Système de gestion d'exceptions

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Dans le contexte des langages de programmation fonctionnels et impératifs, un système de gestion d'exceptions ou SGE permet de gérer les conditions exceptionnelles pendant l'exécution du programme. Lorsqu'une exception se produit, l'exécution normale du programme est interrompue et l'exception est traitée. L'utilisation des gestionnaires d'exceptions s'est généralisée sur PC avec l'utilisation du mode protégé sous DOS puis avec les sy
Système de gestion d'exceptions

Dans le contexte des langages de programmation fonctionnels et impératifs, un système de gestion d'exceptions ou SGE permet de gérer les conditions exceptionnelles pendant l'exécution du programme. Lorsqu'une exception se produit, l'exécution normale du programme est interrompue et l'exception est traitée. L'utilisation des gestionnaires d'exceptions s'est généralisée sur PC avec l'utilisation du mode protégé sous DOS puis avec les systèmes d'exploitation multitaches. Auparavant, une erreur de programmation pouvait facilement aboutir à un plantage du programme voire de l'ordinateur. Les erreurs/exceptions les plus courantes sont probablement l'accès non autorisé à une zone mémoire (erreur de manipulation de pointeur) et la division par zéro (on ne prévoit pas le cas où le diviseur est nul).

Interêt

Tout programme en exécution peut être sujet à des erreurs pour lesquels des stratégies de détection et de réparation sont possibles. Ces erreurs ne sont pas des bogues mais des conditions particulières (ou conditions exceptionnelles, ou exceptions) dans le déroulement normal d'une partie d'un programme. Par exemple, l'absence d'un fichier utile n'est pas un bogue du programme ; par contre, ne pas gérer son absence en serait un. Le traitement des situations exceptionnelles fait apparaître deux besoins :
- une syntaxe spéciale, pour distinguer l'exécution normale du traitement des erreurs,
- un flot de contrôle "non local", pour traiter et réparer les situations exceptionnelles. Dans les langages de programmation sans SGE, on n'a pas d'outil pour séparer l'exécution normale et l'exécution exceptionnelle du programme. Un algorithme, dont l'exécution normale s'exprime de façon simple et élégante, peut devenir illisible (et donc difficile à maintenir) une fois « enrobé » par une logique de traitement des situations exceptionnelles ; disposer au niveau du langage de programmation d'une syntaxe pour différencier l'exécution normale de l'exécution dans un contexte exceptionnel peut être utile. Le traitement d'une situation exceptionnelle peut nécessiter de revenir "dans le passé" de l'exécution du programme, c'est-à-dire remonter brutalement la chaîne d'appels pour annuler une opération fautive, ou encore modifier les valeurs de certaines variables, puis reprendre l'exécution du programme un peu avant le site de l'erreur. D'où le besoin d'associer, à la syntaxe spéciale, des opérateurs spéciaux pour effectuer des sauts et des modifications de variables à des points arbitraires de la chaîne d'appels.

Types d'erreur

Les exceptions suivantes peuvent survenir dans pratiquement tous les programmes :
- arithmétique (débordement, division par zéro, ...)
- collections (débordement d'indices)
- allocation mémoire (mémoire insuffisante)
- signaux système (interruption du programme par le système d'exploitation) D'autres erreurs peuvent être interceptées par le compilateur, par exemple les erreurs de type, dans les langages à typage statique. Dans les langages à objets, le type d'une exception est déterminé par sa classe. Ces langages fournissent une hiérarchie prédéfinie et extensible de types d'exceptions, correspondant au type des erreurs qu'elles représentent.

Gestionnaire d'exceptions

Un gestionnaire d'exception établit un ensemble de routines de traitement d'erreurs, définies par le programmeur, sur un bloc (dans une fonction ou une méthode du programme) ; ces routines sont activées pendant toute la durée d'exécution du bloc protégé. La notion d'exécution du bloc protégé inclut toute la chaîne d'appels (de fonctions, procédures ou méthodes) à partir de ce bloc : on dit que les gestionnaires d'exception sont actifs dans la portée dynamique du bloc. Le signalement d'une exception peut être automatique, s'il correspond à une exception définie dans le langage de programmation ou une bibliothèque fournie, ou bien déclenché par le programmeur par l'utilisation d'une primitive de signalement. Il est généralement possible de construire de nouveaux types d'exceptions et de programmer leur signalement. Le gestionnaire d'exception peut être complété par un ensemble de restarts, qui sont des routines permettant la modification des environnements lexicaux entre le site de signalement et le point d'établissement des gestionnaires d'exception. Un restart permet à un gestionnaire d'exception de choisir de réparer et redémarrer un calcul plutôt que de l'abandonner intégralement. Un restart est également actif dans la portée dynamique du bloc sur lequel il est défini.

Signalement d'une erreur

Lorsqu'une condition d'erreur est détectée (par une primitive de signalement, une trappe processeur, le système d'exploitation ou encore l'environnement d'exécution du programme), on dit qu'elle est signalée : un bloc de traitement d'erreur (un handler) est recherché dans la liste des gestionnaires actifs. L'exécution du programme est déférée au bloc de traitement, qui effectue des actions correctrices et décide si le calcul où l'erreur a été signalée est terminé ou bien repris (si c'est possible, c'est-à-dire en présence de restarts). Il se peut qu'aucun gestionnaire n'ait été prévu par le programmeur, auquel cas un gestionnaire par défaut, dont le comportement est pré-défini, est sélectionné.

Réparation d'une erreur, reprise

Dans un bloc de traitement, le programmeur a deux options :
- arrêt brutal du calcul fautif et choix d'un autre calcul : la pile d'appel du bloc protégé est alors détruite,
- réparations en différents points de la chaîne d'appel ayant conduit à l'erreur, et reprise du calcul à un lieu préalablement défini. Beaucoup de langages de programmation (par exemple C++, Java) ne permettent que la terminaison pure et simple du bloc fautif. On ne peut réparer ni reprendre les opérations. En Python, les mécanismes de métaprogrammation et de meta-meta-programmation natifs permettent en plus de modifier le programme à la volée, par exemple pour auto-réparer ou reprendre un programme.

Opérateurs

Signalement d'une condition d'erreur (ne détruit pas la pile) :
- signal, error, cerror, ... L'installation d'un bloc de traitement d'erreur est réalisé avec des primitives du type :
- try/catch/finally, handler-bind, ... L'installation d'un restart (un bloc de réparation de contexte lexical) est permise par :
- restart-case, restart-bind ... La destruction de la pile d'appel entre l'expression signalant une exception et le bloc de traitement, ou un point de reprise est effectuée par :
- throw, raise En Java ou Python, par exemple, le signalement implique la destruction de la pile d'appels jusqu'au premier bloc de traitement disponible. Dans ce cas, throw (ou raise) est la seule primitive de signalement, et la réparation et la reprise sont impossibles.

Dans les langages de programmation

Delphi / Lazarus

Exemple en Delphi ou en Lazarus : procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject); var f: Real; // soit f un nombre réel begin f := 1; // on affecte la valeur 1, jusqu'ici tout va bien try // on débute un bloc protégé f := 1/0; // provoque une division par zéro, ou alors f vaut +infini f := sin(f); // sinus de +infini est indéfini sinon except // on gère les exceptions on e: Exception do // on appelle e l'exception qui vient d'arriver Application.MessageBox( PChar('Message : '+e.Message), 'Exception', 0); end; // fin du bloc protégé Application.MessageBox( PChar('Valeur de f : '+FloatToStr(f)), 'Resultat', 0); end;

Java

Java offre un SGE terminal, donc sans réparation ni reprise. Exemple de traitement d'une division par zéro : public class FooBar FooBar void foo (SomeObj a, String b) int bar (String s) System.out.println ("tiens, un " + s); System.out.println ("faisons quelque chose de mal..."); int a = 42 / 0; // >readConfiguration on: InvalidOption do: ifFalse: : toutes les conditions ne sont pas indésirables. À la hiérarchie des types d'exceptions des SGE à terminaison correspond une hiérarchie de types de conditions, incluant une branche pour les conditions non-fatales. Cette hiérarchie est décrite avec le Common Lisp Object System, c'est donc également une hiérarchie de classes d'exceptions. Dans le SCCL, un bloc de traitement d'un gestionnaire de condition est une fonction fermée sur l'environnement lexical du gestionnaire d'exception, et qui s'exécute dans l'environnement dynamique de la routine où la condition est signalée ; le contexte dynamique de la routine signalante n'est pas détruit. Cela signifie que le signalement n'implique pas de transférer le flot de contrôle de façon non locale : on ne détruit pas la pile d'appels au moment du signalement. Le signalement débute par un appel de fonction au GE adéquat ; il peut être écrit comme suit : (defun signal (condition) (funcall (find-first-active-handler-of-type (type-of condition)) condition)) Un restart est une fonction contenant les instructions nécessaires à la réparation d'une situation exceptionnelle, et fermée sur un environnement lexical proche du lieu du signalement. Il est donc situé, dans la chaîne d'appels, entre le GE adéquat et la condition signalée. Un restart est typiquement invoqué par le gestionnaire d'une condition pour modifier l'environnement lexical ou dynamique de la procédure signalant la condition (réparer la situation) et effectuer un saut non-local vers un point de cette procédure (reprise).

Opérateurs

Nous mentionnons les opérateurs les plus significatifs du système de conditions. (catch symbol) et (throw symbol) sont à la disposition du programmeur Lisp pour, respectivement, marquer avec un symbole le cadre courant, et détruire la pile d'appels en la remontant jusqu'à la première marque correspondant au symbole passé en argument. Ils sont utilisés implicitement par le système de condition. Si handler-bind implique un catch, les primitives de signalement ne débutent jamais par un throw. Throw n'est invoqué que si le gestionnaire effectue un saut non-local vers son contexte lexical (qui est différent de son contexte dynamique au moment où il est appelé), ce qui signifie qu'on veut effectivement détruire la pile d'appels.

Utilisation et Fonctionnement

Utilisation terminale
Le SCCL peut être utilisé juste comme les SGE à terminaison : on établit un gestionnaire, on signale, on se demande quoi faire. 1 . (defun foo 2 . (tagbody 3 . (print « foo ») 4 . (handler-bind ((some-condition 5 . (lambda (condition) 6 . (print (type-of condition)) 7 . (go after-the-fact)))) 8 . (bar)) 9 . after-the-fact 10. (print "après bar, dans foo")) 11. 12. (defun bar 13. (print « bar ») 14. (error "C'est bien une erreur" 'some-condition) 15. (print "ce code est inatteignable")) Examinons cet exemple, du point de vue du flot de contrôle. La trace d'un appel à foo est : 3 . foo 13. bar 6 . SOME-CONDITION 10. après bar, dans foo La décision de détruire la pile d'appels est prise par le "(go after-the-fact)" du gestionnaire pour some-condition. Le système Lisp doit faire un throw juste avant d'exécuter le go.
Utilisation d'un restart
Le schéma suivant exprime les étapes mises en œuvre lorsqu'on utilise un restart. Signalement : abandon ou réparation et reprise Reprenons ces étapes (cas de la reprise) : 1. établissement du gestionnaire G (pour le type de condition C) dans l'environnement dynamique du programme (cela signifie que G est accessible en tout cadre de la chaîne d'appels sous son cadre d'établissement) ; G peut capturer des variables lexicales du cadre où il est déclaré (c'est une fermeture lexicale), 2. appel de la forme « protégée » par G, 3. appel à une nouvelle procédure, d'où sera signalée une condition de type C, 4. établissement d'un restart R protégeant une expression de cette procédure, dans l'environnement lexical de cette dernière, 5. l'expression protégée de la procédure signale une condition de type C : le gestionnaire G est trouvé dans l'environnement dynamique (c'est le gestionnaire actif le plus récent pour les conditions de type C), 6. G décide de reprendre le calcul, il invoque le restart R, 7. R effectue, dans le contexte lexical de la procédure signalante une réparation (si besoin) et tranfère le contrôle à la procédure (saut non-local), qui reprend son travail (selon toute raison, en
-4). Bien sûr, si le gestionnaire décide d'abandonner le calcul (
-6 bis), un saut non-local est effectué vers le cadre où G a établi ses liaisons lexicales (et en particulier l'étiquette utilisée pour le saut) ; la pile d'appels est détruite, R est détruit, et juste après le saut, G lui-même est détruit.
Exemple avec reprise
Nous développons l'idée d'utiliser le système de conditions pour exploiter les résultats d'un solveur de contraintes. Un solveur de contrainte, lorsqu'il trouve une solution, la signale à la routine qui a demandé le calcul. Si la routine est satisfaite de la solution, elle peut arrêter le solveur ; elle peut également reprendre le calcul pour obtenir la solution suivante. On commence par définir un nouveau type de condition, correspondant à une solution trouvée par le solveur, avec un slot pour la solution : (define-condition backtrack-solution (condition) ((sol :initarg solution :reader solution))) On établit un gestionnaire d'exceptions dans la routine qui a besoin des résultats du solveur ; ici, on choisit d'analyser le résultat du solveur au fur et à mesure de sa progression : 1 . (defun foobar (...) 2 . (let ((solutions-we-dont-like)) 3 . (handler-bind 4 . ((backtrack-solution ; type de la condition 5 . (lambda (condition) 6 . ;; on décide quoi faire 7 . (let ((sol (solution condition)) 8 . (when (good-enough sol) 9 . (return-from foobar sol)) 10. (push sol solutions-we-dont-like) 11. (invoke-restart 12. (first (find-restarts condition))))))) 13. ;; l'appel initial au solveur 14. (backtrack-with args in the env)) 15. (choose-best-amongst solutions-we-dont-like))) On observe que le gestionnaire peut décider, en fonction de la « qualité » de la solution, de la retourner (ligne
-9), ce qui implique l'abandon du calcul en cours et la destruction des cadres associés à ce calcul ; ou bien de l'empiler (ligne
-10) et de reprendre la recherche (lignes
-11-
-12). Dans le code du solveur, on doit signaler la condition bactrack-solution lorsqu'une solution est trouvée : (defun backtrack-with (vars future inst foo) ;; s'il n'y a plus de variable à instancier, on signale une solution (if (not future) (cerror "Autres solutions" 'backtrack-solution :solution (instances vars)) ... )) La primitive cerror condense en une seule opération l'établissement d'un restart et le signalement d'une condition. On aurait pu écrire, plus verbeusement, mais avec le même effet : (tagbody (restart-bind ((more-solutions (lambda (print « restarting ») (go local-restart-point)))) (error "Autres solutions" 'backtrack-solution :solution (instances vars))) local-restart-point)

Historique

Le premier langage à avoir systématisé la gestion des exceptions a été le PL/I (circa 1970). Il permettait d'activer dans la portée d'un bloc une ou plusieurs des conditions suivantes, et de leur associer un traitement, l'association restant valable jusqu'à
- la fin du bloc
- ou son remplacement par un autre traitement
- ou le masquage temporaire par un autre traitement de la même exception dans un bloc interne. Les conditions reconnues étaient : AREA, CHECK (changement de valeur d'une variable), CONDITION (condition définie par le programmeur), CONVERSION, ENDFILE, ENDPAGE, KEY, UNDEFINEDFILE, FIXEDOVERFLOW, OVERFLOW, UNDERFLOW1, ZERODIVIDE, STORAGE, STRINGRANGE, SUBSCRIPTRANGE, ERROR, FINISH, ANYCONDITION. Exemple : on check(valeur, somme, verif) call anomalie; exécutait le programme anomalie chaque fois que l'une des trois valeurs valeur, somme ou verif voyait sa valeur changer (on pouvait ainsi implémenter l'équivalent de ce que sont aujourd'hui les triggers dans les bases de données relationnelles. ERROR était activé pour chaque condition non traitée explicitement, en plus du traitement implicite (en général un message d'erreur, ou rien du tout si elle n'était pas activée par défaut pour des raisons de performance, comme par exemple STRINGRANGE ou SUBSCRIPTRANGE). FINISH était invoquée systématiquement à la fin de tout programme, quelle que soit sa cause. En calcul scientifique, on pouvait en profiter par exemple pour effectuer une sauvegarde de toutes les données afin de reprendre le calcul plus tard à partir du point d'arrêt. On acquittait une exception par REVERT et on la transmettait au niveau supérieur (puisqu'il y avait presque toujours une chaîne d'interruptions en casacde) au moyen de RESIGNAL. ==
Sujets connexes
Base de données relationnelle   Common Lisp   Continuation   Division   IDT   Interruption (informatique)   Langage de programmation   Lazarus   PL/I   Pointeur (programmation)   Portée dynamique (informatique)   Programmation fonctionnelle   Programmation impérative   Programmation orientée objet   Smalltalk   Typage statique  
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