Excepții

• înţelegerea conceptului de excepţie şi utilizarea corectă a mecanismelor de generare şi tratare a excepţiilor puse la dispoziţie de limbajul / maşina virtuală Java

În esenţă, o excepţie este un eveniment care se produce în timpul execuţiei unui program şi care perturbă fluxul normal al instrucţiunilor acestuia.

De exemplu, în cadrul unui program care copiază un fişier, astfel de evenimente excepţionale pot fi:

• absenţa fişierului pe care vrem să-l copiem
• imposibilitatea de a-l citi din cauza permisiunilor insuficiente
• probleme cauzate de accesul concurent la fişier

O abordare foarte des intâlnită, ce precedă apariţia conceptului de excepţie, este întoarcerea unor valori speciale din funcţii care să desemneze situaţia apărută. De exemplu, în C, funcţia fopen întoarce NULL dacă deschiderea fişierului a eşuat. Această abordare are două dezavantaje principale:

• câteodată, toate valorile tipului de retur ale funcţiei pot constitui rezultate valide. De exemplu, dacă definim o funcţie care întoarce succesorul unui numar întreg, nu putem întoarce o valoare specială în cazul în care se depăşeşte valoarea maximă reprezentabilă (Integer.MAX_VALUE). O valoare specială, să zicem -1, ar putea fi interpretată ca numărul întreg -1.
• nu se poate separa secvenţa de instrucţiuni corespunzătoare execuţiei normale a programului de secvenţele care trateaza erorile. Firesc ar fi ca fiecare apel de funcţie să fie urmat de verificarea rezultatului întors, pentru tratarea corespunzătoare a posibilelor erori. Această modalitate poate conduce la un cod foarte imbricat şi greu de citit, de forma:

int openResult = open();
 
if (openResult == FILE_NOT_FOUND) {
    // handle error
} else if (openResult == INSUFFICIENT_PERMISSIONS) {
    // handle error
} else {// SUCCESS
    int readResult = read();
    if (readResult == DISK_ERROR) {
        // handle error
    } else {
        // SUCCESS
        ...
    }
}

Mecanismul bazat pe excepţii înlătură ambele neajunsuri menţionate mai sus. Codul ar arăta aşa:

try {
    open();
    read();
    ...
} catch (FILE_NOT_FOUND) {
    // handle error
} catch (INSUFFICIENT_PERMISSIONS) {
    // handle error
} catch (DISK_ERROR) {
    // handle error
}

Se observă includerea instrucţiunilor ce aparţin fluxului normal de execuţie într-un bloc try şi precizarea condiţiilor excepţionale posibile la sfârşit, în câte un bloc catch. Logica este următoarea: se execută instrucţiune cu instrucţiune secvenţa din blocul try şi, la apariţia unei situaţii excepţionale semnalate de o instrucţiune, se abandonează restul instrucţiunilor rămase neexecutate şi se sare direct la blocul catch corespunzător.

Când o eroare se produce într-o funcţie, aceasta creează un obiect excepţie şi îl pasează către runtime system. Un astfel de obiect conţine informaţii despre situaţia apărută:

• tipul de excepţie
• stiva de apeluri (stack trace): punctul din program unde a intervenit excepţia, reprezentat sub forma lanţului de metode în care programul se află în acel moment

Pasarea menţionată mai sus poartă numele de aruncarea (throwing) unei excepţii.

Exemplu de aruncare a unei excepţii:

List<String> l = getArrayListObject();
if (null == l)
    throw new Exception("The list is empty");

În acest exemplu, încercăm să obţinem un obiect de tip ArrayList; dacă funcţia getArrayListObject întoarce null, aruncăm o excepţie.

Pe exemplul de mai sus putem face următoarele observaţii:

• un obiect-excepţie este un obiect ca oricare altul, şi se instanţiază la fel (folosind new)
• aruncarea excepţiei se face folosind cuvântul cheie throw
• există clasa Exception care desemnează comportamentul specific pentru excepţii.

În realitate, clasa Exception este părintele majorităţii claselor excepţie din Java. Enumerăm câteva excepţii standard:

• IndexOutOfBoundsException: este aruncată când un index asociat unei liste sau unui vector depăşeşte dimensiunea colecţiei respective.
• NullPointerException: este aruncată când se accesează un obiect neinstanţiat (null).
• NoSuchElementException: este aruncată când se apelează next pe un Iterator care nu mai conţine un element următor.

În momentul în care se instanţiază un obiect-excepţie, în acesta se reţine întregul lanţ de apeluri de funcţii prin care s-a ajuns la instrucţiunea curentă. Această succesiune se numeşte stack trace şi se poate afişa prin apelul e.printStackTrace(), unde e este obiectul excepţie.

Când o excepţie a fost aruncată, runtime system încearcă să o trateze (prindă). Tratarea unei excepţii este făcută de o porţiune de cod specială.

• Cum definim o astfel de porţiune de cod specială?
• Cum specificăm faptul că o porţiune de cod specială tratează o anumită excepţie?

Să observăm următorul exemplu:

public void f() throws Exception {
    List<String> l = null;
 
    if (null == l)
        throw new Exception();
}
 
public void catchFunction() {
    try {
        f();
    } catch (Exception e) {
        System.out.println("Exception found!");
    }
}

Se observă că dacă o funcţie aruncă o excepţie şi nu o prinde trebuie, în general, să adauge clauza throws în antet.

Funcţia f va arunca întotdeauna o excepţie (din cauza că l este mereu null). Observaţi cu atenţie funcţia catchFunction:

• în interiorul său a fost definit un bloc try, în interiorul căruia se apelează f. De obicei, pentru a prinde o excepţie, trebuie să specificăm o zonă în care aşteptăm ca excepţia să se producă (guarded region). Această zonă este introdusă prin try.
• în continuare, avem blocul catch (Exception e). La producerea excepţiei, blocul catch corespunzător va fi executat. În cazul nostru se va afişa mesajul “S-a generat o excepţie”. După aceea, programul va continua să ruleze normal în continuare.

Observaţi un alt exemplu:

public void f() throws NullPointerException, EmptyListException {
    List<String> l = generateList();
 
    if (l == null)
        throw new NullPointerException();
 
    if (l.isEmpty())
        throw new EmptyListException();
}
 
public void catchFunction() {
    try {
        f();
    } catch (NullPointerException e) {
        System.out.println("Null Pointer Exception found!");
    } catch (EmptyListException e) {
        System.out.println("Empty List Exception found!");
    }
}

În acest exemplu funcţia f a fost modificată astfel încât să existe posibilitatea de a arunca NullPointerException sau EmptyListException. Observaţi faptul că în catchFunction avem două blocuri catch. În funcție de excepția aruncată de f, numai un singur bloc catch se va executa.

Prin urmare:

• putem defini mai multe blocuri catch pentru a implementa o tratare preferenţială a excepţiilor, în funcţie de tipul acestora
• în cazul aruncării unei excepții într-un bloc try, se va intra într-un singur bloc catch (cel aferent excepției aruncate)

În general, vom dispune în acelaşi bloc try-catch instrucţiunile care pot fi privite ca înfăptuind un acelaşi scop. Astfel, dacă o operaţie din secvenţa esuează, se renunţă la instrucţiunile rămase şi se sare la un bloc catch.

Putem specifica operaţii opţionale, al căror eşec să nu influenţeze întreaga secvenţă. Pentru aceasta folosim blocuri try-catch imbricate:

try {
    op1();
 
    try {
        op2();
        op3();
    } catch (Exception e) { ... }
 
    op4();
    op5();
} catch (Exception e) { ... }

Dacă apelul op2 eşuează, se renunţă la apelul op3, se execută blocul catch interior, după care se continuă cu apelul op4.

Presupunem că în secvenţa de mai sus, care deschide şi citeşte un fişier, avem nevoie să închidem fişierul deschis, atât în cazul normal, cât şi în eventualitatea apariţiei unei erori. În aceste condiţii se poate ataşa un bloc finally după ultimul bloc catch, care se va executa în ambele cazuri menţionate.

Secvenţa de cod următoare conţine o structură try-catch-finally:

try {
    open();
    read();
    ...
} catch (FILE_NOT_FOUND) {
    // handle error
} catch (INUFFICIENT_PERMISSIONS) {
    // handle error
} catch (DISK_ERROR) {
    // handle error
} finally {
    // close file
}

Blocul finally se dovedeşte foarte util când în blocurile try-catch se găsesc instrucţiuni return. El se va executa şi în acest caz, exact înainte de execuţia instrucţiunii return, aceasta fiind executată ulterior.

Nu toate excepţiile trebuie prinse cu try-catch. Pentru a înțelege de ce, să analizăm clasificarea excepţiilor:

Clasa Throwable:

• Superclasa tuturor erorilor și excepțiilor din Java.
• Doar obiectele ce extind această clasă pot fi aruncate de către JVM sau prin instrucțiunea throw.
• Numai această clasă sau una dintre subclasele sale pot fi tipul de argument într-o clauză catch.

Checked exceptions, ce corespund clasei Exception:

• O aplicaţie bine scrisă ar trebui să le prindă, şi să permită continuarea rulării programului.
• Să luăm ca exemplu un program care cere utilizatorului un nume de fişier (pentru a-l deschide). În mod normal, utilizatorul va introduce un nume de fişier care există şi care poate fi deschis. Există insă posibilitatea ca utilizatorul să greşească, caz în care se va arunca o excepţie FileNotFoundException.
• Un program bine scris va prinde această excepţie, va afişa utilizatorului un mesaj de eroare, şi îi va permite eventual să reintroducă un nou nume de fişier.

Errors, ce corespund clasei Error:

• Acestea definesc situaţii excepţionale declanşate de factori externi aplicaţiei, pe care aceasta nu le poate anticipa şi nu-şi poate reveni, dacă se produc.
• Spre exemplu, alocarea unui obiect foarte mare (un vector cu milioane de elemente), poate arunca OutOfMemoryError.
• Aplicaţia poate încerca să prindă această eroare, pentru a anunţa utilizatorul despre problema apărută; după această însă, programul va eşua (afişând eventual stack trace).

Runtime Exceptions, ce corespund clasei RuntimeException:

• Ca şi erorile, acestea sunt condiţii excepţionale, însă spre deosebire de erori, ele sunt declanşate de factori interni aplicaţiei. Aplicaţia nu poate anticipa, şi nu îşi poate reveni dacă acestea sunt aruncate.
• Runtime exceptions sunt produse de diverse bug-uri de programare (erori de logică în aplicaţie, folosire necorespunzătoare a unui API, etc).
• Spre exemplu, a realiza apeluri de metode sau membri pe un obiect null va produce NullPointerException. Fireşte, putem prinde excepţia. Mai natural însă ar fi să eliminăm din program un astfel de bug care ar produce excepţia.

Putem arunca RuntimeException fără să o menţionăm în clauza throws din antet:

public void f(Object o) {
    if (o == null)
        throw new NullPointerException("o is null");
}

Când aveţi o situaţie în care alegerea unei excepţii (de aruncat) nu este evidentă, puteţi opta pentru a scrie propria voastră excepţie, care să extindă Exception, RuntimeException sau Error.

Exemplu:

class TemperatureException extends Exception {}
 
class TooColdException extends TemperatureException {}
 
class TooHotException extends TemperatureException {}

În aceste condiţii, trebuie acordată atenţie ordinii în care se vor defini blocurile catch. Acestea trebuie precizate de la clasa excepţie cea mai particulară, până la cea mai generală (în sensul moştenirii). De exemplu, pentru a întrebuinţa excepţiile de mai sus, blocul try-catch ar trebui să arate ca mai jos:

try {
    ...
} catch (TooColdException e) {
    ...
} catch (TemperatureException e) {
    ...
} catch (Exception e) {
    ...
}

Afirmaţia de mai sus este motivată de faptul că întotdeauna se alege primul bloc catch care se potriveşte cu tipul excepţiei apărute. Un bloc catch referitor la o clasă excepţie părinte, ca TemperatureException prinde şi excepţii de tipul claselor copil, ca TooColdException. Poziţionarea unui bloc mai general înaintea unuia mai particular ar conduce la ignorarea blocului particular.

try { 
  ...
} catch(IOException | FileNotFoundException ex) { 
  ...
}

try (PrintWriter writer = new PrintWriter(file)) {
    writer.println("Hello World");
}

Metodele suprascrise (overriden) pot arunca numai excepţiile specificate de metoda din clasa de bază sau excepţii derivate din acestea.

În proiectarea orientată pe obiect, pattern-ul “Chain-of-responsibility” (lanț de responsabilitate) este un model de design constând dintr-o sursă de obiecte de comandă și o serie de obiecte de procesare. Fiecare obiect de procesare conține logică care definește tipurile de obiecte de comandă pe care le poate gestiona; restul sunt transferate către următorul obiect de procesare din lanț. De asemenea, există un mecanism pentru adăugarea de noi obiecte de procesare la sfârșitul acestui lanț. Astfel, lanțul de responsabilitate este o versiune orientată pe obiecte a if … else if … else if …… else … endif, cu avantajul că blocurile condiție-acțiune pot fi dinamic rearanjate și reconfigurate la timpul de execuție.

Într-o variantă a modelului standard al lanțului de responsabilitate, un handler poate acționa ca un dispatcher, capabil să trimită comenzi în diverse direcții, formând un tree de responsabilități. În unele cazuri, acest lucru poate apărea recursiv, cu procesarea obiectelor care apelează obiecte de procesare de nivel superior cu comenzi care încearcă să rezolve o parte mai mică a problemei; în acest caz, recurența continuă până când comanda este procesată, sau întregul arbore a fost explorat. Un interpretor XML ar putea funcționa în acest mod.

Modelul lanțului de responsabilitate este aproape identic cu modelul decoratorului, diferența fiind că pentru decorator, toate clasele se ocupă de cerere, iar pentru lanțul de responsabilitate, exact una dintre clasele din lanț se ocupă de cerere.

1. (2p) Citiți de la stdin o linie de text și afișați-o la stdout folosind BufferedReader-ul definit în schelet. Nu uitați să afișați un mesaj sugestiv în cazul apariției unei excepții și să închideți resursa după terminarea folosirii acesteia. Folosiți construcția try-with-resources sau try-catch-finally.
2. (3p) Definiţi o clasă care să implementeze operaţii pe numere double. Operaţiile vor arunca excepţii. Clasa va trebui să implementeze interfața Calculator, ce conţine trei metode:
   • add: primeşte două numere şi întoarce un double
   • divide: primeşte două numere şi întoarce un double
   • average: primeşte o colecţie ce conţine obiecte double, şi întoarce media acestora ca un numar de tip double. Pentru calculul mediei, sunt folosite metodele add şi divide.
   • Metodele pot arunca următoarele excepții (definite în interfața Calculator):
     • NullParameterException: este aruncată dacă vreunul din parametrii primiți este null
     • OverflowException: este aruncată dacă suma a două numere e egală cu Double.POSITIVE_INFINITY
     • UnderflowException: este aruncată dacă suma a două numere e egală cu Double.NEGATIVE_INFINITY
   • Completați metoda main din clasa MainEx2, evidențiind prin teste toate cazurile posibile care generează excepţii.
3. (1p) Care este alegerea firească pentru exercițiul trecut: excepţii checked sau unchecked? De ce? Consideraţi că, pentru un utilizator care doreşte efectuarea de operaţii aritmetice, singurul mecanism disponibil este cel oferit de clasa Calculator. Discutați cu asistentul.
4. (4p) Dorim să implementăm un Logger pe baza pattern-ului Chain-of-responsibility, definit mai sus, pe care îl vom folosi să păstram un jurnal de evenimente al unui program (vezi adaptarea în Referințe):
   1. (1p) Creați enumerația LogLevel, ce va acționa ca un bitwise flag, care va conține valorile - Info, Debug, Warning, Error, FunctionalMessage, FunctionalError. Această enumerație va expune și o metodă statică all() care va întoarce o colecție de EnumSet<LogLevel> în care vor fi toate valorile de mai sus (Hint: EnumSet.allOf()). Exemplu practic de folosire.
   2. (1p) Creați o clasă abstractă LoggerBase:
      1. va primi în constructor un obiect de tip EnumSet<LogLevel> care va defini pentru ce nivele de log se va afisa mesajul
      2. va păstra o referință către următorul LoggerBase la care se trimite mesajul
      3. va expune o metodă publică setNext ce va primi un LoggerBase și va seta următorul delegat din lista de responsabilitate
      4. va defini o metodă abstractă protected writeMessage ce va primi mesajul care trebuie afișat
      5. va expune o metodă publică message ce va primi mesajul care trebuie afișat și o severitate de tip LogLevel. Dacă instanța de logger conține această severitate în colecția primite în constructor, atunci se va apela metoda writeMessage. Apoi se vor pasa mesajul și severitatea către următorul delegat din lista de responsabilitate (dacă există unul)
   3. (2p) Definiți clasele de mai jos care vor extinde LoggerBase și implementa metoda writeMessage:
      1. ConsoleLogger - care va scrie toate tipurile de LogLevel (Hint: all()) și va prefixa mesajele cu [Console]
      2. EmailLogger - care va scrie doar tipurile FunctionalMessage și FunctionalError și va prefixa mesajele cu [Email]
      3. FileLogger - care va scrie doar tipurile Warning și Error și va prefixa mesajele cu [File]
      4. Hint: EnumSet.of()
      5. Completați cele 2 TODO-uri rămase în metoda main din clasa MainEx4.

• Schelet
• Soluție
• PDF laborator

• Exception
• Error
• RuntimeException
• NullPointerException
• IndexOutOfBoundsException
• NoSuchElementException
• OutOfMemoryError
• StackOverflowError
• Adaptarea exercițiului după exemplul din C#