VÝJIMKY; PRINCIP RAII
PB161 PROGRAMOVÁNÍ V JAZYCE C++
Nikola Beneš
2. dubna 2024
VÝJIMKY
MOTIVACE
Obsluha chyb / výjimečných situací za běhu programu
• speciální chybová hodnota, globální příznak
• horší čitelnost kódu
• implicitní ignorování chyb
• lokalita obsluhy chyby (výhoda i nevýhoda)
• výjimky (exceptions)
• signál, že funkce (metoda, …) nemůže skončit běžným způsobem
• vyhození výjimky (throw)
• zachycení výjimky (catch) a reakce na ni –
v libovolné nadřazené funkci (z hlediska zásobníku volání)
When was the last time you checked the return value of printf?
(Bjarne Stroustrup)
1
SYNTAX VÝJIMEK
Vyhození výjimky throw
• výjimkou smí být libovolná hodnota
• hierarchie výjimek ve standardní knihovně: std::exception
void communicate() {
if (fail) {
throw std::runtime_error("disconnected");
}
std::cout << "communicating...\n";
}
2
exceptions.cpp
SYNTAX VÝJIMEK
Zachycení výjimky try { ... } catch ( ... ) { ... }
• bloků catch může být i více (pro různé typy výjimek)
• možné reakce v bloku catch
• vyřešení problému
• opětovné vyhození stejné výjimky throw;
• vyhození jiné výjimky (nahrazení, ne řetězení)
try {
connection con;
con.communicate();
} catch (std::runtime_error& ex) {
std::cerr << "Runtime error: "
<< ex.what() << '\n';
}
3
exceptions.cpp
MECHANISMUS ZACHYTÁVÁNÍ VÝJIMEK
1. vyhodí se výjimka
2. prochází se skrz zásobník funkcí, dokud se nenarazí na blok try
3. hledá se související blok catch, který může výjimku zachytit
• stejný typ výjimky a parametru
• parametr je reference na typ výjimky
• parametr je předek typu výjimky (reference, ukazatel)
• (...) chytá vše
4. pokud se najde správný blok catch:
• konec života lokálních objektů
• ve všech blocích, které jsme opustili
• tzv. odvinování zásobníku (stack unwinding)
• nakonec se provede tělo bloku catch
5. pokud se správný blok catch nenajde, pokračuje se s hledáním
od bodu 2
6. pokud se výjimka nezachytí nikde, zavolá se std::terminate
• v tom případě se destruktory nemusí zavolat
4
VÝJIMKY A EFEKTIVITA
Moderní implementace – tzv. „zero-cost exceptions“
• optimalizace pro „šťastnou cestu“ (happy path) bez chyb
• režie pro blok try je (skoro) nulová
• výkonost programu, pokud k žádné výjimce nedojde,
je (prakticky) stejná, jako by se výjimky vůbec nepoužily
• ale mašinérie zachytávání je náročná a pomalá
Důsledek: výjimky používejte jen k řešení výjimečných situací
5
STANDARDNÍ A VLASTNÍ VÝJIMKY
Hierarchie výjimek standardní knihovny
• https://en.cppreference.com/w/cpp/error/exception
• používá podtypový polymorfismus (virtuální metody)
• metoda what() vrací popis výjimky
• vyhazovány standardní knihovnou, jazykovými konstrukcemi
• metoda at() u kontejnerů
• operátor new
• …
Vlastní výjimky
• výjimkou může být libovolná hodnota
• bývá zvykem pro vlastní výjimky používat
• standardní výjimky
• objekty vlastních typů
• objekty vlastních typů, které dědí ze standardních výjimek
6
ZACHYTÁVÁNÍ VÝJIMEK
• bloky catch se prochází postupně dle pořadí v kódu
• první použitelný catch se použije
• důsledek pro hierarchie výjimek:
pořadí musí jít od konkrétních (potomků) k obecným (předkům)
try {
// ...
} catch (std::runtime_error& ex) {
std::cerr << "Runtime error: "
<< ex.what() << '\n';
} catch (std::exception& ex) {
std::cerr << "Generic exception: "
<< ex.what() << '\n';
}
7
exceptions.cpp
ZACHYTÁVÁNÍ VÝJIMEK
catch (...)
• zachycení libovolné výjimky
• nemáme (snadný) přístup k objektu výjimky
• odvážní mohou hledat std::current_exception()
• můžeme znovu vyhodit stejnou výjimku pomocí throw;
• logování problémů
• speciální funkce pro zpracování výjimek
try {
do_something();
} catch (...) {
handle_exception();
}
8
catch_all.cpp
ŽIVOTNÍ CYKLUS VÝJIMKY
Objekt výjimky
• vzniká při throw výraz zkopírováním výrazu
• může jít o přesun, případně se kopie/přesun může úplně
vynechat (copy elision), podobná pravidla jako pro return
• zaniká1
při opuštění posledního bloku catch, který končí
jinak než opětovným vyhozením throw;
• opětovné vyhození použije týž objekt (nekopíruje, nepřesouvá)
• běžné použití: házejte hodnotou, chytejte referencí
• throw s dočasnou hodnotou
• catch s referencí na typ výjimky (může a nemusí být const)
1
pokud jsme nepoužili std::current_exception(), jinak je život objektu
výjimky prodloužen – mimo záběr předmětu
9
exc_lifetime.cpp
SPECIFIKACE noexcept
• úmysl nevyhazovat z funkce / metody žádnou výjimku
void f(); // can throw whatever
void g() noexcept; // promises not to throw
• kompilátor může použít pro optimalizace
• standardní knihovna může změnit chování
• pokud funkce s noexcept vyhodí výjimku → std::terminate
10
noexcept.cpp
ÚROVNĚ BEZPEČNOSTI S VÝJIMKAMI (EXCEPTION SAFETY)
Základní záruka (basic exception guarantee)
• vyhodí-li funkce výjimku, program zůstane ve validním stavu
• nedošlo k žádným únikům paměti ani jiných zdrojů
• invarianty datových struktur zůstaly v platnosti
Silná záruka (strong exception guarantee)
• vyhodí-li funkce výjimku, stav programu se vrátí do okamžiku
před jejím voláním („transakční“ chování)
• např. push_back pro std::vector
Záruka neselhání (nofail / nothrow exception guarantee)
• funkce nevyhazuje výjimky
• např. pop_back pro std::vector
11
ODBOČKA: std::vector A SILNÁ ZÁRUKA
push_back apod.
• realokace vektoru při znamená přesun prvků
• pokud přesouvací konstruktor vyhodí výjimku, není cesty zpět
• původní objekt už může být „vykradený“
• nový objekt nevznikl
• realokace použije přesun jen pokud je přesouvací konstruktor
noexcept
• nebo pokud neexistuje kopírovací konstruktor
(pak ale nedává žádnou záruku)
12
VÝJIMKY A KONSTRUKTORY
Vyhození výjimky z konstruktoru
• pokud nemůžeme zaručit správný (konzistentní) stav objektu
• např. platnost invariantů datové struktury
• jediný rozumný způsob jak oznámit chybu z konstruktoru
• život objektu ani nezačne ani neskončí
• tj. destruktor objektu se nezavolá
• život položek a předků skončí (při odvinování zásobníku)
• tj. zavolají se jejich destruktory
Výjimky během inicializace
• selže-li inicializace položky / předka
• další položky / předkové už se neinicializují
• skončí život úspěšně inicializovaných položek / předků
13
ctor_exc.cpp
VÝJIMKY A KONSTRUKTORY
Chycení výjimky během inicializace
• speciální syntax: try před inicializační sekcí
• před vstupem do bloku catch už skončil život položek / předků
• tj. v tomto bloku už s nimi nemůžeme nic dělat
• blok catch vždy znovu vyhodí výjimku (implicitní throw;)
• použití: logování, úprava výjimek (vyhození jiné)
https://en.cppreference.com/w/cpp/language/function-try-block
14
ctor_exc.cppinit_exc.cpp
VÝJIMKY A DESTRUKTORY
Vyhození výjimky z destruktoru
• téměř vždy špatný nápad
• důvod – destruktory se volají v průběhu odvinování zásobníku
• výjimka vyhozená během odvinování zásobníku způsobí
zavolání std::terminate
• destruktory jsou implicitně noexcept
• i když je definujeme explicitně a nic k nim nenapíšeme
15
ŘEŠENÍ CHYBOVÝCH STAVŮ
std::abort / std::terminate
• není-li možno dál pokračovat
• není-li žádný způsob, jak se ze situace zotavit
assert
• tvrzení, která nutně musí platit
• vstupní podmínky funkcí
• invarianty (cyklů, datových struktur) apod.
• selhání znamená chybu programu (resp. programátora)
16
ŘEŠENÍ CHYBOVÝCH STAVŮ
Výjimky
• výjimečné situace, kdy nemůžeme dále pokračovat
• není možné splnit výstupní podmínku
• není možné splnit / zachovat invariant datové struktury
(konstruktory, operátory)
• chytejte jen tehdy, máte-li jak reagovat
• výjimky (v C++) nejsou nástroj toku řízení!
Alternativa – chybový stav v návratové hodnotě
• často formou součtového typu
• (Haskell: Either, Rust: Result)
• od C++23 std::expected
17
ÚKLID PO VYHOZENÍ VÝJIMKY
finally
• v C++ nic takového nemáme!
• úklid zajistí destruktory lokálních objektů
• spuštěné při odvinování zásobníku
• RAII
18
PRINCIP RAII
ACQUIRE USE RELEASE
RAII is the greatest contribution C++ has made to software
development. (Russel Winder)
MOTIVACE
void do_something(int size) {
char *mem = malloc(size);
// ... do something with mem ...
free(mem);
}
• co když funkci opustíme před tím, než se provede řádek s free?
• memory leak!
• podobné problémy?
• otevření a zavření souboru
• různé druhy zámků (mutex)
• vytvoření a uzavření síťového přípojení
• …
19
MOTIVACE
Zdroj (resource)
• něco, co je třeba získat (acquire)
• potom to používáme (use)
• nakonec to musíme vrátit (release)
Příklady zdrojů
• dynamicky alokovaná paměť
• soubory
• zámky, mutexy, semafory, …
• síťová připojení, připojení k databázi, …
• grafické prvky, okna, textury, …
Správa všech zdrojů funguje v C++ na stejném principu – RAII.
20
SPRÁVA ZDROJŮ V C++
Resource Acquisition is Initialisation
• někdy též scope-based resource management
• správa zdroje spjatá s životním cyklem objektu
• třída reprezentující druh zdroje
• jeden objekt spravuje jednu instanci zdroj
• inicializace objektu – získání zdroje (acquire)
• konec života objektu – uvolnění zdroje (release)
Kde se používá RAII?
• skoro všude!
• kontejnery
• vstupně/výstupní proudy (uvidíme později)
• chytré ukazatele
• zamykání, mutexy (nad rámec kurzu)
21
SPRÁVA ZDROJŮ
Třída pro správu zdroje
• jedna třída – jeden druh zdroje
• konstruktor získá zdroj
• objekt třídy vlastní jednu instanci zdroje
• alternativně: konstruktor vytvoří „prázdný“ objekt,
zdroj se získá později explicitním voláním některé metody
• kopírovací konstruktor
• často nemá smysl (zdroj nemusí být kopírovatelný)
• je-li zdroj kopírovatelný, pak získá kopii
• přesouvací konstruktor
• přebere vlastnictví zdroje
• původní objekt zanechá v „prázdném stavu“
• alternativně: nepřesouvatelný objekt
22
SPRÁVA ZDROJŮ
Třída pro správu zdroje
• přiřazení
• uvolní aktuálně držený zdroj
• získá zdroj z „pravé strany“ (kopírováním, přesunem)
• destruktor
• uvolní aktuálně držený zdroj
• (je-li objekt „prázdný“, nedělá nic)
Co když chceme spravovat více zdrojů?
• kompozice!
23
RAII A KOMPOZICE
RAII třída
• jeden druh zdroje
• rule of five
Třída využívající zdroje
• drží položky RAII typů
• nebo jiných typů využívajících zdroje
• nebo kontejnerů RAII objektů
• nestarají se o správu zdrojů
• rule of zero
• o všechno se postarají implicitně vygenerované metody
24
composition.cpp
PŘÍKLAD: OBAL (WRAPPER) PRO CÉČKOVÉ SOUBORY
class c_file {
std::FILE* ptr;
public:
c_file(c_file&& other) noexcept
: ptr(std::exchange(other.ptr, nullptr)) {}
c_file& operator=(c_file&& other) noexcept {
close();
ptr = std::exchange(other.ptr, nullptr);
return *this;
}
~c_file() { close(); }
// ...
}; 25
cfile.cpp
IDIOM „SCOPE GUARD“
Stráž bloku
• jednoduchý objekt ve stylu RAII pro lokální použití
• typicky nekopírovatelný, nepřesouvatelný
• příklady:
• náhrada defer z jiných jazyků
• zamknutí / odemknutí mutexu
• měření času
struct timer {
std::time_t start;
int& result;
timer(int& result)
: start(std::time(nullptr)), result(result) {}
~timer() { result = std::time(nullptr) - start; }
};
26
timer.cpp
SPRÁVA ZDROJŮ V JINÝCH JAZYCÍCH
Některé jazyky mají RAII
• C++, D (částečně), Ada, Rust mají RAII
• tak trochu: Perl, Python (CPython), PHP mají reference counting
a něco jako destruktory (v Pythonu nedoporučováno používat)
Jiné způsoby správy zdrojů
• garbage collector: správa paměti, typicky ne jiných zdrojů
(není záruka, kdy a jestli vůbec se zavolají destruktory)
• Java (od 1.7)
• synchronized (specificky pro zámky)
• try (Resource res = new Resource(...)) { ... }
• Python (od 2.5)
• with Resource(...) as resource:
• C#
• using (Resource res = new Resource(...)) {...} 27
SROVNÁNÍ RAII S JINÝMI ZPŮSOBY SPRÁVY ZDROJŮ
Úklid v bloku finally
• je třeba napsat v každém místě použití zdroje
• RAII: destruktor píšeme jednou pro každý druh zdroje
• v reálných systémech je méně druhů zdrojů než míst použití
try {
// work with one file
} finally {
// close the file
}
try {
// work with another file
} finally {
// close the file
}
28
SROVNÁNÍ RAII S JINÝMI ZPŮSOBY SPRÁVY ZDROJŮ
Kontextové manažery (with, try(...), using)
• podobné RAII, ale nedají se snadno komponovat
• kompozice zdrojů s RAII je prakticky zadarmo
• životnost RAII objektu nemusí nutně být jen lokální blok
• může být položkou dynamicky alokovaného objektu
• funkce mohou vracet zdroje (a volající nemusí přemýšlet o tom,
že volání funkce musí zavřít do with apod.)
• move sémantika umožňuje objekt přesunout jinam
class App {
Renderer renderer;
std::vector<Window> windows;
std::map<std::string, Texture> textures;
// ...
};
29
Kontrolní otázka: Jak se v C++ správně uvolňuje zámek nebo paměť,
zavírá soubor nebo síťové spojení apod.?
Odpověď: }
(zdroj: okoun.cz/boards/programovani)
30