Fehlerbehandlung in Programmiersystemen

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Fehlerbehandlungin Programmiersystemen
Christoph Kessler Universität Linköping,
Schweden

• Fehler-Klassifikation
• Behandlung statischer Fehler
• Behandlung von Laufzeitfehlern
• Exception-Konzept
• Debugging

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Programmierfehler

• Ein erheblicher Teil der Gesamtkosten eines
  Softwareprojektesentfällt auf Testen,
  Fehlersuche und -behebung.
• Welche Fehlertypen können auftreten?
• Klassifikation
• Prävention, Diagnose, Behandlung
• Programmiersprachliche Konzepte
• Compiler, IDE
• Sonstige Werkzeuge Debugger, Verifizierer, ...

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Programmierfehler Klassifikation (1)

• Syntaktische Fehler
• Syntaxfehler z.B. vergessenes Semikolon
• Semantische Fehler
• Statische semantische Fehler
• Statische Typfehler Falscher Parametertyp D
  owncast ohne Laufzeit-Überprüfung
• Nicht deklarierte Variable
• Laufzeitfehler ?
• Logische Fehler
• Algorithmische Fehler vergessener Spezialfall,
  Nichtterminierung
• Numerische Fehler Akkumulation von
  Rundungsfehlern
• Kontraktverletzung Verletzung geforderter
  Invarianten

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Programmierfehler Klassifikation (2)

• Laufzeitfehler in der Regel nicht statisch
  prüfbar
• Zugriffsfehler z.B.
• Arrayindex-Fehler Index out of bounds
• Pointerfehler Dereferenziere NULL-Pointer
• Arithmetische Fehler Division durch 0, Überlauf
• I/O Fehler unerwartetes Dateiende
• Kommunikationsfehler Falscher Empfänger,
  falscher Typ
• Synchronisationsfehler Daten-race, deadlock
• Ressourcen-Erschöpfung Speicher, Zeitkonto
• ...
• Bemerkung Es gibt weitere Fehlertypen, und
  Kombinationen.

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Gegenmittel Prävention, Diagnose, Behandlung

• Programmiersprache / Laufzeitsystem
• Typsicherheit ? statische Typfehler
• Exception-Konzept ? Laufzeitfehler
• Automatische Speicherverwaltung ? Speicherlecks,
  Pointerfehler
• Compiler-Frontend, IDE ? Syntaxfehler, statische
  semant. Fehler
• Programmverifizierer ? Kontraktverletzung
• Code-Inspektion Fagan76 ? Alle Fehlertypen
• Testen und Debuggen ? Laufzeitfehler
• Laufzeit-Schutzmonitor ? Zugriffsfehler
• Visualisierer ? Kommunikationsfehler,
  Synchronisationsfehler

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Exception-Konzept

• PL/I (IBM) ca. 1965 ON condition
• J. B. Goodenough, POPL1975 und Comm. ACM Dez.
  1975
• In vielen modernen Programmiersprachen
  unterstützt
• CLU, Ada, Modula-3, ML, C, Java, C
• Überblick
• Fehler vs. Exception
• Exception-Propagation
• Geprüfte vs. ungeprüfte Exceptions
• Implementierung
• Exceptions in CORBA
• Exceptions und Aspekt-orientierte Programmierung
• Zusammenfassung und Literatur

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Exception-Konzept

• 2 Arten von Laufzeitfehlern
• Fehler (error) im Programm nicht behandelbar,
  Programmabbruch
• Ausnahme (exception) im Programm (teilweise)
  behandelbar
• Ausgelöst (thrown) durch Laufzeitsystem bei
  erkanntem Laufzeitfehler oder durch das Programm
  selbst
• Nachricht an das Programm
• Laufzeitobjekt, das eine ungewöhnliche oder
  Fehlersituation definiert
• hat einen Typ (Exception-Klasse)
• kann Parameter haben, z.B. String mit
  Klartextmeldung
• Auch benutzerdefinierte Exceptions z.B. für
  Randfälle
• Exception-Handler
• enthält Code-Block zur Behandlung
• ist statisch assoziiert mit geschütztem
  Code-Block, den er im Ausnahmefall ersetzt

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Exception Beispiel (in Java)
public class class1 public static void main
( String args ) try
System.out.println("Hallo, " args0 )
catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e )
System.out.println("Bitte ein Argument
angeben! " e)
System.out.println("Tschuess")
java class1 ChristophHallo, ChristophTschuess
java class1 Exception in thread "main"
java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException 0at
class1.main(class1.java4)
java class1Bitte ein Argument angeben!
java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException
0Tschuess
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Propagation von Exceptions

• Falls eine Exception nicht in der betroffenen
  Methode behandelt wird, wird die Methode
  verlassen und dieselbe Exception beim Aufrufer
  ausgelöst, bis entweder
• ein passender Handler gefunden wird, oder
• main() verlassen wird (dann Fehlermeldung und
  Abbruch).
• Optionaler finally-Block wird jedoch immer
  ausgeführt
• z.B. zur Rückgabe von Ressourcen
• Zu klären
• Wann passt ein Handler?
• Wie kann man statisch sicherstellen, dass eine
  bestimmte Exception irgendwann behandelt wird?
• Implementierung?

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Wann passt ein Handler?
Object

• Exception-Klassenhierarchie
• Benutzerdefinierte Exceptions durch Ableiten
• Handler catch( XYException e )
• passt, falls XYException vom gleichen Typ
  oder Supertyp der ausgelösten Exception ist.

Throwable
Error
Exception
RunTimeException
ThreadDeath
VirtualMachineError
ArithmeticException

ArrayIndexOutOfBoundsE.
NullPointerException
IllegalAccessException
NoSuchMethodException

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Geprüfte und ungeprüfte Exceptions

• Geprüfte (checked) Exception muss
• in einer Methode behandelt, oder
• in Methodendeklaration explizit als propagiert
  gekennzeichnet werden
• void writeEntry( ) throws IOException
• Ungeprüfte (unchecked) Exception wird implizit
  propagiert
• In Java Alle Exceptions sind geprüft,
  ausser RunTimeException und deren Subtypen.
• Geprüfte Exceptions Kapselung
  statische Prüfbarkeit
  wird Teil des
  Kontrakts einer Methode
  geeignet für Komponentensysteme, z.B.
  CORBA
  Erweiterbarkeit

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Implementierung
void bar() try catch(E1 e)
catch(E2 e)

• Einfache Lösung
• Stack von Handlern
• Bei Eintritt in geschützten Block (try )
• Pushe alle seine Handler (catch() )
• Bei Auftreten einer Exception
• Poppe obersten Handler und beginne (Test auf
  Exceptiontyp).Falls der nicht passt, löse wieder
  aus und iteriere.(Falls letzter Handler in
  aktueller Methode auch nicht passte, poppe auch
  deren Activation record gt verlasse Methode.)
• Bei normalem Verlassen des try-Blocks poppe
  seine Handler
• einfach
• Overhead (push/pop) auch bei Nichtauftreten
  einer Exception
• Effizientere Lösung
• Compiler erzeugt Tabelle aus Paaren (try-Block,
  passende Handler)
• Bei Auftreten einer Exception finde try-Block
  durch Binärsuche (PC)

-gt catch(E1)
-gt catch(E2)
bar
-gt catch()
-gt catch()
foo
-gt catch()
main
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Exceptions in CORBA

• CORBA IDL (Interface Definition Language)erlaubt
  benutzerdefinierte Exceptions
• Sprachunabhängig
• Propagation über Fernaufrufe hinweg

// IDLmodule BookRepository interface
BorrowableCollection Collection
exception Unavailable Date
when_available void borrow_book (
in ISBN book_id,
in
PersonName borrower,
out Date return_date )
raises ( Unavailable )
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Exceptions und AOP

• Nachteil von Exception-Behandlung
• catch()-Blöcke stören Programmübersicht
• Code-Länge
• Idee für JavaException-Behandlung als Aspekt
  ausfaktorisieren,mit Aspect-J einweben
• Systematischer durch generische
  Exceptionbehandlung
• Kompression des Exception-Behandlungscode um ca.
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M. Lippert, C. Lopes A Study on Exception
Detection and Handling using Aspect-Oriented
Programming. Proc. ICSE-2000, ACM.
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Zusammenfassung, Literatur

• Exceptions
• Bewährtes Konzept zur Behandlung von
  Laufzeitfehlern
• Effizient implementierbar
• Geeignet für komponentenbasierte
  Softwareentwicklung

M. Scott Programming Language Pragmatics.
Morgan Kaufmann, 2000.Abschnitt 8.5 über
Exception Handling. J. Goodenough Structured
Exception Handling. ACM POPL, Jan. 1975 J.
Goodenough Exception Handling Issues and a
proposed notation. Communications of the ACM,
Dec. 1975 B. Ryder, M. Soffa Influences on the
Design of Exception Handling, 2003 Konferenzen
ACM POPL und OOPSLA
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Debugging

• Debuggen vs. Testen
• Debugging-Methoden und Werkzeuge
• Debugger-Technologie
• Debuggen nebenläufiger Programme
• Zusammenfassung, Literatur

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Debugging

• Testen kann Existenz eines Fehlers
  feststellen(ohne Garantie auf Vollständigkeit!)
• Vergleiche Ausgabe des Testkandidaten mit
  Referenzausgabe(z.B. älterer, korrekter Version
  Regressionstesten, z.B. DEJAGNU)
• Debuggen lokalisiere Fehler Ursache
  ? Effekt
• Iterativer Prozess
• Systematisches Eingrenzen

Fehler entdeckt
InitialeHypothesen-menge
ModifiziereHypothesen-menge
WähleHypo-these
VerifiziereHypo-these
Fehlerbeseitigt?
nein
ja
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Debugging-Techniken und Werkzeuge (1)

• Manuelle Methoden
• Statisch Code-Inspektion
• Dynamisch print-Anweisungen,
  Validierung von Zusicherungen (assert() )
• Werkzeuge für die manuelle Fehlersuche
• Symbolischer Debugger
  ?
• z.B. dbx, gdb, jdb, ddd
• Debug-Problem-Dokumentation
• z.B. BUGZILLA (Fehler-Datenbank Web-Interface)
• Laufzeit-Schutz-Monitorsystem ibs. für
  Zugriffsfehler
• ElectricFence, VALGRIND, Java VM, INSURE,
  PURIFY,

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Debugging-Techniken und Werkzeuge (2)

• Automatisches Debugging
• Formale Verifikation gegen formale Spezifikation
  des Programms
• Oft keine oder unvollständige formale
  Spezifikation verfügbar
• Ggf. Spezifikation herleitbar, aber dann selbst
  fehleranfällig
• Durchsuche Quellprogramm nach sprachspezifischen
  Fehler-Idiomen
• z.B. lint, splint, jlint
• unvollständig
• Fehlersuchbereich eingrenzen durch statische
  Analyse
• Program Slicing Weiser82 Lyle, Weiser87
• Program Dicing (Differenz zweier Slices) Lyle,
  Weiser87
• z.B. UNRAVEL slicer Lyle95
• Braucht gute statische Analyse (DFA,
  points-to-Analyse)
• Konservative statische Approximation Slices
  werden schnell gross
• Delta-Debugging
• Automatisches Eingrenzen durch Binärpartitionierun
  g(Eingabedaten, Code)

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Symbolischer Debugger (1)

• Braucht Information über Namen und Typ von
  Speicherstellen auf Quellcode-Niveau
• d.h., die Symboltabelle und Typtabelle des
  Compilers
• Wird bei Bedarf eingefügt (cc g )
• Braucht Koordinaten der Programmpunkte im
  Quellcode (z.B. Zeilennr.)
• Braucht enge Kontrollfluss-Übereinstimmung
  zwischen Quellcode und Maschinencode
• Unverträglich mit aggressiven Programmoptimierunge
  n
• z.B. Prefetching, Loop-invariant code hoisting,
  Schleifentransformationen, Scheduling
• Trade-Off Code-Effizienz ?? Debugger-Transparenz
  
• Kann unter gewissen Umständen dazu führen, dass
  der Fehler mit Debugger nicht auftritt (gilt
  auch für print-debugging)
• Graphische Oberfläche (z.B. ddd, Eclipse
  Debug-View)über Kommandozeilen-Debugger (z.B.
  dbx, gdb, jdb)

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Symbolischer Debugger (2)

• Post-Mortem-Debugging
• Nach Absturz Lies core-file inspiziere
  Speicherinhalt, Variablenwerte
• Interaktives Debuggen
• Berechnung anhalten
• Breakpoints (Haltepunkte) setzen, löschen
• Schritt-für-Schritt-Ausführung
• Ausgabe von Werten, Ausdrucksauswertung
  (Interpreter)
• Variablenwerte ändern
• Aufrufkeller inspizieren
• Aufrufkette entlangwandern

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Debugger-Technik mit OS/HW-Support
Debugger-Prozess
Zu debuggender Prozess
OS-IRC
OS
fork() (via OS)
ptrace() (via OS) trace me
signal() (via OS) stop
wait() (via OS)
ptrace() (via OS)
Lese, schreibe Werte im Adressraumfüge
breakpoints (Spezialinstruktionen) in Code ein
signal() (via OS) resume
trap
Finde Breakpunkt
signal() Breakpoint

signal() continue
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Debuggen nebenläufiger Programme

• Problem Auftreten des Fehlers kann vom Schedule
  abhängen
• Nichtdeterminismus ? schwer, Fehler zu
  reproduzieren
• Lösung 1 Deterministic replay
• Eingaben und Schedule aufzeichnen,
• z.B. DEJAVU für Java
• Lösung 2 Statische Analyse (möglicher
  Parallelismus, Data-races)
• Lösung 3 Dynamische Analyse
• identifiziert shared-memory-Zugriffe zur Laufzeit
• Lösung 4 Test-basierter Ansatz mit
  Delta-Debugging Choi, Zeller 02
• In Kombination mit DEJAVU

t
Thread 1
Thread 2
Lauf 1 CPU
Thread 1
Thread 2
Lauf 2 CPU
Thread 2
Thread 1
Thread 1
Thread 2
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Zusammenfassung und Literatur

• Testen vs. Debuggen
• Debugging-Methoden
• Debugger-Technologie
• Debuggen nebenläufiger Programme
• M. Scott Programming Language Pragmatics, Morgan
  Kaufmann 2000. Abschnitt über Debugging
• Srikant, Shankar Compiler Design Handbook, CRC
  press 2003,Kap. 9 über Debugger-Technologie (von
  Aggarwal und Kumar)
• J. Rosenberg How Debuggers Work. Wiley, 1996.
• A. Zeller Why Programs Fail. A Guide to
  Systematic Debugging. Morgan Kaufmann, 2005.
• A. Zeller, J. Krinke Open-Source
  Programmierwerkzeuge. Dpunkt, 2003.