Mihin poikkeuksia käytetään?

Usein poikkeustilanteeseen ei voida reagoida mielekkäästi juuri siellä (siinä metodissa), missä poikkeustilanne syntyy. Esimerkiksi mitä int() -metodin pitäisi tehdä, jos sen parametri on kelvoton? Tällaisen metodin yleishyödyllisyys laskisi ratkaisevasti, jos se "itse päättäisi". Metodin palautusarvoa voi joskus käyttää (ja käytetäänkin) erikoistilanteiden kuvaamiseen, mutta sillä on rajoituksensa.

Allaoleva metodi palauttaa kokonaislukukokoelman pienimmän arvon suhteessa taulukon suurimpaan arvoon.

def getRatio(l):
  max(l) / min(l)

Mitä tehdään, jos taulukko onkin tyhjä? Entä jos pienin alkio onkin nolla?

Poikkeusten käsittely perustuu siihen, että on mahdollista heittää poikkeus (eli nostaa poikkeus; engl. throw/raise an exception) eli välittää poikkeustilanneilmoitus eteenpäin sellaisen ohjelmakohdan huoleksi, joka määrittelee, miten poikkeustilanteesta selvitään. Ellei metodi voisi heittää poikkeusta, jouduttaisiin erikoistilanteisiin aina joko reagoimaan sen metodin sisällä, jossa ne syntyvät, tai välittämään tieto tilanteesta eteenpäin jollain tarkoitukseen vähemmän luonnollisella tavalla (yleensä metodin palautusarvona).

Poikkeustilanteet kuvataan Pythonissa olioina, mikä ei liene kenellekään yllätys. Se mikä poikkeuksen tarkka tyyppi on riippuu siitä, millaista ongelmaa tai erikoistapausta poikkeus yrittää kuvata. Vaikka "yleisluontoisia" poikkeusolioita olisikin mahdollista luoda suoraan kaikkien poikkeusten yläluokasta BaseException, hukattaisiin silloin tilaisuus kertoa tilanteesta tarkemmin. Tavallisesti onkin mielekkäämpää luoda erikoistuneempi olio jostakin tämän "emäluokan" aliluokasta, jolloin voidaan käyttää poikkeuksen tyyppiä ja sen sisältöä tarkempaan tiedonvälitykseen.

if hommaEiToiminut:
    # Poikkeuksessa on käytännössä aina tekstimuotoinen kuvausviesti siitä mikä meni pieleen
    # Exception-luokasta suoraan luodulla oliolla ei muita mahdollisuuksia siirtää informaatiota olekaan

    juttuXPieleen = BaseException("Juttu X meni pieleen.")

    # Tehdään poikkeusoliolla jotain...

if yhaPielessa:
    # Oma, tai valmis mutta tarkoitukseen sopivampi poikkeustyyppi mahdollistaa tarkemman
    # tiedonvälityksen sekä poikkeuksen tyypissä, että poikkeusolion sisällä.

    selkeammin = ElevatorStuckException("Hissin ovi jumissa", elevatorNum, floor)

Käytännössä poikkeusolioita luodaan lähes aina juuri silloin, kun halutaan ilmoittaa suoritettavan metodin kutsujalle, että metodin suoritus jostain syystä epäonnistui, eli halutaan heittää poikkeus. Tämä kutsuja(metodi) voi sitten päättää, miten suhtautuu asiaan. Poikkeukset muodostavat kommunikointikanavan kutsutulta metodilta kutsuvalle.

Poikkeusten heittäminen

"Nothing travels faster than the speed of light, with the possible exception of bad news, which obeys its own special laws.""

—Douglas Adams, Mostly Harmless

Poikkeuksen heittämiseen on Pythonissa erikseen määritelty heittolause raise. Heittolauseelle annetaan heitettäväksi yksi poikkeusolio. Heittolause keskeyttää metodin normaalin suorituksen välittömästi. Suoritusta jatketaan ensimmäisestä löydetystä ohjelmakohdasta, johon on kirjattu menettely kyseisenlaisten poikkeusten käsittelyyn. Usein tällaista poikkeuksenkäsittelijärakennetta ei löydy samasta metodista heittolauseen kanssa. Tällöin poikkeus heitetään "ulos metodista", eli metodin suoritus keskeytyy kokonaan ja poikkeukselle lähdetään etsimään käsittelijää sitä kutsuneesta metodista. Siihen miten tällainen poikkeuksenkäsittelijärakenne merkitään ohjelmaan, palataan tuossa tuokiossa.

if :hommaEiToiminut
    # Joku antoi meille mahdottoman tehtävän!!
    # Heitänpä poikkeuksen, jotta saavat itse päättää mitä nyt pitäisi tehdä.

    raise Exception("Juttu X meni pieleen.");

    # Yllä luodaan poikkeusolio ja heitetään se saman tien.
    # (Nämä kaksi asiaa tehdäänkin hyvin usein yhdessä.)

    print("Tätä viestiä ei näe kukaan")

    # Näille riveille ei mennä, jos poikkeus heitettiin.
    # Sen sijaan hypätään sellaiseen ohjelmakohtaan,
    # johon on merkitty erityisiä poikkeuksenkäsittelykäskyjä.

Poikkeusten eri lajit

Kuten aiemmin mainittiin, kaikkien poikkeusluokkien yläluokka on BaseException. Sillä puolestaan on välittöminä alaluokkinaan luokat SystemExit, KeyboardInterrupt, GeneratorExit ja Exception. Kolme ensimmäistä näistä eivät kuvaa varsinaisia virheitä, vaan muunlaisia poikkeustilanteinta.

• Luokan SystemExit olio heitetään, kun järjestelmässä suoritetaan kutsu sys.exit(), jolla on tarkoitus lopettaa ohjelman suoritus (ks. tarkemmin exception SystemExit).
• Luokan KeyboardInterrupt olio heitetään, kun käyttäjä painaa näppäimistön keskeytysnäppäintä (Control-C tai Delete).
• Luokan GeneratorExit olio heitetään, kun generaattorin close-metodia kutsutaan.

Luokka Exception ja kaikki sen alaluokat kuvaavat jonkinlaisia virhetilanteita. Käyttäjän luomien poikkeusluokkien tulee periä joko tämä luokka tai joku sen alaluokka. Erilaisten poikkeusluokkien käyttö mahdollistaa sen, että saman toiminnon tuottamat erilaiset poikkeustilanteet voidaan helposti erottaa toisistaan. Esimerkiksi yllä oleva funktio getRatio voi tehdä nollalla jaon, jos pienin alkio on nolla tai vihreellisen viittauksen listan indeksiin, jos lista on tyhjä. On hyvä voida heittää eri poikkeus näistä tilanteista.

Pythonin valmiiksi tarjoamat poikkeukset löytyvät dokumentaatiosta The Python Standard Library: 5. Built-in Exceptions. Poikkeusluokkien väliset suhteet löytyvät kohdasta 5.4. Exception hierarchy.

Kirjastojen valmiit poikkeukset eivät kuitenkaan ole suunniteltuja juuri siihen aihealueeseen tai toteutukseen jota olemme kasaamassa. Kun tarkoitukseen räätälöityä poikkeusluokkaa ei ole valmiina, on sellainen helppo itse periyttää Exception -luokasta (tai jostakin sen aliluokasta). Sellainenkin Exception -luokan aliluokka, joka ei määrittele mitään uusia toimintoja voi hyvin olla perusteltu. Pelkästään tieto siitä, että kyseessä on luokan Exception alityyppi, jota on tarkoitus käyttää tietynlaisissa poikkeustilanteissa, on hyödynnettävissä. Lisäinformaatio siirtyy silloin vain poikkeusluokan tyypissä.

Oma poikkeustyyppi

Pyritään laatimaan luokalle Opiskelija konstruktori, jolle voi antaa parametrina merkkijonon muotoa "Teemu Teekkari 12345" ja joka alustaa opiskelijaolion kentät tästä merkkijonosta saamiensa tietojen perusteella.

Tämä esimerkki on hieman keinotekoinen, mutta voisi kenties olla perusteltavissa esim. jos tiedettäisiin opiskelijaolioita haluttavan luoda sellaisten tekstitiedostojen perusteella, joissa opiskelijoiden tietoja olisi tallennettu riveittäin em. tavalla esitettyinä.

äh... olisi se sittenkin huonoa tyyliä, sillä tällaisia asioita ei tulisi koskaan tehdä konstruktorissa, mutta katsotaan nyt kumminkin

opiskelija = Opiskelija("Teemu Teekkari 12345")
print(opiskelija.opiskelijanumero)

Mitä jos alla esitetty konstruktori saakin parametrinaan vaikkapa "kissa" tai vain "Teemu Teekkari"? Konstruktorillahan ei edes ole palautusarvoa, jota käyttää viestintään. Olisikin varsin erikoista, jos meidän olisi pakko kasata väkisin Opiskelija-olio. Poikkeus kuitenkin keskeyttää konstruktorin toiminnan ja oliota ei synny.

class Opiskelija:
    def __init__(self, tiedot):
        osat = tiedot.split(" ")
        # String-luokassa on split-metodi, joka jakaa merkkijonon
        # osiin käyttäen annettua parametria (tässä välilyöntiä) erottimena
        self.etunimi  = osat[0]
        self.sukunimi = osat[1]
        self.opiskelijanumero = osat[2]

class Opiskelija:
     def __init__(self, tiedot):
         # String-luokassa on split-metodi, joka jakaa merkkijonon
         # osiin käyttäen annettua parametria (tässä välilyöntiä) erottimena
         self.etunimi, self.sukunimi, self.opiskelijanumero = tiedot.split(" ")

Jos Opiskelija-luokan konstruktoria kutsuttaisiin parametrilla "Teemu Teekkari", syntyisi opiskelijanumeroa tallennettaessa poikkeus ValueError("need more than 2 values to unpack"), joka johtuu siitä että taulukon alkiota yritettiin ottaa paikasta, joka on taulukon ulkopuolella. Ei kovin hyödyllistä informaatiota konstruktoria kutsuvalle luokalle, sillä poikkeusta tulkitakseen pitäisi tietää miten konstruktori on toteutettu.

Kehitetään mieluummin tarkoitukseen sopiva poikkeustyyppi, jonka avulla voidaan kuljettaa juuri tämäntyyppiseen poikkeukseen liittyvää tietoa.

class VirheellinenOpiskelijaData(Exception):
     def __init__(self, kuvaus, virheData):
         self.kuvaus = kuvaus       # Virheen kuvaus tekstinä.
         self.virheData = virheData # Tallennetaan kaikkiin tämäntyyppisiin poikkeuksiin
                                    # (varsinaisen kuvausviestin lisäksi) tieto siitä, mikä
                                    # virheen aiheuttanut data-merkkijono oli.

Kuinka Opiskelija-luokkaa sitten pitäisi muuttaa, jotta saamme uuden poikkeuksemme käyttöön?

class Opiskelija:
        def __init__(self, tiedot):
            osat = tiedot.split(" ")
            # Katsotaan aluksi, vaikuttaako data oikealta. Ellei, heitetään poikkeus.
            if len(osat) != 3:
               # Koska samaan metodiin ei ole merkitty rakennetta, joka käsittelisi poikkeuksen, tulee
               # poikkeus heitetyksi ulos kutsujametodille ja konstruktorin suoritus päättyy
               # raise-lauseeseen. (Uutta Opiskelija-oliota ei synny.)
               raise VirheellinenOpiskelijaData("Opiskelijadatassa ei ollut tasan kolmea 'sanaa'.", tiedot )
            # osat sisältää nyt varmasti ne kolme osaa, joita sijoitus etunimeen, sukunimeen ja
            # opiskelijanumeroon kaipaavat. Nämä sijoitukset voidaankin nyt suorittaa
            # turvallisesti tietäen, että dataa riittää. (Mikään ei tietystikään tässä takaa sitä, että
            # annettu data olisi mitenkään semanttisesti järkevää.).
            self.etunimi, self.sukunimi, self.opiskelijanumero = tiedot.split(" ")

Mitä jos except-lohko tuottaa poikkeuksen?

Except-lohkon tuottama poikkeus käsitellään koko try-except -lauseen ulkopuolella. Huomaa kuitenkin, että mahdollinen finally-lohko suoritetaan ennen tätä.

Mitä jos try-except-lauseen sisällä on return?

Jos finally-lohkoa ei ole määritetty, on toiminta suoraviivaista. Jos try-lohkossa suoritetaan return, poistutaan (lähimmästä) ympäröivästä funktiosta sinne, missä funktiota kutsuttiin. Samoin käy, jos return suoritetaan except-lohkossa. Jos finally-lohko on määritetty suoritetaan se kuitenkin ennen poistumista. Finally-lohkon mahdollisesti sisältämä return muuttaa paluuarvoa.

def strange(n):
    try:
        a = x/n
        return "Try"
    except:
        return "Except"
    finally:
        return "Finally"

Poikkeuksen heittäminen eteenpäin

Jos poikkeusta ei oteta jossakin metodissa kiinni, se jatkaa matkaansa kutsupinossa seuraavaan metodiin. Kaikkien metodien jotka eivät ota poikkeusta kiinni, suoritus päättyy. Jos poikkeus heitetään koko ohjelmasta ulos koko ohjelman suoritus lakkaa ja Python tulostaa kuvauksen poikkeuksesta. Tähän ei tulisi kuitenkaan päätyä, vaan ohjelman pitäisi käsitellä syntyvät poikkeukset.

Poikkeusten ketjutus

Ensimmäisessä Opiskelija-luokkamme versiossa joka käytti apunaan Array-luokan extractoria merkkijonon osien määrää ei tarkistettu. Tällöin Array-luokan extractor olisi heittänyt MatchErrorin. Nimestään huolimatta kyse ei ole vakavasta virheestä, vaan olisimme voineet kaapata tämän poikkeuksen ja heittää uuden poikkeuksen kaappaamamme perusteella.

Haluttaessa voidaan kertoa että jonkin poikkeuksen aiheutti toinen poikkeus.

class Opiskelija:
     def __init__(self, tiedot):
         try:
            # String-luokassa on split-metodi, joka jakaa merkkijonon
            # osiin käyttäen annettua parametria (tässä välilyöntiä) erottimena
            self.etunimi, self.sukunimi, self.opiskelijanumero = tiedot.split(" ")
         except ValueError e:
            uusi = VirheellinenOpiskelijaData("Opiskelijadatassa ei ollut tasan kolmea 'sanaa'.", tiedot )
            raise uusi from e