70. Отличайте ошибки от ситуаций, не являющихся ошибками

70. Отличайте ошибки от ситуаций, не являющихся ошибками

Резюме

Функция представляет собой единицу работы. Таким образом, сбои следует рассматривать либо как ошибки, либо как штатные ситуации, в зависимости от их влияния на функции. В функции f сбой является ошибкой тогда и только тогда, когда он нарушает одно из предусловий f, не позволяет выполнить предусловие вызываемой ею функции, препятствует достижению собственных постусловий f или сохранению инварианта, за поддержку которого отвечает функция f.

В частности, в этой рекомендации мы исключаем внутренние программные ошибки (т.е. те, где за вызывающий и вызываемый код отвечает один и тот же человек или команда, например, в пределах одного модуля). Они представляют собой отдельную категорию ошибок, для работы с которой используется такое средство, как проверки (см. рекомендацию 68).

Обсуждение

Очень важно четко различать ошибки и ситуации, не являющиеся ошибками в плане их влияния на работу функций, в особенности в целях определения гарантий безопасности (см. рекомендацию 71). Ключевыми словами данной рекомендации являются предусловие, постусловие и инвариант.

Функция представляет собой базовую единицу работы, независимо от того, программируете ли вы на С++ в структурном, объектно-ориентированном или обобщенном стиле. Функция делает определенные предположения о начальном состоянии (предусловия, за выполнение которых несет ответственность вызывающий код, а за проверку — вызываемый) и выполняет одно или несколько действий (документируемых, как результат выполнения функции, или ее постусловия, за выполнение которых несет ответственность данная функция). Функция может (наряду с другими функциями) нести ответственность за поддержание одного или нескольких инвариантов. В частности, не закрытая неконстантная функция-член по определению представляет собой единицу работы над объектом, и должна перевести объект из одного корректного, сохраняющего инвариант состояния в другое. Во время выполнения тела функции-члена инвариант объекта может (и практически всегда должен) нарушаться, и это вполне нормальная ситуация, лишь бы по окончании работы функции-члена инвариант вновь выполнялся. Функции более высокого уровня объединяют функции более низкого уровня в большие единицы работы.

Ошибкой является любой сбой, который не дает функции успешно завершиться. Имеется три вида ошибок.

• Нарушение или невозможность достижения предусловия. Функция обнаруживает нарушение одного из своих собственных предусловий (например, ограничения, накладываемого на параметр или состояние) или сталкивается с условием, которое не позволяет достичь выполнения предусловия для некоторой другой неотъемлемой функции, которая должна быть вызвана.

• Неспособность достичь постусловия. Функция сталкивается с ситуацией, которая не позволяет ей выполнить одно из ее собственных постусловий. Если функция возвращает значение, получение корректного возвращаемого значения является ее постусловием.

• Неспособность восстановления инварианта. Функция сталкивается с ситуацией, которая не позволяет ей восстановить инвариант, за поддержку которого она отвечает. Это частный случай постусловия, который в особенности относится к функциям- членам. Важнейшим постусловием всех не закрытых функций-членов является восстановление инварианта класса (см. [Stroustrup00] §E.2.)

Все прочие ситуации ошибками не являются, и, следовательно, уведомлять о них, как об ошибках, не требуется (см. примеры к данной рекомендации).

Код, который может вызвать ошибку, отвечает за ее обнаружение и уведомление о ней. В частности, вызывающий код должен обнаружить и уведомить о ситуации, когда он не в состоянии выполнить предусловия вызываемой функции (в особенности если для вызываемой функции документировано отсутствие проверок с ее стороны; так, например, оператор vector::operator[] не обязан выполнять проверку попадания аргумента в корректный интервал значений). Однако поскольку вызываемая функция не может полагаться на корректность работы вызывающего кода, желательно, чтобы она выполняла собственные проверки предусловий и уведомляла об обнаруженных нарушениях, генерируя ошибку (или, если функция является внутренней для (т.е. вызываемой только в пределах) модуля, то нарушение предусловий по определению является программной ошибкой и должно обрабатываться при помощи assert (см. рекомендацию 68)).

Добавим пару слов об определении предусловий функций. Условие является предусловием функции f тогда и только тогда, когда имеются основания ожидать, что весь вызывающий код проверяет выполнение данного условия перед вызовом функции f. Например, было бы неверно полагать предусловием нечто, что может быть проверено только путем выполнения существенной работы самой функцией, либо путем доступа к закрытой информации. Такая работа должна выполняться в функции и не дублироваться вызывающим ее кодом.

Например, функция, которая получает объект string, содержащий имя файла, обычно не должна делать условие существования файла предусловием, поскольку вызывающий код не в состоянии надежно гарантировать, что данный файл существует, не используя блокировки файла (при проверке существования файла без блокировки другой пользователь или процесс могут удалить или переименовать этот файл в промежутке между проверкой существования файла вызывающим кодом и попыткой открытия вызываемым кодом). Единственный корректный способ сделать существование файла предусловием — это потребовать, чтобы вызывающий код открыл его, а параметром функции сделать ifstream или его эквивалент (что к тому же безопаснее, поскольку работа при этом выполняется на более высоком уровне абстракции; см. рекомендацию 63), а не простое имя файла в виде объекта string. Многие предусловия таким образом могут быть заменены более строгим типизированием, которое превратит ошибки времени выполнения в ошибки времени компиляции (см. рекомендацию 14).

Примеры

Пример 1. std::string::insert (ошибка предусловия). При попытке вставить новый символ в объект string в определенной позиции pos, вызывающий код должен проверить корректность значения pos, которое не должно нарушать документированные требования к данному параметру; например, чтобы не выполнялось соотношение pos > size(). Функция insert не может успешно выполнить свою работу, если для нее не будут созданы корректные начальные условия.

Пример 2. std::string::append (ошибка постусловия). При добавлении символа к объекту string сбой при выделении нового буфера, если заполнен существующий, не позволит функции выполнить документированные действия и получить документированные же постусловия, так что такой сбой является ошибкой.

Пример 3. Невозможность получения возвращаемого значения (ошибка постусловия). Получение корректного возвращаемого объекта является постусловием для функции, которая возвращает значение. Если возвращаемое значение не может быть корректно создано (например, если функция возвращает double, но значение double с требуемыми математическими свойствами не существует), то это является ошибкой.

Пример 4. std::string::find_first_of (не ошибка в контексте string). При поиске символа в объекте string, невозможность найти искомый символ — вполне законный итог поиска, ошибкой не являющийся. Как минимум, это не ошибка при работе с классом string общего назначения. Если владелец данной строки предполагает, что символ должен наличествовать в строке, и его отсутствие, таким образом, является ошибкой в соответствии с высокоуровневым инвариантом, то высокоуровневый вызываемый код должен соответствующим образом уведомить об ошибке инварианта.

Пример 5. Различные условия ошибок в одной функции. Несмотря на увеличивающуюся надежность дисковых носителей, запись на диск традиционно сопровождается ожиданием ошибок. Если вы разрабатываете класс File, в одной-единственной функции Filе::Write(const char*buffer, size_t size), которая требует, чтобы файл был открыт для записи, а указатель buffer имел ненулевое значение, вы можете предпринимать следующие действия.

• Если buffer равен NULL, сообщить об ошибке нарушения предусловия.

• Если файл открыт только для чтения: сообщить об ошибке нарушения предусловия.

• Если запись выполнена неуспешно: сообщить об ошибке нарушения постусловия, поскольку функция не в состоянии выполнить свою работу.

Пример 6. Различный статус одного и того же условия. Одно и то же условие может быть корректным предусловием для одной функции и не быть таковым для другой. Выбор зависит от автора функции, который определяет семантику интерфейса. В частности, std::vector предоставляет два пути для выполнения индексированного доступа: оператор operator[], который не выполняет проверок выхода за пределы диапазона, и функцию at, которая такую проверку выполняет. И оператор operator[], и функция at требуют выполнения предусловия, состоящего в том, что аргумент не должен выходить за пределы диапазона. Поскольку от оператора operator[] не требуется проверка его аргумента, должно быть четко документировано, что вызывающий код отвечает за то, чтобы аргумент оператора находился в допустимом диапазоне значений; понятно, что данная функция небезопасна. Функция же at в той же ситуации вполне безопасна, поскольку документировано, что она проверяет принадлежность своего аргумента к допустимому диапазону значений, и если аргумент выходит за пределы допустимого диапазона значений, то она сообщает об ошибке (путем генерации исключения std::out_of_range).

Ссылки

[Abrahams01b] • [Meyer00] • [Stroustrup00] §8.3.3, §14.1, §14.5 • [Sutter04b]