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Ausnahmebehandlung

Zielgruppe:

Anfänger

Lernziel:
Vorgehensweise zur Ausnahmebehandlung in C++.

Übersicht [Bearbeiten]

Sie haben die Möglichkeit aus Ihren Methoden und Funktionen Rückgabewerte an den Aufrufer weiterzugeben. Sie können Rückgabewerte von Funktionen untersuchen und darauf reagieren.

Rückgabewerte ignorieren

Wir verwenden in einem Programm eine Funktion aus einer Programmierbibliothek einer Datenbank, die eine Datenbankverbindung herstellt db_login sowie eine weitere Funktion daraus, die eine Abfrage ausführt db_exec_query. Diese Funktion gibt zurück, ob die Ausführung funktioniert hat. Es ist aber vorerst unerheblich: Rückgabewerte müssen nicht ausgewertet werden. Verwendet werden diese Funktionen in Ihrer selbsterstellten Funktion abfrage.

unsigned int nAbfragenzaehler(0);
void abfrage (const char * psz_Query)
{
  ++nAbfragenzaehler;
  db_exec_query(psz_Query);
}

Da Sie in Ihrem vorigen Programmablauf bereits vorher db_login ausgeführt haben, gehen Sie davon aus, dass die Verwendung von abfrage immer funktionieren wird. Aber was ist, wenn Sie abfrage nun an einer anderen Stelle verwenden? Was passiert wenn db_exec_query fehlschlägt?

Rückgabewerte auswerten

Da auch eine Dokumentation der Datenbanksoftware vorliegt, erhalten Sie folgende Erkenntnisse:

db_exec_query ist folgendermassen deklariert: int db_exec_query(const char * strQ1)
Außerdem gibt die Funktion folgende Rückgabewerte:
- 0 - erfolgreich
- 1 - kein Login durchgeführt
- 2 - nicht genügend Speicherplatz

Mit diesen Erkenntnissen können Sie nun ans Werk gehen und abfrage ein bisschen mehr Intelligenz und Wiederverwendbarkeit einhauchen:

unsigned int nAbfragenzaehler(0);
void abfrage (const char * psz_Query)
{
  int nRetQuery =   // Rückgabewert
  db_exec_query(psz_Query);
__Fehler_Untersuchung_Start:  // Sprungmarke für Neuuntersuchung
  switch (nRetQuery)
  {
   case 0: // erfolgreich
     ++nAbfragenzaehler;
     break;
   case 1: // kein Login durchgeführt
     db_login(); // Login durchführen
     nRetQuery = db_exec_query(psz_Query); // Noch ein Versuch
     if (nRetQuery == 1) // Immernoch Login-Problem
       std::cerr << "Kein gültiger Login für Datenbankabfrage: " << psz_Query << std::endl;
     else
       goto __Fehler_Untersuchung_Start; // Nun kein Loginproblem mehr
     break;
   case 2: // nicht genügend Arbeitsspeicher
     std::cerr << "Nicht genug Speicherplatz im Datenbanksystem bei Abfrage: " << psz_Query << std::endl;
     break;
   default: // unbekannter Rückgabewert
     std::cerr << "Fehlercode '" << nRetQuery << "' bei Datenbankabfrage: " << psz_Query << std::endl;
     break;
  }
}

Der Umbau von abfrage hat folgende Effekte:

Der Rückgabewert von db_exec_query wird in jedem Fall ausgewertet.
Bei fehlendem Login wird ein Login ausgeführt und die Abfrage erneut ausgeführt.
Bei bestehenden Problemen wird eine Fehlermeldung auf stderror ausgegeben.
Bei unbekanntem Rückgabewert wird zumindest dieser Wert ausgegeben. Das kann in einem laufenden System die Fehlersuche deutlich vereinfachen.
Wenn Sie abfrage an anderen Stellen in Ihrem Programm einsetzen möchten, können Sie sich darauf verlassen, dass entweder ein Login besteht, durchgeführt wird, oder dass eine Fehlermeldung ausgegeben wird.

Rückgabewerte verwenden

Nach der intensiven Auswertung der Rückgabewerte, ergibt es Sinn auch selber Rückgabewerte zu verwenden. Die Funktion int main() beispielsweise ist eine Funktion, die einen Wert vom Typ int zurückgibt. Rückgabewerte müssen nicht ausgewertet werden. Wenn eine Methode/Funktion mit Rückgabewert deklariert ist, muss aber an jedem Aussprungpunkt auch ein passender Wert zurückgegeben werden.

Im folgenden Beispiel wird eine Funktion definiert, die Eingabeparameter auswertet und davon abhängig verschiedene Werte zurückgibt.

// Funktion die einen Wert vom Typ int zurückgibt
int main( int argc, char *argv[], char *envp[]) 
{
	if (argc > 1)
	{
		std::cout << "Mehr als ein Parameter." << std::endl;
		return 1;
	}
	return 0;
}

Ein Aufrufer dieser Funktion bekommt nun einen Rückgabewert von '0', wenn der Wert von argc kleiner oder gleich '1' ist. Sonst gibt diese Funktion den Wert '1' zurück.

Merken Sie sich Folgendes:

Rückgabewerte:

haben immer einen Typ.
müssen nicht ausgewertet werden.
müssen an jeder Aussprungstelle angegeben werden, wenn eine Methode/Funktion mit Rückgabetyp deklariert wird.
können auch überhaupt nicht verwendet werden, deklarieren Sie dazu void als Rückgabetyp.

Werfen und fangen und weiterwerfen [Bearbeiten]

In dem vorherigen Kapitel haben wir Ihnen eine Möglichkeit gezeigt, wie man auf Fehler reagieren kann: geht etwas schief, wird einfach ein Rückgabewert ungleich 0 zurückgeliefert. In kleinen Programmen mag das noch akzeptabel sein, aber in größeren Bibliotheken wie z. B. Qt oder boost ist das Einarbeiten in die Dokumentation doch recht mühsam, um alle Fehlerwerte korrekt zu behandeln. Außerdem können solche Fehlerwerte einfach übersehen werden, was die Fehlersuche massiv erschwert. C++ bietet einen speziellen Mechanismus, um Fehler zu behandeln: Ausnahmen (engl. exceptions). Dadurch wird die Fehlererkennung von der Fehlerbehandlung entkoppelt. Der resultierende Programmcode wird deutlich übersichtlicher und da Exceptions nicht so einfach ignoriert werden können, erleichtern sie auch die Fehlerdiagnose.

Ausnahmen werfen

Die allgemeine Syntax zum Werfen (von engl. to throw) von Ausnahmen lautet:

Syntax:

throw «Objekt»;

«Nicht-C++-Code», »optional«

Theoretisch kann alles geworfen werden, auch ints oder andere primitive Datentypen. In der Regel wird jedoch ein Objekt der Klasse std::exception aus der Headerdatei stdexcept geworfen. Die Konstruktoren übernehmen meist eine Zeichenkette als Fehlermeldung, die später mit der Methode what() abgefragt werden kann.

Hier ein Beispiel, wie throw verwendet werden kann:

#include <stdexcept>
#include <iostream>

int flaeche(int breite, int laenge) throw(std::range_error){
    if ((breite <= 0) || (laenge <= 0))
        throw std::range_error("Breite oder Länge gleich 0 oder negativ");
    return (breite * laenge);
}

Das throw kann auch in der Methodendeklaration stehen und zeigt dann an, welche Art von Ausnahmen beim Aufruf ausgelöst werden können. Wichtig ist, dass die möglichen Ausnahmen in runden Klammern stehen und ggf. durch Kommata getrennt aufgeführt werden.

Ausnahmen fangen

Um auf die Exceptions reagieren zu können (sie zu "fangen") braucht man zwei weitere Schlüsselwörter: try und catch. Beide leiten Blöcke in geschweiften Klammern ein. Auf jeden try-Block folgt mindestens ein catch-Block. Im sogenannten try-Block stehen Code-Abschnitte, die Ausnahmen auslösen können und im catch-Block werden diese "aufgefangen" und behandelt. Nach catch stehen die Arten von Exceptions, die in dem jeweiligen Block behandelt werden.

Syntax:

try{
    // kritischer Abschnitt
} catch («Exceptionklasse» »bezeichner«){
    // Ausnahmebehandlung
}

«Nicht-C++-Code», »optional«

Hier ist ein Programm, welches die flaeche()-Funktion aus dem Beispiel oben verwendet:

#include <stdexcept>
#include <ios>
#include <iostream>

using std::cout;
using std::cerr;
using std::cin;

int flaeche(int breite, int laenge) throw(range_error);

int main(){
    int a, b;
    // wenn ein wirklich schwerer Fehler auftritt soll cin eine Exception werfen
    cin.exceptions(cin.exceptions() | ios_base::badbit);
    cout << "Breite und Höhe eingeben: ";
    cin >> a >> b;
    try {
        cout << "Flächeninhalt: " << flaeche(a, b) << endl;
    } catch(const range_error& re){
        cerr << "Ungültige Eingaben: " << re.what() << endl;
        return 1;
    } catch(const ios_base::failure& f){
        cerr << "Schwerer Eingabefehler in cin:" << endl;
        cerr << f.what() << endl;
        return 2;
    }
    return 0;
}

Ausnahmen weiter werfen

Oft kann es vorkommen, dass die auftretende Exception nicht vollständig behandelt werden kann. Dann ist es nützlich, die aufgetretene Ausnahme weiter zu werfen in der Hoffnung, dass irgendein Aufrufen sich darum kümmert. Die Syntax ist denkbar einfach:

Syntax:

try{
    // kritischer Abschnitt
} catch («Exceptionklasse» »bezeichner«){
    // teilweise Ausnahmebehandlung
    // "rethrow", Ausnahme erneut werfen
    throw;
}

«Nicht-C++-Code», »optional«

Die Standard-Fehlerklassen [Bearbeiten]

C++-Standard-Fehlerklassen

Der C++-Standardheader <stdexcept> stellt die Basisklasse std::exception und zwei Kategorien von Exceptions bereit: logische Fehler und Laufzeitfehler. Die Basisklasse, um Logik-Fehlerklassen zu melden, ist std::logic_error, für Laufzeitfehler ist das std::runtime_error. Eine genauere Übersicht gibt es auf Websites wie cppreference.com oder cplusplus.com (beide englischsprachig).

`std::exception`

std::exception ist die Basisklasse für Ausnahmen. Die wichtigste (virtuelle) Methode ist what(), die ein C-Stil-String (einen Pointer auf ein char) zurück gibt und für die Fehlerdiagnose wichtig ist. Sonst hat diese Klasse eine minimale Schnittstelle: Neben dem Standardkonstruktor gibt es einen Copy-Konstruktor, einen virtuellen Destruktor und einen Zuweisungsoperator.

Laufzeit-Fehlerklassen

std::exception: Basisklasse für alle Exceptions

std::runtime_error: Basisklasse für Laufzeitfehler

std::range_error: signalisiert Bereichsfehler bei internen Berechnungen
std::overflow_error: signalisiert arithmetische Bereichsüberschreitungen
std::underflow_error: signalisiert arithmetische Bereichsunterschreitungen
std::system_error ab C++11, Standardheader <system_error>, signalisiert Fehler vom Betriebssystem oder anderen Low-Level-Anwendungen, hat zusätzlich eine Methode code(), um an das std::system_error::code-Objekt zu gelangen[1]:

Logik-Fehlerklassen

Es gibt eine Reihe von speziellen std::logic_error-Klassen. Diese werden bei Fehlern vor der Programmausführung geworfen.

std::exception: Basisklasse für alle Exceptions

std::logic_error: Basisklasse, um logische Fehler (Verletzung von Vorbedingungen, etc.)

std::domain_error: für Bereichsfehler
std::invalid_argument: kennzeichnet ungültige Argumente
std::length_error: für Längenfehler
std::out_of_range: wird geworfen, wenn ein Zugriff außerhalb eines gültigen Bereichs statt findet, z. B. bei std::vector: v.at(v.size() + 1);
std::future_error: ab C++11, Standardheader <future>, signalisiert Zugriffsfehler auf std::future-Objekte[2]

Fehlerklassen schreiben [Bearbeiten]

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unexpected und terminate [Bearbeiten]

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Zusammenfassung [Bearbeiten]

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