Excepciones

1. Introducción

Este tema es informativo, no forma parte de la materia, pero sucede que los alumnos utilizan excepciones en Python y luego tratan de usar el mismo concepto el C++. 

En C++ el tema tiene otras aristas que intentaremos ilustrar, sin ahondar en demasiados detalles.

2. Interrupciones (eventos generados por hardware)

Este tema es informativo, no forma parte de la materia, pero sucede que los alumnos utilizan excepciones en Python y luego tratan de usar el mismo concepto el C++. 

En C++ el tema tiene otras aristas que intentaremos ilustrar, sin ahondar en demasiados detalles.

Interrupciones 

Como sugiere el nombre, las señales de interrupción proporcionan una forma de desviar el procesador al código fuera del flujo normal de control.

Cada dispositivo de hardware es capaz de emitir solicitudes de interrupción generalmente tiene un línea o  pin  de salida única designada como línea de Solicitud de interrupción (IRQ). Estas líneas están conectadas a los pines de entrada de un circuito de hardware llamado controlador de interrupción programable , I/O Advanced Programmable Interrupt Controller (I/O APIC).

Se pueden ver que hay interrupciones generadas por las CPUs e interrupciones externas.

Cuando llega una señal de interrupción, la CPU debe detener lo que está haciendo actualmente y cambiar a una nueva actividad; lo hace guardando el valor actual del contador del programa (es decir, el contenido de los registros, memoria de trabajo del proceso) en la pila del Modo Kernel y colocando una dirección relacionada con el tipo de interrupción en el contador del programa.

Las interrupciones se caracterizan por que:

• Llegan en cualquier momento.
• Pueden ocurrir mientras otra interrupción está en curso.

Hay interruciones enmascarables y no mascarables.

Interrupciones enmascarables

Todas las solicitudes de interrupción (IRQ) emitidas por dispositivos de E/S dan lugar a enmascarables. Una interrupción enmascarable puede estar en dos estados: enmascarada o desenmascarada. La unidad de control ignora una interrupción enmascarada mientras permanezca enmascarado.

Interrupciones no enmascarables

Sólo unos pocos eventos críticos (como fallas de hardware) dan lugar a interrupciones no enmascarables.

Un integrado que hace estas tareas ejecutar el código de cada interrupción es el 8259A  de intel.

8259A Controlador de Interrupciones Programables.

3. Excepciones (eventos generados por software)

Excepciones.

A) Excepciones detectadas por el procesador

Cuando la CPU detecta una condición anómala durante la ejecución una instrucción. Estos se dividen a su vez en tres grupos, dependiendo de el valor del registro EIP (EIP es un registro apunta a la siguiente instrucción que debe ejecutarse en el flujo de ejecución del programa) que se guarda en la pila del modo Kernel cuando la unidad de control de la CPU plantea la excepción.

1. Fault ,Fallos:Generalmente se puede corregir; una vez corregido, el programa puede reiniciar sin pérdida de continuidad continuando en el valor guardado de EIP siempre que sea capaz de corregir la condición anómala que provocó interrupción.
   
2. Trap, Trampas: Informado inmediatamente después de la ejecución de las instrucciones de captura. Después de que el kernel devuelve el control al programa, se le permite continuar su ejecución sin pérdida de continuidad en el valor guardado de EIP. El uso principal de las trampas es para fines de depuración. El papel de la señal de interrupción en este caso es notificar al depurador que se ha ejecutado una instrucción específica (por ejemplo, se ha alcanzado un punto de interrupción brakepoint dentro de un programa).
   
   
3. Abort, Aborta : Se produjo un error grave; la unidad de control tiene problemas y puede ser que no se puede almacenar en el registro EIP. Los abortos se utilizan para informar errores graves, como fallas de hardware y valores no válidos o inconsistentes en las tablas del sistema. Este El controlador no tiene más remedio que forzar la finalización del proceso afectado.

B) Excepciones programadas

Ocurren a petición del programador, deberían se pensadas por el programador, son activados por int (interrupciones) o int3.

La instrucción int3 es una instrucción de interrupción de software que se utiliza comúnmente para propósitos de depuración en programas en lenguaje ensamblador y en entornos de desarrollo de software. En arquitecturas x86 y x86-64, la instrucción int3 provoca una excepción de interrupción de software que suele ser manejada por un depurador.  

Las excepciones programadas son manejadas por la unidad de control como trampas; A menudo se les llama interrupciones de software. Las excepciones tienen dos usos comunes:

1. implementar llamadas al sistema
2. notificar un depurador de un evento específico.

Nota del Docente:

El lenguaje Python, suele se mas usado para el desarrollo de aplicaciones en las que el error en el ingreso de datos puede generar una excepción. Esto no sucede en C++, desde nuestro enfoque en la materia, la misma es aprender C++ para facilitar la lectura de datos de sensores, datos registrados en archivos, en el ingreso de datos por parte del usuario para C++ asumimos que normalmente no hay errores de tipo ( se simula que se leen desde un sensor) por eso no vemos como trata C++ las excepciones en profundidad. Pero a modo de información, mostraremos este tema de manera superficial.

Una excepción es la indicación de un problema que ocurre durante la ejecución de un programa.

El manejo de excepciones está diseñado para procesar errores síncronos, que ocurren cuando se ejecuta una instrucción.

Ejemplos comunes de estos errores son :

• los subíndices de arreglos fuera de rango

• el desbordamiento aritmético (es decir, un valor fuera del rango de valores representables)

• la división entre cero

• los parámetros de función inválidos

• la asignación fallida de memoria (debido a la falta de memoria).

El manejo de excepciones proporciona un mecanismo estándar para procesar los errores

Si los problemas potenciales ocurren con poca frecuencia, al entremezclar la lógica del programa y la lógica del manejo de errores se puede degradar el rendimiento del programa, ya que éste debe realizar pruebas (tal vez con frecuencia) para determinar si la tarea se ejecutó en forma correcta, y si se puede llevar a cabo la siguiente tarea, podemos decir que se ejecuta el código pero con recaudos que hacen que el rendimiento no sea el mejor.

El nombre “excepción” implica que el problema ocurre con poca frecuencia; si la “regla” es que una instrucción generalmente se ejecuta en forma correcta, entonces la “excepción a la regla” es cuando ocurre un problema.

Los programadores deben escribir programas tolerantes a fallas y robustos, que puedan tratar con los problemas que puedan surgir sin dejar de ejecutarse, o que terminen de una manera no dañina.

Se pueden definir una clase de excepción para representar el tipo del problema que podría ocurrir, en nuestro caso vamos a mostrar ejemplos de excepciones estándares y no estándares.

Gestión de la memoria (Stack y Heap) en C++

• El segmento de texto, conocido como segmento de código, contiene las instrucciones ejecutables y es solo de lectura: https://en.wikipedia.org/wiki/Code_segment.
• El segmento de datos contiene la inicialización de las variables estáticas, globales y estáticas locales: https://en.wikipedia.org/wiki/Data_segment.
• El segmento heap (montón) contiene memoria reservada dinámicamente por el programador para almacenar variables temporales en tiempo de ejecución. Es un segmento compartido por todos los subprocesos, bibliotecas compartidas y módulos cargados dinámicamente en un proceso: https://en.wikipedia.org/wiki/Manual_memory_management.
• El segmento stack (pila), ubicado en la parte superior de la memoria, contiene la pila de llamadas (call stack). Se trata de una estructura LIFO (último en llegar primero en salir) donde se almacenan los argumentos pasados al programa, las cadenas del entorno, argumentos de las funciones, variables locales no inicializadas, además de almacenar el registro de llamada de funciones y el retorno: https://en.wikipedia.org/wiki/Stack-based_memory_allocation.

Diferencias entre stack y heap

¿Por que mencionamos esto?

1. Ejecución normal
2. Estado de Pánico, que es cuando se dispara una excepción o cadenas de excepciones, ya que las funciones suelen estar enganchadas, unas con otras.

Buenas prácticas

• Utilizar excepciones para errores inesperados: No para errores de lógica o flujo de control.
• Documentar las excepciones: Especificar el tipo de excepción y su significado.
• Lanzar excepciones específicas: Usar clases derivadas de std::exception para mayor precisión.
• Evitar la anidación excesiva de bloques try/catch: Simplifica el código y facilita la depuración.

4. Resumen

5. Excepciones

Este tema es en particular el que queremos profundizar en la cátedra de C++

La señal SIGFPE es una señal de excepción que se utiliza en sistemas Unix y Unix-like (como Linux) para manejar errores relacionados con operaciones aritméticas. SIGFPE significa "Floating Point Exception" (Excepción de Punto Flotante) y se genera cuando ocurren errores durante operaciones aritméticas, como la división por cero, el desbordamiento de enteros o el intento de calcular funciones matemáticas indefinidas, como el logaritmo de un número negativo.

Esta señal, SIGFPE se utiliza para notificar al programa que ha ocurrido un error durante una operación aritmética, lo que permite al programa manejar adecuadamente la situación, como terminar la ejecución o manejar el error de otra manera. Es importante gestionar estas excepciones para evitar comportamientos inesperados o fallos en el programa.

5.1. Sintaxis

Try

Catch

Regla relacionada con try/catch:

Throw

Captura todas las excepciones en C++

Forma antigua:

Forma nueva:

Nota del Docente:

Pasos para capturar todas las excepciones en C++

Error del tipo Segmentatio fault:

5.2. Destrucción de Objetos Dinámicos.

El gran problema de la destrucción de objetos temporales consiste en que no todos ellos se crean directamente como variables de pila, sino que muchas veces se utilizan punteros a objetos.

Archivo terminos_fibonacci.txt:

Código:

Las reglas de C++ son claras al respecto: los objetos creados en la memoria dinámica deben ser destruidos explícitamente mediante una llamada al operador delete. ¿Y si ocurre una excepción dentro de suma?, no se libera el objeto, se pierde su memoria y se queda un fichero abierto.

Si esto fuera al acceso a una tabla de una base de datos al perder conectividad con el Servidor:

• la misma podría quedar con inconsistencias
• o al acceder está bloqueada por que otro proceso la está usando,  por ejemplo.

Podemos ver que en algunos casos no tenemos manera de anticiparnos a una posible excepción!!

5.3. Tipos de Excepciones.

1. Excepciones incorporadas o predefinidas

2. Excepciones creadas personalizadas.

Excepciones incorporadas o predefinidas

La Biblioteca Estándar de C++ proporciona un conjunto de excepciones incorporadas derivadas de la clase std::exception, como std::runtime_error, std::out_of_range, etc.

Estas excepciones incorporadas tienen una jerarquía:

Estas excepciones incorporadas se pueden utilizar para atrapar tipos específicos de errores. Además, también puedes definir tus propias excepciones personalizadas. https://en.cppreference.com/w/cpp/error/exception

Hay excepciones estándar:

y se pueden crear otras excepciones con clases, también veremos un ejemplo de eso.

Excepciones creadas personalizadas.

Las excepciones personalizadas no especificadas en C++ pueden ser beneficiosas para producir bajo circunstancias específicas. En C++, cualquier tipo que cumpla con ciertos criterios puede ser capturado o arrojado.

Estos incluyen el tipo que tiene un constructor y un destructor de copias válidos.

Las excepciones personalizadas ofrecen el mecanismo de manejo de excepciones con información útil sobre un problema. Pueden crearse creando una nueva clase con las propiedades necesarias y lanzando una instancia de esa clase o heredando de std::exception y anulando la función what().

Podemos hacer una clase de excepción personalizada de la siguiente manera.

Class MyExceptionClass : public exception {
 public:
  const char* what() const throw() { return "Negative number not allowed\n"; }
};

int main() {
  try {
    int a;
    cout << "Enter a number : \n";
    cin >> a;
    if (a < 0) {
      MyExceptionClass c;
      throw c;
    } else {
      cout << "you entered: " << a << endl;
    }
  } catch (exception& e) {
    cout << e.what();
  }
}

5.4. División por cero

En este caso, la línea 15 verifica que b=0, si esto es cierto, el if "tira" (trhow) un -1.

Esto es atrapado por catch, que toma como argumento el -1, por lo que x=-1, y lo muestra junto con el mensaje "No se puede..." por pantalla. Vamos como sería la salida:

5.5. Fuera de rango

Veamos un ejemplo, donde tratamos de acceder a un caracter de un string que no existe, el string tiene 5 caracteres y quiero mostrar el decimo.

Los errores generados por las librerías estándar de C++ pueden ser capturados por un catch ( ver que no hay throw visible)  que tome un parámetro tipo exception. 

Realmente, exception es una clase base de donde usted puede derivar las suyas y sobrescribir los métodos para el tratamiento de excepciones. En particular este ejemplo trata de acceder a algo fuera de rango, por lo que causa un error de rango.

Aqui podemos acceder a la documentación de referencia: https://en.cppreference.com/w/cpp/error/range_error

La clase exception está incluida en la libreria estandar exception y su estructura es la siguiente:

class exception {
public:
    exception() throw() { }
    virtual ~exception() throw();
    virtual const char* what() const throw();
};

Si en nuestro ejemplo se nos ocurre mostrar un caracter de txt que esté más allá que la 4 posición, va a dispara una exception.

5.6. Excepciones específicas.

Vamos a mostrar un ejemplo donde vamos a crear varias excepciones para capturar distintas excepciones en el cálculo de un logaritmo.

En el programa se crea la clase ErrorMat y dentro de la misma la función porque() la cual se encargará de desplegar el mensaje de error. 

Aunque ErrorMat solo ha sido pensada para tratar los posibles errores de rango y errores de dominio, la misma puede rescribirse para capturar todos los errores posibles que puedan resultar a raiz de operaciones matemáticas.


Nota: 

No deje de observar también, cómo la función independiente logaritmo() verifica si el parámetro pasado a la misma es 0 o menor que 0 y en tales circunstancias se lanzaría (throw) un error de excepción del tipo ErrorMat ya que el dominio para la función log() es el de los números positivos y el logaritmo de cero no está definido en los números reales.

5.7. Argumento no válido.

Vamos a mostrar un ejemplo de código, en el que se llama a una excepción cuando el argumento que recibe una función se considera que no es válido y se debe lanzar la excepción.

5.8. Error en tipo de datos.

Veamos como solucionar el tipo de error en datos. 

En Python esto se acostumbraba hacer con una excepción, no es así en C++.

Vemos que no es necesario levantar una excepción para el caso de error en tipo de datos. Si ingresamos la letra o caracter "A":

El orden de cin.clear() y cin.ignore() no es importante, pero deben estar ambos.

• cin.ignore(): deja de extraer caracteres si se alcanza el final del archivo
• cin.clear(): limpia la bandera de error de cin.

De esta manera no se genera un loop.

Este código tendría que ser mejorado, que pasa si se ingresa mas que un caracter , por ejemplo "hola"?

Podemos ver que con cada uno de los 4 caracteres de hola , muestra: "Ud. NO ingresó..."

Para ello podemos modificar el código de la siguiente manera:

Si usamos algo como #define max_size 50 y luego cin.ignore(max_size) luego deberemos llegar a tipera 50 caracteres hasta que ignore deje de realizar su tarea.

Así que vamos a usar cin.getline() para leer los caracteres que quedan en el buffer, el código quedaría algo como:

5.9. No hay espacio de Memoria (new)

Cuando solicitamos memoria al sistema, lo habitual es que exista suficiente memoria disponible y no haya ningún problema. Pero si queremos realizar una aplicación robusta deberemos de tener en cuenta la eventualidad de que dicha memoria no se conceda.

6. links

https://en.cppreference.com/w/cpp/language/throw

https://en.cppreference.com/w/cpp/language/try_catch

https://www.delftstack.com/es/howto/cpp/cpp-catch-all-exceptions/#escriba-el-c%C3%B3digo-que-puede-generar-una-excepci%C3%B3n-y-aseg%C3%BArese-de-que-el-mecanismo-de-excepci%C3%B3n-actual-lo-atrape

https://elvex.ugr.es/decsai/builder/intro/6.html

https://oregoom.com/cpp/excepciones/