»Wir sind in Sicherheit! Er kann uns nicht erreichen!« »Sicher?« »Ganz sicher! Bären haben Angst vor Treibsand!« – Hägar, Dik Browne

8 Exceptions

Fehler beim Programmieren sind unvermeidlich. Schwierigkeiten bereiten nur die unkalkulierbaren Situationen – hier ist der Umgang mit Fehlern ganz besonders heikel. Java bietet die elegante Methode der Exceptions, um mit Fehlern flexibel umzugehen.

8.1 Problembereiche einzäunen

Werden in C Routinen aufgerufen, dann haben diese keine andere Möglichkeit, als über den Rückgabewert einen Fehlschlag anzuzeigen. Der Fehlercode ist häufig –1, aber auch NULL oder 0. Allerdings kann die Null auch Korrektheit anzeigen. Irgendwie ist das willkürlich. Die Abfrage dieser Werte ist unschön und wird von uns gern unterlassen, zumal wir oft davon ausgehen, dass ein Fehler in dieser Situation gar nicht auftreten kann – diese Annahme kann eine Dummheit sein. Zudem wird der Programmfluss durch Abfragen der Funktionsergebnisse unangenehm unterbrochen, zumal der Rückgabewert, wenn er nicht gerade einen Fehler anzeigt, weiterverwendet wird. Der Rückgabewert ist also im weitesten Sinne überladen, da er zwei Zustände anzeigt. Häufig entstehen mit den Fehlerabfragen kaskadierte if-Abfragen, die den Quellcode schwer lesbar machen.

8.1.1 Exceptions in Java mit try und catch

Bei der Verwendung von Exceptions wird der Programmfluss nicht durch Abfrage des Rückgabestatus unterbrochen. Ein besonders ausgezeichnetes Programmstück überwacht mögliche Fehler und ruft gegebenenfalls speziellen Programmcode zur Behandlung auf. Den überwachten Programmbereich (Block) leitet das Schlüsselwort try ein und catch beendet es. Hinter catch folgt der Programmblock, der beim Auftreten eines Fehlers ausgeführt wird, um den Fehler abzufangen oder zu behandeln (daher der Ausdruck catch). Es ist nach der Fehlerbehandlung nicht mehr so einfach möglich, an der Stelle fortzufahren, an der der Fehler auftrat. (Andere Programmiersprachen erlauben das durchaus.)

8.1.2 Eine Datei mit RandomAccessFile auslesen

Wir wollen eine Datei mithilfe der Klasse RandomAccessFile zeilenweise auslesen. Die Verbindung zwischen der Datei und dem zugehörigen Objekt gelingt mit dem Konstruktor, dem wir einen Dateinamen mitgeben.

Aus der API-Dokumentation geht hervor, dass der Konstruktor von RandomAccessFile eine FileNotFoundException-Ausnahme auslösen kann. Mithilfe der Funktion readLine() lesen wir so lange Zeilen ein, bis die Datei ausgeschöpft ist. Die Methode readLine() kann eine IOException auslösen. Wir müssen diese behandeln und setzen daher die Problemzonen in einen try- und catch-Block.

Listing 8.1 ReadFileWithRAF.java

import java.io.*; 
 
public class ReadFileWithRAF 
{ 
  public static void main( String[] args ) 
  { 
    try 
    { 
      RandomAccessFile f; 
      f = new RandomAccessFile( "EastOfJava.txt", "r" ); 
 
      for ( String line; (line=f.readLine()) != null; ) 
        System.out.println( line ); 
    } 
    catch ( FileNotFoundException e )  // Datei gibt’s nich’ 
    { 
      System.err.println( "Datei gibt’s nicht!" ); 
    } 
    catch ( IOException e )            // Schreib-/Leseprobleme 
    { 
      System.err.println( "Schreib-/Leseprobleme!" ); 
    } 
  } 
}

Tritt beim Laden einer Datei ein Fehler auf, wird dieser im try-Block abgefangen und im catch-Teil bearbeitet. Einem try-Block können mehrere catch-Klauseln zugeordnet sein, um verschiedene Fehlertypen aufzufangen.

Leere catch-Blöcke

Java schreibt vor, dass Ausnahmen in einem catch behandelt (oder nach oben geleitet) werden, aber nicht, was in catch-Blöcken zu geschehen hat. Ein leerer catch-Block ist in der Regel wenig sinnvoll, weil dann die Fehler klammheimlich unterdrückt werden. (Das wäre genauso wie ignorierte Statusrückgabewerte von C-Funktionen.) Das Mindeste ist eine minimale Fehlerausgabe via System.err.println(e) oder das informativere e.printStackTrace() für eine Exception e oder das Loggen dieser Fehler. Noch besser ist das aktive Reagieren, denn die Ausgabe selbst behandelt diesen Fehler nicht! Im catch-Blöck ist es durchaus legitim, wiederum andere Ausnahmen auszulösen.

8.1.3 Ablauf einer Ausnahmesituation

Das Laufzeitsystem erzeugt ein Ausnahme-Objekt, wenn ein Fehler über eine Exception angezeigt werden soll. Dann wird die Abarbeitung der Programmzeilen sofort unterbrochen, und das Laufzeitsystem steuert selbstständig die erste catch-Klausel an (oder springt weiter zum Aufrufer, wie wir später sehen werden). Wenn die erste catch-Anweisung nicht zur Art des aufgetretenen Fehlers passt, werden der Reihe nach alle übrigen catch-Klauseln untersucht, und die erste übereinstimmende Klausel wird angesprungen (oder ausgewählt). Erst wird etwas versucht (daher im englischen »try«), und wenn im Fehlerfall ein Exception-Objekt im Programmstück geworfen wird, lässt es sich an einer Stelle auffangen. Da immer die erste passende catch-Klausel ausgewählt wird, darf im Beispiel die letzte catch-Klausel keinesfalls zuerst stehen, da diese auf jeden Fehler passt. Alle anderen Anweisungen in den catch-Blöcken würden dann nicht ausgeführt; der Compiler erkennt dieses Problem und gibt einen Fehler aus.

8.1.4 Wiederholung abgebrochener Bereiche

Es gibt in Java bei Ausnahmen bisher keine von der Sprache unterstützte Möglichkeit, an den Punkt zurückzukehren, der den Fehler ausgelöst hat. Das ist aber oft erwünscht, etwa, wenn eine fehlerhafte Eingabe zu wiederholen ist.

Wir werden mit JOptionPane.showInputDialog() nach einem String fragen und versuchen, diesen in eine Zahl zu konvertieren. Dabei kann natürlich etwas schief gehen. Wenn ein Benutzer eine Zeichenkette eingibt, die keine Zahl repräsentiert, löst parseInt() eine NumberFormatException aus. Wir wollen in diesem Fall die Eingabe wiederholen.

Listing 8.2 com/tutego/insel/exceptions/ContinueInput.java, main()

int number = 0; 
while ( true ) 
{ 
  try 
  { 
    String s = javax.swing.JOptionPane.showInputDialog( 
                 "Bitte Zahl eingeben" ); 
    number = Integer.parseInt( s ); 
    break; 
  } 
  catch ( NumberFormatException ó_ò ) 
  { 
    System.out.println( "Das war keine Zahl!" ); 
  } 
} 
System.out.println( "Danke für die Zahl " + number ); 
System.exit( 0 );           // Beendet die Anwendung

Die gewählte Lösung ist einfach. Wir programmieren den gesamten Teil in einer Endlosschleife. Geht die problematische Stelle ohne Fehler durch, so beenden wir die Schleife mit break. Kommt es zu einer Ausnahme, dann wird break nicht ausgeführt, und nach der Exception gelangen wir wieder in die Endlosschleife.

8.1.5 throws im Methodenkopf angeben

Neben der rahmenbasierten Ausnahmebehandlung – dem Einzäunen von problematischen Blöcken durch einen try- und catch-Block – gibt es eine weitere Möglichkeit, auf Exceptions zu reagieren: Im Kopf der betreffenden Methode wird eine throws-Klausel eingeführt. Dadurch zeigt die Methode an, dass sie eine bestimmte Exception nicht selbst behandelt, sondern diese unter Umständen an die aufrufende Methode weitergibt. Nun kann von einer Funktion eine Exception ausgelöst werden. Die Funktion wird abgebrochen und gibt ihrerseits eine Exception zurück.

Dazu ein Beispiel: Eine Methode soll eine Datei öffnen und die erste Zeile auslesen. Der Dateiname wird als Argument der Methode übergeben. Da das Öffnen der Datei sowie das Lesen einer Zeile eine Ausnahme auslösen kann, müssen wir diese Ausnahme behandeln. Wir fangen sie jedoch nicht in einem eigenen try- und catch-Block auf, sondern leiten sie an den Aufrufer weiter. Das bedeutet, dass er sich um den Fehler kümmern muss.

String readFirstLineFromFile( String filename ) 
  throws FileNotFoundException, IOException 
{ 
  RandomAccessFile f = new RandomAccessFile( filename, "r" ); 
  return f.readLine(); 
}

Dadurch steigt der Fehler entlang der Kette von Methodenaufrufen wie eine Blase (engl. bubble) nach oben und kann irgendwann von einem Block abgefangen werden, der sich darum kümmert.

Wenn main() alles weiterleitet

Ist die Fehlerbehandlung in einem Hauptprogramm ganz egal, so können wir alle Fehler auch an die Laufzeitumgebung weiterleiten, die dann das Programm im Fehlerfall abbricht.

Listing 8.3 MirIstAllesEgal.java

import java.io.*; 
 
class MirIstAllesEgal 
{ 
  public static void main( String[] args ) throws Exception 
  { 
    RandomAccessFile f = new RandomAccessFile( "Datei.txt", "r" ); 
    System.out.println( f.readLine() ); 
  } 
}

Das funktioniert, da alle Fehler von der Klasse Exception [Genauer gesagt, sind alle Ausnahmen in Java von der Exception-Oberklasse Throwable abgeleitet. ] abgeleitet sind. Wir werden das in den folgenden Kapiteln weiterverfolgen. Wird der Fehler nirgendwo sonst aufgefangen, erfolgt die Ausgabe einer Laufzeitfehlermeldung, denn das Exception-Objekt ist beim Interpreter, also bei der virtuellen Maschine, auf der äußersten Aufrufebene gelandet. Natürlich ist das kein guter Stil – obwohl es aus Gründen kürzerer Programme auch in diesem Buch so gemacht wird. Denn Fehler sollten in jedem Fall behandelt werden.

throws bei überschriebenen Methoden

Beim Überschreiben von Methoden gibt es eine wichtige Regel: Überschriebene Methoden in einer Unterklasse dürfen nicht mehr Ausnahmen auslösen, wie schon beim throws-Teil der Oberklasse aufgeführt sind. Da das gegen das Substitutionsprinzip verstoßen würde, kann eine Methode der Unterklasse nur

• dieselben Ausnahmen wie die Oberklasse auslösen,

• Ausnahmen spezialisieren oder

• weglassen.

Dazu ein konstruiertes Beispiel für die beiden letzten Fälle.

Listing 8.4 ExceptionlessRandomAccessFile.java

import java.io.*; 
import java.net.ProtocolException; 
 
public class ExceptionlessRandomAccessFile extends RandomAccessFile 
{ 
  public ExceptionlessRandomAccessFile( File file, String mode ) 
throws  
    FileNotFoundException 
  { 
    super( file, mode ); 
  } 
 
  @Override 
  public long length() 
  { 
    try 
    { 
      return super.length(); 
    } 
    catch ( IOException e ) 
    { 
      return 0; 
    } 
  } 
 
  @Override 
  public void write( int b ) throws ProtocolException 
  { 
    try 
    { 
      super.write( b ); 
    } 
    catch ( IOException e ) 
    { 
      throw new ProtocolException(); 
    } 
  } 
}

Die Methoden length() und write() lösen in RandomAccessFile eine IOException aus. Unsere Unterklasse ExceptionlessRandomAccessFile überschreibt zunächst length() und lässt die Ausnahme in der Signatur weg. Das hat in der Nutzung einige Folgen, denn wenn wir die Klasse als ExceptionlessRandomAccessFile der Art

ExceptionlessRandomAccessFile raf = . . . 
raf.length();

verwenden, muss die nicht vorhandene zu prüfende Ausnahme von length() ebenfalls nicht abgefangen werden – und darf es auch gar nicht, weil ein try-catch auf eine IOException zu einem Compilerfehler führt. Umgekehrt: Ist raf vom Typ der Basisklasse RandomAccessFile, muss die Ausnahme auf jeden Fall gefangen werden.

RandomAccessFile raf = . . .; 
try 
{ 
  raf.length(); 
} 
catch ( IOException e ) { }

Das zeigt die Schwierigkeit bei überschriebenen Methoden, die Ausnahmen weglassen.

Bei der Methode write() führt throws den Ausnahmetyp ProtocolException als Unterklasse von IOException auf. Natürlich reicht es nicht aus, in write() einfach super.write() stehen zu lassen (was nur eine allgemeinere IOException auslösen würde, aber nicht die versprochene speziellere ProtocolException). Daher fangen wir im Rumpf der Methode das super.write() ab und erzeugen die speziellere ProtocolException.

8.1.6 Abschlussbehandlung mit finally

Nach einem (oder mehreren) catch kann optional ein finally-Block folgen. Die Laufzeitumgebung führt die Anweisungen im finally-Block immer aus, egal, ob ein Fehler auftrat, oder die Anweisungen im try-catch-Block optimal durchliefen. Das heißt, der Block wird auf jeden Fall ausgeführt – lassen wir System.exit() oder Systemfehler einmal außen vor –, auch wenn im try-catch-Block ein return, break oder continue steht oder eine Anweisung eine neue Ausnahme auslöst. Der Programmcode im finally-Block bekommt auch gar nicht mit, ob vorher eine Ausnahme auftrat oder alles glatt lief. [Wenn das von Interesse ist, lässt sich am Ende des try-catch-Blockes ein Flag belegen. ]

Sinnvoll sind Anweisungen im finally-Block immer dann, wenn Operationen immer ausgeführt werden sollen. Eine typische Anwendung ist die Freigabe von Ressourcen oder das Schließen von Dateien.

Perfektes Schließen eines Datenstroms

In unserem Exception-Beispielprogramm ReadFileWithRAF.java haben wir eine Kleinigkeit noch nicht beachtet: das Schließen des Datenstroms.

Listing 8.5 ReadFileWithRAF.java, Ausschnitt

RandomAccessFile f; 
f = new RandomAccessFile( "EastOfJava.txt", "r" ); 
for ( String line; (line=f.readLine()) != null; ) 
  System.out.println( line );

Das Programm endet mit dem Auslesen Zeile für Zeile, aber das Schließen mit close() fehlt. Gut, nehmen wir eine Zeile hinzu:

f.close();

Das close() wiederum kann auch eine IOException auslösen, das jedoch eine schon vorhandene catch-Anweisung abfangen würde. Ist damit alles in Ordnung?

Nein, denn das Programm schließt im Fehlerfall den Datenstrom nicht! Nehmen wir an, das Öffnen führt zu keiner Ausnahme, doch beim Ablauf der Zeilen geschieht unerwartet ein Fehler, der zu einem Abbruch führt. Die JVM leitet uns in den Exception-Block, der eine Meldung gibt; aber geschlossen ist die Datei noch nicht! Wir könnten verleitet werden, in dem catch-Zweig auch ein close() zu schreiben, doch ist das eine Quellcodeduplizierung, die wir vermeiden müssen.

Die optimale Lösung gibt die Ressource in einem finally frei. Da finally immer ausgeführt wird, wird die Datei freigegeben, wenn alles gut ging, und ebenso im Fehlerfall.

Eine kleine Unschönheit bleibt: close() selbst muss mit einem try-catch ummantelt werden. Das führt zu etwas unschönen Konstruktionen, die TCFTC (try-catch-finally-try-catch) genannt werden.

Listing 8.6 ReadFileWithRAFFinally.java, main()

RandomAccessFile f = null; 
try 
{ 
  f = new RandomAccessFile( "EastOfJava.txt", "r" ); 
  for ( String line; (line=f.readLine()) != null; ) 
    System.out.println( line ); 
} 
catch ( FileNotFoundException e )  // Datei gibt’s nich’ 
{ 
  System.err.println( "Datei gibt's nicht!" ); 
} 
catch ( IOException e )            // Schreib-/Leseprobleme 
{ 
  System.err.println( "Schreib-/Leseprobleme!" ); 
} 
finally 
{ 
  if ( f != null ) 
    try { f.close(); } catch ( IOException e ) { e.printStackTrace(); } 
}

Ein try ohne catch

Es kommt zu einer merkwürdigen Konstellation, wenn mit throws eine Exception nach oben geleitet wird. Dann ist ein catch für diese Fehlerart nicht notwendig. Dennoch lässt sich dann ein Block mit einer Ereignisbehandlung umrahmen, um ein finally auszuführen:

void read() throws MyException 
{ 
  try 
  { 
    // hier etwas arbeiten, was eine MyException auslösen könnte 
    return; 
  } 
  finally 
  { 
    System.out.println( "Ja, das kommt danach" ); 
  } 
}

Ausnahmen und Rückgaben verschwinden: Das Duo return und finally

Ein Phänomen in der Ausnahmebehandlung von Java ist eine return-Anweisung innerhalb eines finally-Blocks. Zunächst einmal »überschreibt« ein return im finally-Block den Rückgabewert eines returns im try-catch-Block:

static long getISBN() 
{ 
  try { 
    return 3821829877L; 
  } 
  finally { 
    return 0; 
  } 
}

Der Aufrufer empfängt immer 0.

Interessant ist auch folgendes Programm:

public static int a() 
{ 
  while ( true ) 
  { 
    try { 
      return 0; 
    } 
    finally { 
      break; 
    } 
  } 
 
  return 1; 
}

Die Ausgabe auf der Konsole ist 1. Das break im finally lässt die Laufzeitumgebung aus der Schleife austreten und den Rückgabewert ignorieren.

Ein weiteres Kuriosum sind Ausnahmen. Die Laufzeitumgebung gibt bei einer return-Anweisung im finally-Block eine im try-catch-Block ausgelöste Ausnahme nicht zum Aufrufer weiter, sondern bietet einfach die Rückgabe an. Dazu ein Beispiel: Die Methode buh() löst eine ArithmeticException aus, eine spezielle Art von RuntimeException.

Listing 8.7 NoExceptionBecauseOfFinallyReturn.java, buh()

@SuppressWarnings( "finally" ) 
static void buh() 
{ 
  try 
  { 
    throw new ArithmeticException( "I don't want to calculate!" ); 
  } 
  finally 
  { 
    return;       // This is the interesting line 
  } 
}

Der Aufrufer von buh() ist die main()-Funktion. Es ist zu erwarten, dass main() abbricht, denn die Exception wird doch nicht abgefangen. Dem ist aber bei einem return im finally nicht so. Der Compiler markiert die Diskrepanz und zeigt eine Warnung an. Mit der Annotation @SuppressWarnings("finally") schalten wir diesen Hinweis aber wieder ab.

Erst wenn wir die Zeile mit dem return entfernen, wird die erwartete Ausnahme die Laufzeitumgebung beenden.

8.1.7 Nicht erreichbare catch-Klauseln

Eine catch-Klausel heißt erreichbar, wenn es in dem try- und catch-Block eine Anweisung gibt, die die in der catch-Klausel aufgefangene Fehlerart tatsächlich auslösen kann. Zusätzlich darf vor dieser catch-Klausel natürlich kein anderes catch stehen, das diesen Fehlerfall mit abfängt. Wenn wir zum Beispiel catch(Exception e) als erstes Auffangbecken bereitstellen, werden natürlich alle Ausnahmen dort behandelt. Die Konsequenz daraus: catch-Klauseln sollten immer von den speziellen zu den allgemeinen Fehlerarten sortiert werden.

Wenn wir ein Objekt RandomAccessFile aufbauen und anschließend readLine() verwenden, so muss eine FileNotFoundException vom Konstruktor und eine IOException von readLine() abgefangen werden. Da eine FileNotFoundException eine Spezialisierung, also eine Unterklasse von IOException ist, würde ein catch(IOException e) schon reichen. Steht im Quellcode folglich der catch für die FileNotFoundException dahinter, wird der Teil nie ausgeführt werden können, und der Compiler merkt das zu Recht an.

Übertriebene throws-Klauseln

Eine Methode compiliert, wenn sie zu viele oder zu allgemeine Fehlerarten in ihrer throws-Klausel angibt:

Listing 8.8 ToManyExceptions.java, openFile()

void openFile() throws FileNotFoundException, IOException, InterruptedException 
{ 
  RandomAccessFile f = new RandomAccessFile("", ""); 
}

Unsere Methode openFile() ruft den Konstruktor von RandomAccessFile auf, was bekannterweise zu einer FileNotFoundException führen kann. openFile() jedoch gibt neben FileNotFoundException noch die allgemeinere Oberklasse IOException an und meldet mit InterruptedException noch eine geprüfte Ausnahme, die der Rumpf überhaupt auslöst. Trotzdem lässt der Compiler das durch.

Beim Aufruf solcher Methoden in try-catch-Blöcken müssen in den catch-Klauseln die zu viel deklarierten Exceptions aufgefangen werden, auch wenn sie nicht wirklich erreicht werden können.

Listing 8.9 ToManyExceptions.java, useFile()

try 
{ 
  openFile(); 
} 
catch ( IOException e ) { } 
catch ( InterruptedException e ) { }

Der Sinn liegt darin, dass dies später in einer Erweiterung einer Funktion, etwa einer InterruptedException, durchaus vorkommen kann, und dann sind die Aufrufer darauf schon vorbereitet.

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