Reaktion auf Ausnahmen sind nicht akzeptabel. Telekommunikationssysteme Steuerungssysteme, z.B. Raketen, Kernkraftwerke Programme, die tolerant (gracefully) mit Fehlern umgehen, werden robust genannt.

6 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Fehlerbehandlung, Bug, Debugging 6 Diese Vorlesung Laufzeitfehler abfangen und beheben –Schwerwiegende versus leichtgewichtige Fehler Nächste Vorlesung Intentionsfehler: Testen/verifizieren, dass die Software das tut, was sie tun sollte Bug: Bezeichnung für alle Programmfehler –Ursprung: Im einem Computer löste ein totes Insekt (engl. Bug) in einem Relais einen Fehler aus. –Meist schwer zu finden, 100% Bug-free – unmöglich Debugging = Fehlersuche Beide Worte sind auf Grace Hopper zurückzuführen

7 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Schwerwiegende Laufzeitfehler (Error) Zwei Sorten von schwerwiegenden Laufzeitfehlern –Systemfehler: Fehler in der Java-VM, Speichermangel, … Nicht Schuld von Anwendungsprogrammierer Können prinzipiell nicht abgefangen werden und führen direkt zum Programmabsturz –Programmierfehler, nach denen eine Programmfortsetzung nicht mehr möglich ist Eine benötigte Klasse ist nicht vorhanden 7

8 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Leichtgewichtige Fehler Ausnahme (Exception) können innerhalb des Programms abgefangen werden; Programmfortsetzung ist möglich. Problem: Eingabe eines fehlerhaften Dateinamens durch Benutzer Behebung: Neueingabe verlangen Problem: Fehlerhafte Daten in einer Datei, die ignoriert werden können, z.B. nicht interpretierbare Bild- oder Audiosignale Behebung: Ignorieren Problem: Zusammenbruch einer Netzverbindung Behebung: Neuaufbau der Verbindung 8

9 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Einige typische Ausnahmen 9 Problem: Sende eine Nachricht an " null " Ergebnis: NullPointerException Zugriff auf eine Methode oder Instanzvariable eines nicht- existierenden Objekts (null) Die Existenz eines Objekts sollte vor dem Zugriff geprüft werden! public void printPerson() { Person aPerson = null; //... printName(aPerson); //... } public void printName(Person p) { System.out.println(p.name); }

10 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Einige typische Ausnahmen 10 int[] matrikelNummern = new int[27]; for (int i = 0; i <= 27; i++) System.out.println(matrikelNummern[i]); Problem: illegaler Array-Zugriff mit i == 27 Ergebnis: ArrayIndexOutOfBoundsException Gültig sind nur Positionen i mit 0 <= i < array.length Besonders trickreich bei Aufrufparametern Immer erst überprüfen, wie viele Argumente es gibt (args.length)

11 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Einige typische Ausnahmen public static void main(String[] args) { int count; count = Integer.parseInt(args[1]); //... } 11 Problem 2: Versuch eine Nicht-Zahl zu parsen, falls args[1] z.B. "Hello" ist. Text kann nicht in eine Zahl umgewandelt werden. Ergebnis: NumberFormatException Problem 1: illegaler Array-Zugriff, falls keine Parameter an das Programm übergeben wurden. In diesem Fall hat args keine Elemente – Zugriff auf args[1] schlägt fehl. Ergebnis: ArrayIndexOutOfBoundsException Code führt potentiell mehrere Fehler mit!

12 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Fehlerbehandlung Zwei Arten von Fehlerbehandlung: –Ohne eigenständige Sprachmechanismen In Sprachen wie C oder Pascal –Mit eigenständigen Sprachmechanismen In Sprachen wie etwa Ada, Smalltalk, Java Im folgenden werden wir –Die Probleme der Sprachen ohne dedizierte Fehlerbehandlungsmechanismen diskutieren –Fehlerbehandlung mit dedizierten Sprachmechanismen und deren Vorteile am Beispiel von Java vorstellen 12

13 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Übersicht Fehler und deren Klassifizierung Fehlerbehandlung ohne eigenständige Sprachmechanismen und deren Probleme Grundkonzepte der Fehlerbehandlung mit eigenständigen Sprachmechanismen am Beispiel von Java Vorteile der Fehlerbehandlung mit eigenständigen Sprachmechanismen am Beispiel von Java Zusammenfassung 13

14 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Fehlerbehandlung ohne Sprachmechanismen Zwei Möglichkeiten von Fehlersignalisierung: –Programmabbruch (!) - Prozeduren/ Funktionen einer Sprache, melden keine Fehler Zugriffsversuch auf eine nicht vorhandene Datei endete in alten Versionen von Pascal mit einem Programmabsturz. –Fehler werden signalisiert Meist über unübliche Rückgabewerte von Methoden z.B. –1 statt positiver Zahl Abfangen und Behandlung von Fehlern: –Fehlerbehandlung wird (vom Programmierer) ignoriert –Fehler werden behandelt, z.B. über Fallunterscheidungen 14

15 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Fehlerbehandlung ohne Sprachmechanismen Wir betrachten den Fall: –Unübliche Rückgabewerte zur Signalisierung –Bedingungslogik zur Behandlung Problem: Keine Trennung der normalen Verarbeitung von der Fehlerbehandlung Betrachten wir eine Funktion (in Pseudocode), die eine ganze Datei von der Festplatte in den Hauptspeicher liest. 15 readFile { open the file; determine its size; allocate that much memory; read the file into memory; close the file; }

16 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Fehlerbehandlung ohne Sprachmechanismen Auf dem ersten Blick wirkt die Funktion sehr simpel Aber sie ignoriert alle möglichen Fehler: –Die Datei kann nicht geöffnet werden. –Die Länge der Datei kann nicht festgestellt werden. –Es ist nicht genug Platz im Hauptspeicher vorhanden. –Lesen von der Datei schlägt fehl. –Die Datei kann nicht geschlossen werden. Um diese Fälle zu behandeln, müssen wir eine Menge Code hinzufügen, wie die folgende Implementierung zeigt. 16

17 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Fehlerbehandlung ohne Sprachmechanismen 17 errorCodeType readFile { initialize errorCode = 0; open the file; if (theFileIsOpen) { determine the length of the file; if (gotTheFileLength) { allocate that much memory; if (gotEnoughMemory) { read the file into memory; if (readFailed) { errorCode = -1; } } else { errorCode = -2; } } else { errorCode = -3; } close the file; if (theFileDidntClose && errorCode == 0) { errorCode = -4; } else { errorCode = errorCode && -4; } } else { errorCode = -5; } return errorCode; }

18 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Fehlerbehandlung ohne Sprachmechanismen Mit eingebauter Fehlerbehandlung bekommen wir 29 anstelle von 7 Zeilen Code - ein Faktor von fast 400%! Der Ursprungscode geht in dem Code für Entdeckung, Signalisierung und Behandlung von Fehlern verloren. Der logische Fluss des Codes ist verloren gegangen, was die Beurteilung, ob der Code das Richtige macht, sehr erschwert. –Wird die Datei tatsächlich in dem Fall geschlossen, dass es nicht genügend Speicherplatz gibt? Noch schwieriger wird es, wenn die Funktion später modifiziert wird! 18

19 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Fehlerbehandlung ohne Sprachmechanismen Schlussfolgerung: Konflikt zwischen Zuverlässigkeit und Übersichtlichkeit –Werden Fehler behandelt, so entstehen unübersichtliche Programmstrukturen (z.B. viele Fallunterscheidungen) –Werden Fehler ignoriert, so ist die Zuverlässigkeit des Programms nicht sichergestellt 19 Eine Ausnahmebehandlung ohne eigenständige Sprachkonstrukte hat sich nicht bewährt ! Eine Ausnahmebehandlung ohne eigenständige Sprachkonstrukte hat sich nicht bewährt !

20 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Übersicht Fehler und deren Klassifizierung Fehlerbehandlung ohne eigenständige Sprachmechanismen und deren Probleme Grundkonzepte der Fehlerbehandlung mit eigenständigen Sprachmechanismen am Beispiel von Java Vorteile der Fehlerbehandlung mit eigenständigen Sprachmechanismen am Beispiel von Java Zusammenfassung 20

21 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Ausnahmebehandlung in Java In Java werden Ausnahmen als Objekte dargestellt. Der Java-Compiler erzwingt die Behandlung von bestimmten Typen von Fehlern Wenn ein Fehler während der Ausführung einer Methode auftritt: –Die Methode [oder das Laufzeitsystem] erzeugt und wirft ein Ausnahme- Objekt, das Information über den Fehlertyp und Status des Programms, als der Fehler passierte, usw. enthält –Die Ausnahme wird ausgelöst: die Kontrolle und das erzeugte Ausnahme- Objekt wird dem Laufzeitsystem übergeben. –Das Laufzeitsystem sucht Code für die Behandlung der Ausnahme. Kandidaten dafür sind Methoden in der Aufrufkette der Methode, in der der Fehler auftrat. Die Aufrufkette wird rückwärts durchsucht. 21

22 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Auslösen von Ausnahmen 22 Die Batterien sind möglicherweise (fast) leer. Um einen Programmabsturz zu vermeiden, soll eine Ausnahme ausgelöst werden BatteryLowException Möglicherweise liegt keine Berechtigung vor, das Auto zu fahren Ausnahme : SecurityException public class Car { public void start() { //... // battery might be empty // driver might not be authorized }

23 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 public class Car { public void start() { if (battery == 0) throw new BatteryLowException( "Battery is empty"); if (!driver.isAuthorized()) throw new SecurityException( "No access rights"); // start the car } } Auslösen von Ausnahmen 23 throw -Anweisung: " throw " Exception-Object. Nebenbedingung: Exception-Object muss vom Typ Exception abgeleitet sein (mehr gleich). Fast immer direkt durch new erzeugt. Dieser Code wird vom Übersetzer so nicht akzeptiert !

24 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Deklaration eventuell ausgelöster Ausnahmen 24 public class Car { public void start() throws BatteryLowException, SecurityException { //... // start car } Die Operation muss in der Signatur deklarieren, dass sie potentiell Ausnahmen wirft! Potentiell ausgelöste Ausnahmen gehören zu der Signatur einer Methode genau so wie der Rückgabetyp. Syntax der Deklaration: "throws". = {"," }. Es können mehrere Ausnahmetypen deklariert werden Java Compiler überprüft, ob die Deklaration korrekt ist –Können undeklarierte, unbehandelte Ausnahmen auftreten?

25 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Aufruf von Methoden, die Ausnahmen auslösen 25 //... car.start(); //... } public class Bar { //... public void doSmthWithCar(Car car) { Dieser Code wird vom Übersetzer nicht akzeptiert !!! Grund: doSmthWithCar ruft eine Methode auf, welche Ausnahmen auslösen könnte. Diese werden aber ignoriert Programmabsturz!

26 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Aufruf von Methoden, die Ausnahmen auslösen 26 public class Bar { public void doSmthWithCar(Car car) { //... try { car.start(); } catch (BatteryLowException ble) { // Exception handling } catch (SecurityException se) { // Exception handling } //... } } 1. Möglichkeit: Die aufrufende Methode behandelt die von aufgerufenen Methoden erzeugten Ausnahmen try -Block signalisiert die Bereitschaft, auftretende Ausnahmen abzufangen und zu behandeln Das Abfangen und die Behandlung von Ausnahmen erfolgt in catch -Blocks.

27 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Behandlung auftretender Ausnahmen Jeder catch -Block deklariert einen formalen Parameter –Beispiel: catch(SecurityException e) Der Parametertyp legt den Ausnahmetyp fest, welchen der catch - Block abfängt und behandelt –Hier: SecurityException Der Parameter (hier: e ) ist lokale Variable im catch -Block –Erlaubt Verweise auf das zu behandelte Ausnahme-Objekt –Erlaubt Zugriff auf Methoden oder Attribute der Ausnahme Ausnahmen sind im Prinzip ganz normale Java Objekte, definiert in ganz normalen Java Klassen! Typische Methodenaufrufe: –e.getMessage() – Zugriff auf Fehlermeldungstext –e.printStackTrace() – Aufrufreihenfolge ausgeben 27

28 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Behandlung mehrerer Ausnahmen eines Blocks Wie behandelt man mehrere mögliche Ausnahmen eines Befehls oder Befehlsblocks? Es können mehrere catch -Blöcke zu einem try -Block angegeben werden! –Einzelne Befehle, die möglicherweise mehrere Ausnahmen auslösen können, werden auch in einem try -Block eingeschlossen. Es wird der erste passende catch -Block ausgeführt –Vorsicht, wenn Ausnahmen in einer Vererbungsbeziehung stehen (mehr gleich)! 28

29 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Weiterreichen auftretender Ausnahmen 29 2. Möglichkeit: Die aufrufende Methode reicht alle oder einige der Ausnahmen entlang der Aufrufkette weiter. 2. Möglichkeit: Die aufrufende Methode reicht alle oder einige der Ausnahmen entlang der Aufrufkette weiter. public class Bar { public void doSmthWithCar(Car car) throws BatteryLowException, SecurityException { //... car.start(); //... } }

30 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 public class Client { public static void main(String[] args) { //... Car car =...; Bar o2 = new Bar(); o2.doSmthWithCar(car); //... } Weiterreichen auftretender Ausnahmen 30 o2: Bar:Car o2.doSmthWithCar() main start() Suche die erste Methode, die einen catch-Block für die ausgelöste Ausnahme hat, und fahre mit dem Code im catch-Block fort. Wird kein passender catch -Block gefunden, endet das Programm mit einer Fehlermeldung. :Client

31 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Sicherstellung der Ausführung von Aktionen Wie kann sichergestellt werden, dass in jedem Fall bestimmte Aktionen ausgeführt wurden? Problem: Bei Programmen mit Ausnahmebehandlung gibt es mehrere Möglichkeiten, das Programm zu verlassen. –Manchmal müssen bestimmte Aktionen garantiert werden, egal, ob nun eine Ausnahme aufgetreten ist oder nicht. Beispiel: Schreiben in eine erfolgreich geöffnete Datei –Die Datei sollte in jedem Fall geschlossen werden – egal, ob Daten schreibbar waren oder nicht 31

32 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Der finally -Block 32 public void test() { Switch sw = new Switch(); try { sw.on(); // code der evtl. Exceptions wirft sw.off(); } catch (BatteryLowException e) { sw.off(); // unnoetige Code-Duplikation System.err.println("Caught BatteryLowException"); } catch (SecurityException e) { sw.off(); // unnoetige Code-Duplikation System.err.println("Caught SecurityException"); } Code-Duplikation

33 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Sicherstellung der Ausführung von Aktionen Dazu bietet Java den finally -Block Befehle des finally -Blocks werden immer ausgeführt: –Nach Ende des try -Blocks, falls keine Ausnahme auftrat –Nach Ende eines catch -Blocks, falls eine Ausnahme auftrat 33 public void test() { Switch sw = new Switch(); try { sw.on(); // code that may throw exceptions } catch (BatteryLowException blExc) { //... } catch (SecurityException secEx) { //... } finally { sw.off(); } sw wird auf jeden Fall abgeschaltet, unabhängig vom Kontrollfluss des Programms

34 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Vorteile des finally -Blocks Die Anweisungen des finally -Blocks werden unabhängig vom Auftreten einer Ausnahme ausgeführt –Keine Duplizierung von Code, der in jedem Fall – ob mit oder ohne Exception – auszuführen ist Achtung: –Befehle im finally -Block können wiederum Ausnahmen auslösen! Schließen von Dateien oder Netzwerkverbindungen, Null Pointer,... –Behandlung im finally -Block wie in jedem anderen Block... 34

35 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Übersicht Fehler und deren Klassifizierung Fehlerbehandlung ohne eigenständige Sprachmechanismen und deren Probleme Grundkonzepte der Fehlerbehandlung mit eigenständigen Sprachmechanismen am Beispiel von Java Vorteile der Fehlerbehandlung mit eigenständigen Sprachmechanismen am Beispiel von Java Zusammenfassung 35

36 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Vorteile der Fehlerbehandlung mit eigenständigen Sprachmechanismen 1.Trennung der normalen Verarbeitung von der Fehlerbehandlung 2.Weitergabe von Fehlern entlang der dynamischen Aufrufkette 3.Unterscheidung und Gruppierung verschiedener Fehlertypen 4.Kontrolle durch den Compiler, dass bestimmte Fehlertypen auf jeden Fall behandelt werden 36

37 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 1. Trennung der Fehlerbehandlung Javas Konstrukte für Ausnahmebehandlung ermöglichen die Trennung des normalen Programmcodes von Fehlerbehandlung Achtung! Ausnahme- behandlung erspart keine Arbeit –Der Vorteil liegt in der Trennung. 37 void readFile() { try { open the file; determine its size; allocate that much memory; read the file into memory; close the file; } catch (fileOpenFailed) { doSomething; } catch (sizeDeterminationFailed) { doSomething; } catch (memoryAllocationFailed) { doSomething; } catch (readFailed) { doSomething; } catch (fileCloseFailed) { doSomething; }

38 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 2. Fortpflanzung der Ausnahmen Angenommen, readFile ist die vierte Methode in einer Kette von Methodenaufrufen: method1, method2, method3, readFile –Dabei ist method1 die einzige Methode, die daran interessiert ist, die Fehler von readFile zu behandeln. In traditionellen Sprachen müssen method2 und method3 die Fehlerkodierungen weiterleiten, die von readFile zurückgegeben werden, bis sie method1 erreichen. 38 method1 { call method2; } method2 { call method3; } method3 { call readFile; }

39 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 2. Fortpflanzung der Ausnahmen 39 method1 { errorCodeType error; error = call method2; if (error) doErrorProcessing; else proceed; } errorCodeType method2 { errorCodeType error; error = call method3; if (error) return error; else proceed; } errorCodeType method3 { errorCodeType error; error = call readFile; if (error) return error; else proceed; }

40 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 2. Fortpflanzung der Ausnahmen Im Gegensatz dazu sucht das Laufzeitsystem von Java rückwärts in der Aufrufkette nach Methoden, die an der Behandlung der Fehler interessiert sind. 40 method1 { try { call method2; } catch (exception) { doErrorProcessing; } method2 throws exception { call method3; } method3 throws exception { call readFile; }

41 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 3. Hierarchie der Java Ausnahmetypen Alle Ausnahmetypen in Java erben von der vordefinierten Klasse java.lang.Throwable 41 schwerwiegende" VM Ausfälle sollen und können nicht von einem Programm abgefangen werden können ignoriert werden können vom Programmierer erweitert werden

42 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Die Klasse Throwable 42 Throwable() Throwable(String) getMessage() printStackTrace() printStackTrace(PrintStream)... Throwable Erzeugt ein Throwable -Objekt mit einer spezifischen Fehlermeldung (error-message) Gibt Fehlermeldung zurück Gibt die Aufrufkette beim Auslösen der Ausnahme aus

43 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Methoden der Klasse Exception 43 public class ExceptionMethods { public static void main(String[] args) { try { throw new Exception("Hier kommt eine Exception"); } catch (Exception e) { System.out.println("Exception gefangen"); System.out.println("e.getMessage(): "+e.getMessage()); System.out.println("e.toString(): "+e.toString()); System.out.println("e.printStackTrace():"); e.printStackTrace(); }

44 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Schwerwiegende Fehler: Error Es macht keinen Sinn sie abzufangen und zu behandeln: Compiler erzwingt nicht die Behandlung von diesen Fehlern. Führen zum Programmabsturz 44 Programm kann nicht fortgeführt werden, z.B. kein Speicher mehr vorhanden

45 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Ungeprüfte Ausnahmetypen: RuntimeException RuntimeException s sind Fehler, die überall im Programm auftreten könnten, abhängig von Laufzeitbedingungen: –Aufrufen einer Methode auf einem null -Objekt, der Versuch außerhalb der Grenzen eines Array zu lesen / schreiben, usw. 45 Diese Fehler können, müssen aber nicht abgefangen werden.

46 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Ungeprüfte Ausnahmetypen: RuntimeException Das Erzwingen der Behandlung dieser Fehler würde das Programm unnötig unübersichtlich machen, –Solche Fehler können potentiell überall auftreten … Ein catch -Block für NullPointerException wäre für jeden Operationsaufruf notwendig –Auch wenn der Programmierer sicher ist, dass eine Variable an einer bestimmten Stelle des Programms ein gültiges Objekt enthält –Der Compiler kann das statisch nicht testen 46 public static void main(String[] args) { // evtl. ArrayIndexOutOfBoundsExc., NumberFormatException Double doubleValue = Double.parseDouble(args[0]); // evtl. ArrayIndexOutOfBoundsExc., NumberFormatException Integer intValue = Integer.parseInt(args[1]) }

47 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Geprüfte Ausnahmetypen Geprüfte Ausnahmetypen sind alle Ausnahmetypen, die von Exception aber nicht von RuntimeException erben Mehrere vordefinierte Ausnahmeklassen: FileNotFoundException,IOException, etc. 47 Anwendungsspezifische Ausnahmen können vom Programmierer als direkte oder indirekte Erben von Exception definiert werden.

48 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Geprüfte Ausnahmetypen Compiler erzwingt die Behandlung von geprüften Ausnahmetypen Eine Methode muss für geprüfte Ausnahmen –entweder eine Behandlung definieren (catch), oder –alle Ausnahmen dieser Typen, die innerhalb des Methodenbereiches vorkommen, weitergeben, indem sie in einem throws -Ausdruck deklariert werden. 48 Der Bereich einer Methode M ist nicht nur der eigene Code, sondern auch der Code von Methoden, die von M aufgerufen werden. Diese Definition ist rekursiv.

49 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Gruppierung von Ausnahmetypen Exceptions sind normale Java-Objekte mit Vererbungshierarchie Daher kann man Specialisierungen / Verallgemeinerungen definieren zwischen den Exception-Typen Eine IndexOutOfBoundsException wird geworfen, wenn ein Index außerhalb des gültigen Bereiches liegt –ArrayIndexOutOfBoundsException ist eine Unterklasse für Array-Zugriffe –Außerhalb des Bereichs: Indexwert ist negativ oder größer oder gleich der Array-Länge Der Programmierer einer Methode kann mehr oder weniger spezifische Exceptions behandeln 49

50 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Gruppierung von Ausnahmetypen 50 public void op1() { //... catch (ArayIndexOutOfBoundsException invInd) { // macht etwas mit invInd } catch (NullPointerException npe) { // macht etwas mit npe } catch (NoSuchElementException eType) { // macht etwas mit eType } Die Fassung von op1 behandelt verschiedene Exceptions verschieden. public void op1() { //... catch (RuntimeException e) { // macht etwas mit e } Hier werden alle Exceptions gleich behandelt.

51 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Gruppierung von Ausnahmetypen 51 public void op1() { //... catch (RuntimeException e) { // macht etwas mit e } public void op1() { //... catch (Exception e) { // macht etwas mit e } Man könnte auch mit Fallunterscheidungen die verschiedenen Subtypen von RuntimeException unterscheiden. Die Fassung der vorherigen Folie ist: besser dokumentiert einfacher zu warten Man kann sogar alle Exceptions gleich behandeln. NICHT EMPFOHLEN!

52 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Gruppierung von Ausnahmetypen 52 public void op1() { //... catch (RuntimeException e) { // macht etwas mit e } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException invInd) { // macht etwas mit invInd } public void op1() { //... catch (ArrayIndexOutOfBoundsException invInd) { // macht etwas mit invInd } catch (RuntimeException e) { // macht etwas mit e } Laufzeitsystem wählt den ersten catch -Block, der den Typ der ausgelösten Ausnahme oder einen Supertyp davon behandelt. Was passiert bei der Auslösung einer ArrayIndexOutOfBoundsException ?

53 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Ist dieser Code OK? public class CarException extends Exception {} public class NoGasoline extends CarException {} public class NoSpecialGasoline extends NoGasoline {} public class BadWeather extends Exception {} public class Car { public void start() throws NoGasoline { … } public void stop() throws CarException { … } } public class SportsCar extends Car { public void start() throws NoSpecialGasoline { … } public void stop() throws BadWeather { … } public static void main(String[] args) { try { new SportsCar().start(); } catch (NoSpecialGasoline e) { } } 53

54 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Vererbung von Ausnahmen Regel 1: –Eine überschreibende Methode darf alle Ausnahmen, die von der überschriebenen Methode deklariert werden, oder davon abgeleitete werfen. Regel 2: –Methoden von abgeleiteten Klassen dürfen keine Ausnahmen werfen, die nicht vom gleichen Typ oder von einem Subtyp einer Ausnahme sind, die in der Methodensignatur der Basisklasse deklariert ist. 54

55 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Konstruktoren und Ausnahmen Vor Aufruf des Konstruktors der Basisklasse darf nichts stehen, nicht einmal ein try Block. Ausnahmen des Basisklassen-Konstruktors müssen im Konstruktor der abgeleiteten Klasse wieder aufgelistet werden. 55 public class Car { public Car() throws NoGasoline {} } public class SportsCar extends Car { public SportsCar throws NoGasoline { super(); //wirft vielleicht eine NoGasoline Ausnahme //... } NoGasoline kann nicht mit NoSpecialGasoline ersetzt werden

56 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Bedeutung von Namen Der Name einer Ausnahme ist typischerweise das wichtigste. In der Regel wählt man lange, aussagekräftige Namen. Der Code der Ausnahmeklasse selbst ist meistens minimal. Nachdem man eine Ausnahme gefangen hat, benötigt man sie in der Regel nicht mehr. 56

57 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Weiterleiten von Exceptions So viel wie möglich direkt erledigen und dann eine globalen Stelle den Rest erledigen lassen fillInStackTrace speichert im Throwable Objekt Informationen über den aktuellen Zustand des Aufruf-Stacks ab. 57 catch (Exception e) { System.out.println("An exception was thrown: "+e); throw e; // throw e.fillInStackTrace(); }

58 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Prüfen auf erwartete Ausnahmen in JUnit 4 Erinnern Sie sich an den Taschenrechner mit JUnit in T12? –Dort gab es eine Testmethode divideByZero() –Diese wirft bei Aufruf eine ArithmeticException Wir wollen testen, ob diese erwartete Exception auftritt –Wenn ja, ist das korrekt (erwartete Exception eingetreten) –Wenn nein, ist das ein Fehler Wie können wir die Exception über JUnit abfangen? Wir nutzen einen Parameter für die @Test-Annotation –@Test(expected=ExceptionType.class) Im Beispiel also: @Test(expected = ArithmeticException.class) public void divideByZero() { calculator.divide(0); } 58

59 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Übersicht Fehler und deren Klassifizierung Fehlerbehandlung ohne eigenständige Sprachmechanismen und deren Probleme Grundkonzepte der Fehlerbehandlung mit eigenständigen Sprachmechanismen am Beispiel von Java Vorteile der Fehlerbehandlung mit eigenständigen Sprachmechanismen am Beispiel von Java Zusammenfassung 59

60 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Zusammenfassung Jedes Programm kann prinzipiell Fehler enthalten Java unterstützt die Fehlerbehandlung –Errors sind schwerwiegende Fehler nicht behebbar –Ausnahmen sind Fehler, die behoben werden können Im wesentlichen drei Vorgehensweisen: –Deklarieren und Weiterreichen der Ausnahme erfolgt durch throws und Ausnahmetyp im Methodenkopf –Behandeln der Ausnahme(n) in try…catch der Methode –Laufzeit-Ausnahmen können ignoriert, dürfen aber natürlich auch behandelt werden! 60

61 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Zusammenfassung Die Exception-Behandlung erfolgt in try...catch –Ausnahmen auslösende Befehle (meist Methodenaufrufe) stehen in einem try -Block –Mögliche Ausnahmen werden in catch -Blöcken behandelt –Jeder catch -Block behandelt einen Ausnahmetyp –Dazu wird ein Parameter vom Ausnahmetyp deklariert Die Suche nach dem passenden catch erfolgt von oben nach unten –Der erste passende catch -Block wird genutzt –Bei der Anordnung ist die Vererbungshierarchie beachten! Befehle im finally -Block werden stets ausgeführt –Egal, ob eine Ausnahme auftrat oder nicht –Ideal, um sauberzumachen, etwa Dateien zu schließen 61

62 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Zusammenfassung: Kontrollfluss im Fehlerfall Wie sieht der Kontrollfluss im Fehlerfall aus? 1.Erzeugung eines passenden Ausnahme-Objekts Das Ausnahme-Objekt beschreibt Problem und ggf. Ursache Aktuelle Klasse (Name!), evtl. Codezeile, Fehlerbeschreibung (Text) Die Anlegung des Ausnahme-Objekts kann erfolgen... automatisch durch das Laufzeitsystem (z.B. NullPointerException ) durch Methodenaufrufe ausgelöst (z.B. FileNotFoundException ) durch den Programmierer mittels throw new XXX() 2.Die Laufzeitumgebung sucht nach passendem catch Zunächst im aktuellen Block bis hin zur aktuellen Methode Dann in der Methode, die diese Methode aufrief…...und so weiter in der Aufrufkette, ggf. bis zum Start des Programms 62

63 Dr. G. Rößling Prof. Dr. M. Mühlhäuser RBG / Telekooperation © Grundlagen der Informatik I: T16 Ablauf: Ausnahmebehandlung 63 Ausnahme des Typs TE wird in einem try-Block ausgelöst Verlassen des try-Blocks Durchsuchen der catch-Klauseln Ausführung der Anweisungen des ersten solchen catch-Blocks Ausführung der Anweisungen des (optionalen) finally-Blocks Fortsetzung hinter try- Block Weitergabe des neuen Ausnahmeobjekts an den umliegenden try-Blocks ja nein (catch-Typ=TE oder catch-Typ ist Oberklasse von TE) gefunden? catch-Block durchlaufen, ohne neue Ausnahme auszulösen? Ausführung der Anweisungen des (optionalen) finally-Blocks