正常和异常异常情况和处理
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正常和异常
程序执行中可能遇到非正常情况，正常控制流无法继续，需要特殊处理 出现非正常情况的原因可能是由于环境因素（不符合要求的外部输入或用 户交互），也可能是程序不同部分间的相互作用 常见实例：存储分配申请无法得到满足，读入数据时找不到媒介或读入出 错，调用读栈操作时遇到栈空，压栈操作遇到栈满等等 遇到这类情况时应该如何处理呢？看一个实际例子（数据结构）： int stack::top() { if (empty()) { // 怎么办？ } ... ... } 常见处理方式1（教科书中常见）： int stack::top() { if (empty()) exit(1); ... ... } 错误！不能用于实际的程序设计 底层服务绝不能自主决定终止程序，它不掌 握做这种决策的信息，也没有这种权力
C 语言标准库里为处理非正常情况提供了两套机制： • setjmp/longjmp 机制。主要功能：保存执行现场，以支持在随后的执行中 （主要是从嵌套调用的子程序里）直接跳回前面保存的现场，这时可以换 一条路径重新执行（例如处理底层发现的运行异常） • signal 机制。主要功能：可针对一些“信号”定义特殊的处理函数（信号处 理器），在信号被引发时自动执行对应处理器。C 标准库定义了若干标准 的信号（会自动引发），可定制针对它们的处理器 一些环境提供了类似机制。这类机制的共同缺陷是太低级，而且不安全
2012年4月
程序设计语言原理 ——第6章
60
异常情况和处理
问题：
发生异常是低级事件，发现异常的通常是底层模块。如硬件、基础运行系 统、库模块、底层服务模块。异常的正确处理只能根据应用的需要来确定， 只有适当的上层模块才可能知道正确合理的处理方式 检查发现异常情况的代码与能处理它的代码之间可能跨越多层调用（按常 规的控制流，控制转移的最大步骤是子程序调用和返回）
2012年4月
程序设计语言原理 ——第6章
61
异常情况和处理
由于异常（包括错误和其他一些特殊情况）的处理很重要，编程中需要大量 写这方面的代码，因此应该在语言层面上为之提供支持 异常处理的目标是尽可能挽救已经出问题的执行过程，使之有可能继续进行 下去（换一种方式？抛弃某些枝节？弱化某些功能？等等） 对异常情况的处理，最常见的处理模式是：在正常处理中发现异常情况—— 控制转至特殊处理阶段——处理完成——返回正常控制流 对语言层解决方案的一些要求： • 能比较自然地反映从异常检查代码到处理代码，以及从异常处理代码回 到正常执行过程的控制转移。将这些转移屏蔽在语言之下自动进行 • 有清晰的语义模型，程序员容易理解，容易正确使用 • 正常控制流与异常处理控制流相互隔离 • 有机地融合到现有的基本语言机制中（以上都是语法/语义方面的考虑） • 效率较高，不出现异常情况时最好是不影响程序的执行（效率）
2012年4月
程序设计语言原理 ——第6章
62
异常处理
主流语言里最早的专用错误处理机制是PL/1语言的ON语句。程序出现异常 时自动转到相应 ON 语句，处理完毕后通过 goto 转出（控制流很难把握） 1975 年 J. Goodenough 在 CACM 发表论文提出了结构化异常处理的概念， 建议的基本处理框架：把异常处理结构附在正常结构上，运行中出现异常时 控制自动转过去处理异常，处理完成后回到正常控制流 异常处理机制的研究和发展基本上都是沿着这个方向进行的 异常处理的第一个想法是区分两种控制流： 正常控制结构描述正常控制流；异常控制结构描述出现异常时的处理过程 定义良好的在两种控制结构之间的自动转移规则 • 在正常控制结构中出现异常情况，控制自动转入异常控制结构 • 异常处理完成，运行自动转回正常控制结构（怎么转？转到哪？） 结构化异常处理：将异常控制结构附着在某些正常控制结构上，由它们来 捕捉所附着的正常结构的执行中发生的异常
程序设计语言原理 ——第6章
2012年4月
57
异常情况和处理
处理方式2（教科书中常见）： 错误！完全不能用于实际程序设计 int stack::top() { 产生输出信息后继续运行，程序已进 if (empty()) 入非正常状态，后果无法预料 cout << "Stack empty"; 子程序向程序使用者报告，而人通常 ... ... 无法直接干预程序的内部执行 } 处理方式3（教科书中可见）： 通常用于帮助查找错误，在调试执行中出 错时assert 产生错误报告并终止程序 int stack::top() { assert(!empty()); 通常在生成执行代码时关闭断言（定义宏 ... ... NDEBUD，否则类似于用 exit） } 如果运行中出现访问空栈的情况： • 不关闭断言，效果同上面处理方式1 • 关闭断言，效果同上面处理方式2
2012年4月
程序设计语言原理 ——第6章
58
异常情况和处理
处理方式 4（教科书中可见）： 方法正确 int stack::top() { • 下层检查错误情况并报告 if (empty()) return ECODE1; • 上层检查完成状态并处理 ... ... } 但： 使用这种函数： • 能否找到合适的错误码？ if((n=s.top()) == ECODE1) • 程序中很难做充分的检查 ... // 出错处理 else ... // 正常处理 缺点：如果每个函数都设置出错返回值， 在每个调用位置都检查，将严重干扰程序 的正常控制流 处理错误的代码和正常处理过程混在一起， 程序会变得无法控制。处理逻辑变得很不 清晰，使程序难以开发，难以阅读
2012年4月
程序பைடு நூலகம்计语言原理 ——第6章
59
异常情况和处理
另一常见技术：设置专用于记录执行状态的全局变量，执行中遇异常情况时 给变量赋特殊值。程序其他部分可以检查这个变量，并根据情况处理 例：C标准库定义了errno，初值为 0 表示无异常。一些库函数（特别是数 学函数）出现异常情况时把errno设为非0。检查它就能确定执行情况 问题与返回出错码的方式类似： • 每时每刻检查，严重干扰正常处理部分的开发、理解和维护 • 不及时检查就可能忽略实际出现的错误 可见：常规的描述手段对错误处理描述的支持不足 1980年代末一项研究显示，程序里处理错误的代码可达总代码量的2/3 大量处理异常情况的代码与正常控制流代码混在一起，极大地影响着程序的 开发，破坏程序的可读性、可理解性和可维护性
程序执行中可能遇到非正常情况，正常控制流无法继续，需要特殊处理 出现非正常情况的原因可能是由于环境因素（不符合要求的外部输入或用 户交互），也可能是程序不同部分间的相互作用 常见实例：存储分配申请无法得到满足，读入数据时找不到媒介或读入出 错，调用读栈操作时遇到栈空，压栈操作遇到栈满等等 遇到这类情况时应该如何处理呢？看一个实际例子（数据结构）： int stack::top() { if (empty()) { // 怎么办？ } ... ... } 常见处理方式1（教科书中常见）： int stack::top() { if (empty()) exit(1); ... ... } 错误！不能用于实际的程序设计 底层服务绝不能自主决定终止程序，它不掌 握做这种决策的信息，也没有这种权力
C 语言标准库里为处理非正常情况提供了两套机制： • setjmp/longjmp 机制。主要功能：保存执行现场，以支持在随后的执行中 （主要是从嵌套调用的子程序里）直接跳回前面保存的现场，这时可以换 一条路径重新执行（例如处理底层发现的运行异常） • signal 机制。主要功能：可针对一些“信号”定义特殊的处理函数（信号处 理器），在信号被引发时自动执行对应处理器。C 标准库定义了若干标准 的信号（会自动引发），可定制针对它们的处理器 一些环境提供了类似机制。这类机制的共同缺陷是太低级，而且不安全
2012年4月
程序设计语言原理 ——第6章
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异常情况和处理
问题：
发生异常是低级事件，发现异常的通常是底层模块。如硬件、基础运行系 统、库模块、底层服务模块。异常的正确处理只能根据应用的需要来确定， 只有适当的上层模块才可能知道正确合理的处理方式 检查发现异常情况的代码与能处理它的代码之间可能跨越多层调用（按常 规的控制流，控制转移的最大步骤是子程序调用和返回）
2012年4月
程序设计语言原理 ——第6章
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异常情况和处理
由于异常（包括错误和其他一些特殊情况）的处理很重要，编程中需要大量 写这方面的代码，因此应该在语言层面上为之提供支持 异常处理的目标是尽可能挽救已经出问题的执行过程，使之有可能继续进行 下去（换一种方式？抛弃某些枝节？弱化某些功能？等等） 对异常情况的处理，最常见的处理模式是：在正常处理中发现异常情况—— 控制转至特殊处理阶段——处理完成——返回正常控制流 对语言层解决方案的一些要求： • 能比较自然地反映从异常检查代码到处理代码，以及从异常处理代码回 到正常执行过程的控制转移。将这些转移屏蔽在语言之下自动进行 • 有清晰的语义模型，程序员容易理解，容易正确使用 • 正常控制流与异常处理控制流相互隔离 • 有机地融合到现有的基本语言机制中（以上都是语法/语义方面的考虑） • 效率较高，不出现异常情况时最好是不影响程序的执行（效率）
2012年4月
程序设计语言原理 ——第6章
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异常处理
主流语言里最早的专用错误处理机制是PL/1语言的ON语句。程序出现异常 时自动转到相应 ON 语句，处理完毕后通过 goto 转出（控制流很难把握） 1975 年 J. Goodenough 在 CACM 发表论文提出了结构化异常处理的概念， 建议的基本处理框架：把异常处理结构附在正常结构上，运行中出现异常时 控制自动转过去处理异常，处理完成后回到正常控制流 异常处理机制的研究和发展基本上都是沿着这个方向进行的 异常处理的第一个想法是区分两种控制流： 正常控制结构描述正常控制流；异常控制结构描述出现异常时的处理过程 定义良好的在两种控制结构之间的自动转移规则 • 在正常控制结构中出现异常情况，控制自动转入异常控制结构 • 异常处理完成，运行自动转回正常控制结构（怎么转？转到哪？） 结构化异常处理：将异常控制结构附着在某些正常控制结构上，由它们来 捕捉所附着的正常结构的执行中发生的异常
程序设计语言原理 ——第6章
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异常情况和处理
处理方式2（教科书中常见）： 错误！完全不能用于实际程序设计 int stack::top() { 产生输出信息后继续运行，程序已进 if (empty()) 入非正常状态，后果无法预料 cout << "Stack empty"; 子程序向程序使用者报告，而人通常 ... ... 无法直接干预程序的内部执行 } 处理方式3（教科书中可见）： 通常用于帮助查找错误，在调试执行中出 错时assert 产生错误报告并终止程序 int stack::top() { assert(!empty()); 通常在生成执行代码时关闭断言（定义宏 ... ... NDEBUD，否则类似于用 exit） } 如果运行中出现访问空栈的情况： • 不关闭断言，效果同上面处理方式1 • 关闭断言，效果同上面处理方式2
2012年4月
程序设计语言原理 ——第6章
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异常情况和处理
处理方式 4（教科书中可见）： 方法正确 int stack::top() { • 下层检查错误情况并报告 if (empty()) return ECODE1; • 上层检查完成状态并处理 ... ... } 但： 使用这种函数： • 能否找到合适的错误码？ if((n=s.top()) == ECODE1) • 程序中很难做充分的检查 ... // 出错处理 else ... // 正常处理 缺点：如果每个函数都设置出错返回值， 在每个调用位置都检查，将严重干扰程序 的正常控制流 处理错误的代码和正常处理过程混在一起， 程序会变得无法控制。处理逻辑变得很不 清晰，使程序难以开发，难以阅读
2012年4月
程序பைடு நூலகம்计语言原理 ——第6章
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异常情况和处理
另一常见技术：设置专用于记录执行状态的全局变量，执行中遇异常情况时 给变量赋特殊值。程序其他部分可以检查这个变量，并根据情况处理 例：C标准库定义了errno，初值为 0 表示无异常。一些库函数（特别是数 学函数）出现异常情况时把errno设为非0。检查它就能确定执行情况 问题与返回出错码的方式类似： • 每时每刻检查，严重干扰正常处理部分的开发、理解和维护 • 不及时检查就可能忽略实际出现的错误 可见：常规的描述手段对错误处理描述的支持不足 1980年代末一项研究显示，程序里处理错误的代码可达总代码量的2/3 大量处理异常情况的代码与正常控制流代码混在一起，极大地影响着程序的 开发，破坏程序的可读性、可理解性和可维护性