Исключения и ошибки в Java

В нашей жизни нередко возникают ситуации, которые мы не планировали. К примеру, пошли вы утром умываться и с досадой обнаружили, что отключили воду. Вышли на улицу, сели в машину, а она не заводится. Позвонили другу, а он недоступен. И так далее и тому подобное… В большинстве случаев человек без труда справится с подобными проблемами. А вот как с непредвиденными ситуациями справляется Java, мы сейчас и поговорим.

Что называют исключением. Исключения в мире программирования

В программировании исключением называют возникновение ошибки (ошибок) и различных непредвиденных ситуаций в процессе выполнения программы. Исключения могут появляться как в итоге неправильных действий юзера, так и из-за потери сетевого соединения с сервером, отсутствии нужного ресурса на диске и т. п. Также среди причин исключений — ошибки программирования либо неверное использование API.

При этом в отличие от «человеческого мира», программное приложение должно чётко понимать, как поступать в подобной ситуации. И вот как раз для этого в Java и существует механизм исключений (exception).

Используемые ключевые слова

При обработке исключений в Java применяются следующие ключевые слова: — try – служит для определения блока кода, в котором может произойти исключение; — catch – необходим для определения блока кода, где происходит обработка исключения; — finally – применяется для определения блока кода, являющегося необязательным, однако при его наличии он выполняется в любом случае вне зависимости от результата выполнения блока try.

Вышеперечисленные ключевые слова необходимы для создания в коде ряда специальных обрабатывающих конструкций: try{}finally{}, try{}catch, try{}catch{}finally.

Кроме того: 1. Для возбуждения исключения используем throw. 2. Для предупреждения в сигнатуре методов о том, что метод может выбросить исключение, применяем throws.

Давайте на примере посмотрим, как используются ключевые слова в Java-программе:

//метод считывает строку с клавиатуры

public String input() throws MyException {//предупреждаем с помощью throws,
// что метод может выбросить исключение MyException
      BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
    String s = null;
//в блок try заключаем код, в котором может произойти исключение, в данном
// случае компилятор нам подсказывает, что метод readLine() класса
// BufferedReader может выбросить исключение ввода/вывода
    try {
        s = reader.readLine();
// в блок  catch заключаем код по обработке исключения IOException
    } catch (IOException e) {
        System.out.println(e.getMessage());
// в блоке finally закрываем поток чтения
    } finally {
// при закрытии потока тоже возможно исключение, например, если он не был открыт, поэтому “оборачиваем” код в блок try
        try {
            reader.close();
// пишем обработку исключения при закрытии потока чтения
        } catch (IOException e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }

    if (s.equals("")) {
// мы решили, что пустая строка может нарушить в дальнейшем работу нашей программы, например, на результате этого метода нам надо вызывать метод substring(1,2), поэтому мы вынуждены прервать выполнение программы с генерацией своего типа исключения MyException с помощью throw
        throw new MyException("String can not be empty!");
    }
    return s;
}

Зачем нам механизм исключений?

Для понимания опять приведём пример из обычного мира. Представьте, что на какой-нибудь автодороге имеется участок с аварийным мостом, на котором ограничена грузоподъёмность. И если по такому мосту проедет грузовик со слишком большой массой, мост разрушится, а в момент этого ЧП ситуация для шофёра станет, мягко говоря, исключительной. И вот, дабы такого не произошло, дорожные службы заранее устанавливают на дороге соответствующие предупреждающие знаки. И тогда водитель, посмотрев на знак, сравнит массу своего авто со значением разрешённой грузоподъёмности и примет соответствующее решение, например, поедет по другой дороге.

То есть мы видим, что из-за правильных действий дорожной службы шоферы крупногабаритных транспортных средств: 1) получили возможность заранее изменить свой путь; 2) были предупреждены об опасности; 3) были предупреждены о невозможности проезжать по мосту при определённых условиях.

Вот как наш жизненный пример соотносится с применением исключения на Java:

Исходя из вышесказанного, мы можем назвать одну из причин применения исключений в Java. Заключается она в возможности предупреждения исключительной ситуации для её последующего разрешения и продолжения работы программы. То есть механизм исключений позволит защитить написанный код от неверного применения пользователем путём валидации входящих данных.

Что же, давайте ещё раз побудем дорожной службой. Чтобы установить знак, мы ведь должны знать места, где водителей ТС могут ждать различные неприятности. Это первое. Далее, нам ведь надо заготовить и установить знаки. Это второе. И, наконец, надо предусмотреть маршруты объезда, позволяющие избежать опасности.

В общем, механизм исключений в Java работает схожим образом. На стадии разработки программы мы выполняем «ограждение» опасных участков кода в отношении наших исключений, используя блок try{}. Чтобы предусмотреть запасные пути, применяем блок catch{}. Код, выполняемый в программе при любом исходе, пишем в блоке finally{}.

Иногда бывает, что мы не можем предусмотреть «запасной аэродром» либо специально желаем предоставить право его выбора юзеру. Но всё равно мы должны как минимум предупредить пользователя об опасности. Иначе он превратится в разъярённого шофёра, который ехал долго, не встретил ни одного предупреждающего знака и в итоге добрался до аварийного моста, проехать по которому не представляется возможным.

Что касается программирования на Java, то мы, когда пишем свои классы и методы, далеко не всегда можем предвидеть контекст их применения другими программистами в своих программах, а значит, не можем со стопроцентной вероятностью предвидеть правильный путь для разрешения исключительных ситуаций. Но предупредить коллег о возможной исключительной ситуации мы всё-таки должны, и это не что иное, как правило хорошего тона.

Выполнить это правило в Java нам как раз и помогает механизм исключений с помощью throws. Выбрасывая исключение, мы, по сути, объявляем общее поведение нашего метода и предоставляем пользователю метода право написания кода по обработке исключения.

Предупреждаем о неприятностях

Если мы не планируем обрабатывать исключение в собственном методе, но желаем предупредить пользователей метода о возможной исключительной ситуации, мы используем, как это уже было упомянуто, ключевое слово throws. В сигнатуре метода оно означает, что при некоторых обстоятельствах метод может выбросить исключение. Это предупреждение становится частью интерфейса метода и даёт право пользователю на создание своего варианта реализации обработчика исключения.

После упоминания ключевого слова throws мы указываем тип исключения. Как правило, речь идёт о наследниках класса Exception Java. Но так как Java — это объектно-ориентированный язык программирования, все исключения представляют собой объекты.

Иерархия исключений в Java

Когда возникают ошибки при выполнении программы, исполняющая среда Java Virtual Machine обеспечивает создание объекта нужного типа, используя иерархию исключений Java — речь идёт о множестве возможных исключительных ситуаций, которые унаследованы от класса Throwable — общего предка. При этом исключительные ситуации, которые возникают в программе, делят на 2 группы: 1. Ситуации, при которых восстановление нормальной дальнейшей работы невозможно. 2. Ситуации с возможностью восстановления.

К первой группе можно отнести случаи, при которых возникают исключения, которые унаследованы из класса Error. Это ошибки, возникающие во время выполнения программы при сбое работы Java Virtual Machine, переполнении памяти либо сбое системы. Как правило, такие ошибки говорят о серьёзных проблемах, устранение которых программными средствами невозможно. Данный вид исключений в Java относят к неконтролируемым исключениям на стадии компиляции (unchecked). К этой же группе относятся и исключения-наследники класса Exception, генерируемые Java Virtual Machine в процессе выполнения программы — RuntimeException. Данные исключения тоже считаются unchecked на стадии компиляции, а значит, написание кода по их обработке необязательно.

Что касается второй группы, то к ней относят ситуации, которые можно предвидеть ещё на стадии написания приложения, поэтому для них код обработки должен быть написан. Это контролируемые исключения (checked). И в большинстве случаев Java-разработчики работают именно с этими исключениями, выполняя их обработку.

Создание исключения

В процессе исполнения программы исключение генерируется Java Virtual Machine либо вручную посредством оператора throw. В таком случае в памяти происходит создание объекта исключения, выполнение основного кода прерывается, а встроенный в JVM обработчик исключений пробует найти способ обработать это самое исключение.

Обработка исключения

Обработка исключений в Java подразумевает создание блоков кода и производится в программе посредством конструкций try{}finally{}, try{}catch, try{}catch{}finally.

В процессе возбуждения исключения в try обработчик исключения ищется в блоке catch, который следует за try. При этом если в catch присутствует обработчик данного вида исключения, происходит передача управления ему. Если же нет, JVM осуществляет поиск обработчика данного типа исключения, используя для этого цепочку вызова методов. И так происходит до тех пор, пока не находится подходящий catch. После того, как блок catch выполнится, управление переходит в необязательный блок finally. Если подходящий блок catch найден не будет, Java Virtual Machine остановит выполнение программы, выведя стек вызовов методов под названием stack trace. Причём перед этим выполнится код блока finally при наличии такового.

Рассмотрим практический пример обработки исключений:

public class Print {

     void print(String s) {
        if (s == null) {
            throw new NullPointerException("Exception: s is null!");
        }
        System.out.println("Inside method print: " + s);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Print print = new Print();
        List list= Arrays.asList("first step", null, "second step");

        for (String s:list) {
            try {
                print.print(s);
            }
            catch (NullPointerException e) {
                System.out.println(e.getMessage());
                System.out.println("Exception was processed. Program continues");
            }
            finally {
                System.out.println("Inside bloсk finally");
            }
            System.out.println("Go program....");
            System.out.println("-----------------");
        }

    }
    }

А теперь глянем на результаты работы метода main:

Inside method print: first step
Inside bloсk finally
Go program....
-----------------
Exception: s is null!
Exception was processed. Program continues
Inside bloсk finally
Go program....
-----------------
Inside method print: second step
Inside bloсk finally
Go program....
-----------------

Блок finally чаще всего используют, чтобы закрыть открытые в try потоки либо освободить ресурсы. Но при написании программы уследить за закрытием всех ресурсов возможно не всегда. Чтобы облегчить жизнь разработчикам Java, была предложена конструкция try-with-resources, автоматически закрывающая ресурсы, открытые в try. Используя try-with-resources, мы можем переписать наш первый пример следующим образом:

public String input() throws MyException {
    String s = null;
    try(BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))){
        s = reader.readLine();
   } catch (IOException e) {
       System.out.println(e.getMessage());
   }
    if (s.equals("")){
        throw new MyException ("String can not be empty!");
    }
    return s;
}

А благодаря появившимся возможностям Java начиная с седьмой версии, мы можем ещё и объединять в одном блоке перехват разнотипных исключений, делая код компактнее и читабельнее:

public String input() {
    String s = null;
    try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))) {
        s = reader.readLine();
        if (s.equals("")) {
            throw new MyException("String can not be empty!");
        }
    } catch (IOException | MyException e) {
        System.out.println(e.getMessage());
    }
    return s;
}

Итоги

Итак, применение исключений в Java повышает отказоустойчивость программы благодаря использованию запасных путей. Кроме того, появляется возможность отделить код обработки исключительных ситуаций от логики основного кода за счёт блоков catch и переложить обработку исключений на пользователя кода посредством throws.

Основные вопросы об исключениях в Java

1.Что такое проверяемые и непроверяемые исключения? Если говорить коротко, то первые должны быть явно пойманы в теле метода либо объявлены в секции throws метода. Вторые вызываются проблемами, которые не могут быть решены. Например, это нулевой указатель или деление на ноль. Проверяемые исключения очень важны, ведь от других программистов, использующих ваш API, вы ожидаете, что они знают, как обращаться с исключениями. К примеру, наиболее часто встречаемое проверяемое исключение — IOException, непроверяемое — RuntimeException. 2.Почему переменные, определённые в try, нельзя использовать в catch либо finally? Давайте посмотрим на нижеследующий код. Обратите внимание, что строку s, которая объявлена в блоке try, нельзя применять в блоке catch. То есть данный код не скомпилируется.

try {
    File file = new File("path");
    FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
    String s = "inside";
} catch (FileNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
    System.out.println(s);
}

А всё потому, что неизвестно, где конкретно в try могло быть вызвано исключение. Вполне вероятно, что оно было вызвано до объявления объекта. 3.Почему Integer.parseInt(null) и Double.parseDouble(null) вызывают разные исключения? Это проблема JDK. Так как они были разработаны разными людьми, то заморачиваться вам над этим не стоит:

Integer.parseInt(null);
// вызывает java.lang.NumberFormatException: null

Double.parseDouble(null);
// вызывает java.lang.NullPointerException

4.Каковы основные runtime exceptions в Java? Вот лишь некоторые из них:

IllegalArgumentException
ArrayIndexOutOfBoundsException

Их можно задействовать в операторе if, если условие не выполняется:

if (obj == null) {
   throw new IllegalArgumentException("obj не может быть равно null");

5.Возможно ли поймать в одном блоке catch несколько исключений? Вполне. Пока классы данных исключений можно отследить вверх по иерархии наследования классов до одного и того же суперкласса, возможно применение только этого суперкласса. 6.Способен ли конструктор вызывать исключения? Способен, ведь конструктор — это лишь особый вид метода.

class FileReader{
    public FileInputStream fis = null;

    public FileReader() throws IOException{
        File dir = new File(".");//get current directory
        File fin = new File(dir.getCanonicalPath() + File.separator + "not-existing-file.txt");
        fis = new FileInputStream(fin);
    }
}

7.Возможен ли вызов исключений в final? В принципе, можете сделать таким образом:

public static void main(String[] args) {
    File file1 = new File("path1");
    File file2 = new File("path2");
    try {

        FileInputStream fis = new FileInputStream(file1);
    } catch (FileNotFoundException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        try {
            FileInputStream fis = new FileInputStream(file2);
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

Но если желаете сохранить читабельность, объявите вложенный блок try-catch в качестве нового метода и вставьте вызов данного метода в блок finally.

finally. 
public static void main(String[] args) {
    File file1 = new File("path1");
    File file2 = new File("path2");
    try {

        FileInputStream fis = new FileInputStream(file1);
    } catch (FileNotFoundException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        methodThrowException();
    }
}