8. Błędy i wyjątki

Do tej pory wiadomości o błędach były tylko wspomniane, ale jeśli próbowałaś(-łeś) przykładów to pewnie udało ci się na nie natknąć. Występują (przynajmniej) dwa charakterystyczne typy błędów: błędy składni (syntax errors) oraz wyjątki (exceptions).

8.1. Błędy składni

Błędy składni, znane również jako błędy parsowania, są prawdopodobnie najczęstszym rodzajem skarg, które pojawiają się podczas nauki Pythona:

>>> while True print('Hello world')
  File "<stdin>", line 1
    while True print('Hello world')
               ^^^^^
SyntaxError: invalid syntax

Parser powtarza błędną linię i wyświetla małe „strzałki” wskazujące token w linii, w której wykryto błąd. Błąd może być spowodowany brakiem tokenu przed wskazywanym tokenem. W przykładzie błąd jest wykryty na funkcji print(), ponieważ brakuje przed nią dwukropka (':'). Nazwa pliku i numer linii są drukowane, abyś wiedział(a), gdzie szukać, w przypadku, gdy dane wejściowe pochodzą ze skryptu.

8.2. Wyjątki

Nawet jeśli instrukcja lub wyrażenie jest poprawne składniowo, może ona wywołać błąd podczas próby jej wykonania. Błędy zauważone podczas wykonania programu są nazywane wyjątkami (exceptions) i nie zawsze są niedopuszczalne: już niedługo nauczysz w jaki sposób je obsługiwać. Większość wyjątków nie jest jednak obsługiwana przez program przez co wyświetlane są informacje o błędzie jak pokazano poniżej:

>>> 10 * (1/0)
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
ZeroDivisionError: division by zero
>>> 4 + spam*3
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
NameError: name 'spam' is not defined
>>> '2' + 2
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: can only concatenate str (not "int") to str

Ostatni wiersz komunikatu o błędzie wskazuje, co się stało. Wyjątki występują w różnych typach, a typ jest drukowany jako część komunikatu: typy w przykładzie to ZeroDivisionError, NameError i TypeError. Ciąg wydrukowany jako typ wyjątku jest nazwą wbudowanego wyjątku, który wystąpił. Jest to prawdą dla wszystkich wbudowanych wyjątków, ale nie musi być prawdą dla wyjątków zdefiniowanych przez użytkownika (choć jest to przydatna konwencja). Standardowe nazwy wyjątków są wbudowanymi identyfikatorami (nie zarezerwowanymi słowami kluczowymi).

Pozostała część linii dostarcza szczegółów na temat typu wyjątku oraz informacji, co go spowodowało.

Wcześniejsza część komunikatu o błędzie pokazuje kontekst, w którym wystąpił wyjątek, w postaci śladu stosu. Ogólnie rzecz biorąc, zawiera on ślad stosu z listą linii źródłowych; jednak nie wyświetli linii odczytanych ze standardowego wejścia.

Built-in Exceptions wymienia wbudowane wyjątki i ich znaczenie.

8.3. Obsługa wyjątków

Możliwe jest pisanie programów, które obsługują wybrane wyjątki. Spójrzmy na poniższy przykład, który prosi użytkownika o wprowadzenie danych, dopóki nie zostanie wprowadzona poprawna liczba całkowita, ale pozwala użytkownikowi na przerwanie programu (przy użyciu Control-C lub czegokolwiek innego obsługiwanego przez system operacyjny); zauważ, że przerwanie wygenerowane przez użytkownika jest sygnalizowane przez podniesienie wyjątku KeyboardInterrupt.

>>> while True:
...     try:
...         x = int(input("Please enter a number: "))
...         break
...     except ValueError:
...         print("Oops!  That was no valid number.  Try again...")
...

Instrukcja try działa następująco.

• W pierwszej kolejności wykonywane są instrukcje pod klauzulą try - pomiędzy słowami kluczowymi try i except.

• Jeżeli nie wystąpi żaden wyjątek, klauzula except jest pomijana i zostaje zakończone wykonywanie instrukcji try.

• Jeśli wyjątek wystąpi podczas wykonywania klauzuli try, reszta klauzuli jest pomijana. Następnie, jeśli jego typ pasuje do wyjątku nazwanego po słowie kluczowym except, wykonywana jest klauzula except, a następnie wykonanie jest kontynuowane po bloku try/except.

• Jeśli wystąpi wyjątek, który nie pasuje do wyjątku nazwanego w klauzuli except, jest on przekazywany do zewnętrznych instrukcji try; jeśli nie zostanie znaleziona obsługa, jest to nieobsłużony wyjątek i wykonanie zatrzymuje się z komunikatem błędu.

Instrukcja try może mieć więcej niż jedną klauzulę except, aby określić programy obsługi dla różnych wyjątków. Wykonany zostanie co najwyżej jeden handler. Obsługiwane są tylko wyjątki, które występują w odpowiadających im klauzulach try, a nie w kodzie obsługi tej samej instrukcji try. Klauzula except może określać wiele wyjątków krotką w nawiasach, na przykład:

... except (RuntimeError, TypeError, NameError):
...     pass

Klasa w klauzuli except obsługuje wyjątki, które są instancjami samej klasy lub jednej z jej klas pochodnych (ale nie na odwrót — klauzula except wymieniająca klasę pochodną nie obsłuży instancji jej klas bazowych). Na przykład, poniższy kod wypisze B, C, D w tej kolejności:

class B(Exception):
    pass

class C(B):
    pass

class D(C):
    pass

for cls in [B, C, D]:
    try:
        raise cls()
    except D:
        print("D")
    except C:
        print("C")
    except B:
        print("B")

Zauważ, że jeśli klauzule except byłyby odwrócone (z except B na pierwszym miejscu), wypisane zostałoby B, B, B — uruchamiana jest pierwsza pasująca klauzula except.

Gdy wystąpi wyjątek, może on mieć powiązane wartości, znane również jako argumenty wyjątku. Obecność i typy argumentów zależą od typu wyjątku.

Klauzula except może określać nazwę zmiennej po nazwie wyjątku. Zmienna jest powiązana z instancją wyjątku, która zazwyczaj posiada atrybut args przechowujący argumenty. Dla wygody, typy wyjątków wbudowanych definiują __str__() drukującą wszystkie argumenty bez odwoływania się do .args.

>>> try:
...     raise Exception('spam', 'eggs')
... except Exception as inst:
...     print(type(inst))    # the exception type
...     print(inst.args)     # arguments stored in .args
...     print(inst)          # __str__ allows args to be printed directly,
...                          # but may be overridden in exception subclasses
...     x, y = inst.args     # unpack args
...     print('x =', x)
...     print('y =', y)
...
<class 'Exception'>
('spam', 'eggs')
('spam', 'eggs')
x = spam
y = eggs

Dane wyjściowe metody __str__() wyjątku są drukowane jako ostatnia część («szczegóły») komunikatu dla nieobsłużonych wyjątków.

BaseException jest wspólną klasą bazową wszystkich wyjątków. Jedna z jej podklas, Exception, jest klasą bazową wszystkich nie-fatalnych wyjątków. Wyjątki, które nie są podklasami Exception nie są zazwyczaj obsługiwane, ponieważ są używane do wskazania, że program powinien się zakończyć. Obejmują one SystemExit, który jest rzucany przez sys.exit() i KeyboardInterrupt, które są rzucane, gdy użytkownik chce przerwać program.

Exception może być używany jako symbol wieloznaczny, który przechwytuje (prawie) wszystko. Dobrą praktyką jest jednak jak najdokładniejsze określenie typów wyjątków, które zamierzamy obsługiwać, i umożliwienie propagacji wszelkim nieoczekiwanym wyjątkom.

Najczęstszym wzorcem obsługi Exception jest drukowanie lub umieszczenie wyjątku w logach, a następnie ponowne rzucenie go (umożliwiając również obsługę wyjątku funkcji, w której znajduje się wywołanie):

import sys

try:
    f = open('myfile.txt')
    s = f.readline()
    i = int(s.strip())
except OSError as err:
    print("OS error:", err)
except ValueError:
    print("Could not convert data to an integer.")
except Exception as err:
    print(f"Unexpected {err=}, {type(err)=}")
    raise

Instrukcja try … except posiada opcjonalną klauzulę else, która, gdy jest obecna, musi następować po wszystkich klauzulach except. Jest to przydatne w przypadku kodu, który musi zostać wykonany, jeśli klauzula try nie rzuci wyjątku. Na przykład:

for arg in sys.argv[1:]:
    try:
        f = open(arg, 'r')
    except OSError:
        print('cannot open', arg)
    else:
        print(arg, 'has', len(f.readlines()), 'lines')
        f.close()

Użycie klauzuli else jest lepsze niż dodanie dodatkowego kodu do klauzuli try, ponieważ pozwala uniknąć przypadkowego wychwycenia wyjątku, który nie został rzucony przez kod chroniony instrukcją try… except.

Instrukcja try … catch nie obsługuje tylko wyjątków, które występują bezpośrednio w klauzuli try, ale także te, które występują wewnątrz funkcji, które są wywoływane (nawet pośrednio) w klauzuli try. Na przykład:

>>> def this_fails():
...     x = 1/0
...
>>> try:
...     this_fails()
... except ZeroDivisionError as err:
...     print('Handling run-time error:', err)
...
Handling run-time error: division by zero

8.4. Rzucanie wyjątków

Instrukcja raise pozwala programiście wymusić wystąpienie żądanego wyjątku. Na przykład:

>>> raise NameError('HiThere')
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
NameError: HiThere

Jedyny argument do raise wskazuje wyjątek, który ma być rzucony. Musi to być albo instancja wyjątku, albo klasa wyjątku (klasa dziedzicząca z BaseException, taka jak Exception lub jedna z jej podklas). Jeśli przekazana zostanie klasa wyjątku, zostanie ona niejawnie zainicjowana przez wywołanie jej konstruktora bez argumentów:

raise ValueError  # shorthand for 'raise ValueError()'

Jeśli chcesz rozpoznać, czy wyjątek został rzucony, ale nie zamierzasz go obsługiwać, prostsza forma instrukcji raise pozwala na ponowne rzucenie wyjątku:

>>> try:
...     raise NameError('HiThere')
... except NameError:
...     print('An exception flew by!')
...     raise
...
An exception flew by!
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 2, in <module>
NameError: HiThere

8.5. Łańcuch wyjątków

Jeśli nieobsłużony wyjątek wystąpi wewnątrz sekcji except, zostanie do niego dołączony obsługiwany wyjątek i uwzględniony w komunikacie o błędzie:

>>> try:
...     open("database.sqlite")
... except OSError:
...     raise RuntimeError("unable to handle error")
...
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 2, in <module>
FileNotFoundError: [Errno 2] No such file or directory: 'database.sqlite'

During handling of the above exception, another exception occurred:

Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 4, in <module>
RuntimeError: unable to handle error

Aby wskazać, że wyjątek jest bezpośrednią konsekwencją innego, instrukcja raise dopuszcza opcjonalną klauzulę from:

# exc must be exception instance or None.
raise RuntimeError from exc

Może to być przydatne podczas przekształcania wyjątków. Na przykład:

>>> def func():
...     raise ConnectionError
...
>>> try:
...     func()
... except ConnectionError as exc:
...     raise RuntimeError('Failed to open database') from exc
...
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 2, in <module>
  File "<stdin>", line 2, in func
ConnectionError

The above exception was the direct cause of the following exception:

Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 4, in <module>
RuntimeError: Failed to open database

Umożliwia również wyłączenie automatycznego łączenia wyjątków przy użyciu idiomu from None:

>>> try:
...     open('database.sqlite')
... except OSError:
...     raise RuntimeError from None
...
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 4, in <module>
RuntimeError

Więcej informacji na temat mechaniki łączenia w łańcuchy można znaleźć w rozdziale Built-in Exceptions.

8.6. Wyjątki zdefiniowane przez użytkownika

Programy mogą nazywać własne wyjątki, tworząc nową klasę wyjątków (więcej informacji na temat klas Python można znaleźć w rozdziale Klasy). Wyjątki powinny zazwyczaj dziedziczyć z klasy Exception, bezpośrednio lub pośrednio.

Można zdefiniować klasy wyjątków, które robią wszystko, co może zrobić każda inna klasa, ale zwykle są one proste, często oferując tylko kilka atrybutów, które pozwalają na wyodrębnienie informacji o błędzie przez kod obsługi wyjątku.

Większość wyjątków ma nazwy kończące się na „Error”, podobnie jak w przypadku standardowych wyjątków.

Wiele standardowych modułów definiuje własne wyjątki w celu zgłaszania błędów, które mogą wystąpić w zdefiniowanych w nich funkcjach.

8.7. Definiowanie działań porządkujących

Instrukcja try ma inną opcjonalną klauzulę, która jest przeznaczona do definiowania działań porządkujących, które muszą być wykonane w każdych okolicznościach. Na przykład:

>>> try:
...     raise KeyboardInterrupt
... finally:
...     print('Goodbye, world!')
...
Goodbye, world!
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 2, in <module>
KeyboardInterrupt

Jeśli klauzula finally jest obecna, klauzula finally wykona się jako ostatnie zadanie przed zakończeniem instrukcji try. Klauzula finally uruchomi się niezależnie od tego, czy instrukcja try spowoduje wyjątek. Poniższe punkty omawiają bardziej złożone przypadki wystąpienia wyjątku:

• Jeśli podczas wykonywania klauzuli try wystąpi wyjątek, może on zostać obsłużony przez klauzulę except. Jeśli wyjątek nie zostanie obsłużony przez klauzulę except, zostanie on ponownie rzucony po wykonaniu klauzuli finally.

• Wyjątek może wystąpić podczas wykonywania klauzul except lub else. Ponownie, wyjątek jest ponownie rzucany po wykonaniu klauzuli finally.

• Jeśli klauzula finally wykonuje instrukcje break, continue lub return, wyjątki nie są ponownie rzucane.

• Jeśli instrukcja try osiągnie instrukcję break, continue lub return, klauzula finally wykona się tuż przed wykonaniem instrukcji break, continue lub return.

• Jeśli klauzula finally zawiera instrukcję return, zwróconą wartością będzie ta z instrukcji return klauzuli finally, a nie wartość z instrukcji return klauzuli try.

Dla przykładu:

>>> def bool_return():
...     try:
...         return True
...     finally:
...         return False
...
>>> bool_return()
False

Bardziej skomplikowany przykład:

>>> def divide(x, y):
...     try:
...         result = x / y
...     except ZeroDivisionError:
...         print("division by zero!")
...     else:
...         print("result is", result)
...     finally:
...         print("executing finally clause")
...
>>> divide(2, 1)
result is 2.0
executing finally clause
>>> divide(2, 0)
division by zero!
executing finally clause
>>> divide("2", "1")
executing finally clause
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
  File "<stdin>", line 3, in divide
TypeError: unsupported operand type(s) for /: 'str' and 'str'

Jak widać, klauzula finally jest wykonywana w każdym przypadku. TypeError rzucony przez dzielenie dwóch ciągów znaków nie jest obsłużony przez klauzulę except i dlatego jest ponownie rzucony po wykonaniu klauzuli finally.

W prawdziwych aplikacjach, klauzula finally jest przydatna do zwalniania zewnętrznych zasobów (takich jak pliki lub połączenia sieciowe), niezależnie od tego, czy użycie zasobu zakończyło się powodzeniem.

8.8. Predefiniowane akcje porządkujące

Niektóre obiekty definiują standardowe akcje porządkujące, które mają zostać podjęte, gdy obiekt nie jest już potrzebny, niezależnie od tego, czy operacja przy użyciu obiektu powiodła się, czy nie. Spójrz na poniższy przykład, który próbuje otworzyć plik i wydrukować jego zawartość na ekranie:

for line in open("myfile.txt"):
    print(line, end="")

Problem z tym kodem polega na tym, że pozostawia on plik otwarty przez nieokreślony czas po zakończeniu wykonywania tej części kodu. Nie jest to problemem w prostych skryptach, ale może być problemem dla większych aplikacjach. Instrukcja with pozwala na używanie obiektów takich jak pliki w sposób, który zapewnia, że są one zawsze czyszczone szybko i poprawnie:

with open("myfile.txt") as f:
    for line in f:
        print(line, end="")

Po wykonaniu instrukcji, plik f jest zawsze zamykany, nawet jeśli napotkano problem podczas przetwarzania linii. Obiekty, które, podobnie jak pliki, zapewniają predefiniowane akcje czyszczenia, wskażą to w swojej dokumentacji.

8.9. Rzucanie i obsługa wielu niepowiązanych wyjątków

Istnieją sytuacje, w których konieczne jest zgłoszenie kilku wyjątków, które wystąpiły. Dzieje się tak często w przypadku frameworków współbieżności, gdy kilka zadań może zakończyć się niepowodzeniem równolegle, ale istnieją również inne przypadki użycia, w których pożądane jest kontynuowanie wykonywania i zbieranie wielu błędów zamiast rzucenia pierwszego wyjątku.

Wbudowana ExceptionGroup zawiera listę instancji wyjątków, dzięki czemu mogą one być rzucone razem. Sama w sobie jest wyjątkiem, więc może być przechwycona jak każdy inny wyjątek:

>>> def f():
...     excs = [OSError('error 1'), SystemError('error 2')]
...     raise ExceptionGroup('there were problems', excs)
...
>>> f()
  + Exception Group Traceback (most recent call last):
  |   File "<stdin>", line 1, in <module>
  |   File "<stdin>", line 3, in f
  | ExceptionGroup: there were problems
  +-+---------------- 1 ----------------
    | OSError: error 1
    +---------------- 2 ----------------
    | SystemError: error 2
    +------------------------------------
>>> try:
...     f()
... except Exception as e:
...     print(f'caught {type(e)}: e')
...
caught <class 'ExceptionGroup'>: e
>>>

Używając except* zamiast except, możemy selektywnie obsługiwać tylko te wyjątki w grupie, które pasują do określonego typu. W poniższym przykładzie, który pokazuje zagnieżdżoną grupę wyjątków, każda klauzula except* wyodrębnia z grupy wyjątki określonego typu, pozwalając wszystkim innym wyjątkom propagować się do innych klauzul i ostatecznie być ponownie zgłaszanymi.

>>> def f():
...     raise ExceptionGroup(
...         "group1",
...         [
...             OSError(1),
...             SystemError(2),
...             ExceptionGroup(
...                 "group2",
...                 [
...                     OSError(3),
...                     RecursionError(4)
...                 ]
...             )
...         ]
...     )
...
>>> try:
...     f()
... except* OSError as e:
...     print("There were OSErrors")
... except* SystemError as e:
...     print("There were SystemErrors")
...
There were OSErrors
There were SystemErrors
  + Exception Group Traceback (most recent call last):
  |   File "<stdin>", line 2, in <module>
  |   File "<stdin>", line 2, in f
  | ExceptionGroup: group1
  +-+---------------- 1 ----------------
    | ExceptionGroup: group2
    +-+---------------- 1 ----------------
      | RecursionError: 4
      +------------------------------------
>>>

Należy pamiętać, że wyjątki zagnieżdżone w grupie wyjątków muszą być instancjami, a nie typami. Wynika to z faktu, że w praktyce wyjątki są zazwyczaj tymi, które zostały już rzucone i przechwycone przez program, zgodnie z następującym wzorcem:

>>> excs = []
... for test in tests:
...     try:
...         test.run()
...     except Exception as e:
...         excs.append(e)
...
>>> if excs:
...    raise ExceptionGroup("Test Failures", excs)
...

8.10. Wzbogacanie wyjątków o notatki

Gdy wyjątek jest tworzony w celu rzucenia, jest on zwykle inicjowany informacjami opisującymi błąd, który wystąpił. Istnieją przypadki, w których przydatne jest dodanie informacji po przechwyceniu wyjątku. W tym celu wyjątki mają metodę add_note(note), która akceptuje ciąg znaków i dodaje go do listy notatek wyjątku. Standardowe renderowanie tracebacku zawiera wszystkie notatki, w kolejności, w jakiej zostały dodane, po wyjątku.

>>> try:
...     raise TypeError('bad type')
... except Exception as e:
...     e.add_note('Add some information')
...     e.add_note('Add some more information')
...     raise
...
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 2, in <module>
TypeError: bad type
Add some information
Add some more information
>>>

Na przykład zbierając wyjątki w grupę wyjątków, możemy chcieć dodać informacje kontekstowe dla poszczególnych błędów. Poniżej każdy wyjątek w grupie ma notatkę wskazującą, kiedy wystąpił.

>>> def f():
...     raise OSError('operation failed')
...
>>> excs = []
>>> for i in range(3):
...     try:
...         f()
...     except Exception as e:
...         e.add_note(f'Happened in Iteration {i+1}')
...         excs.append(e)
...
>>> raise ExceptionGroup('We have some problems', excs)
  + Exception Group Traceback (most recent call last):
  |   File "<stdin>", line 1, in <module>
  | ExceptionGroup: We have some problems (3 sub-exceptions)
  +-+---------------- 1 ----------------
    | Traceback (most recent call last):
    |   File "<stdin>", line 3, in <module>
    |   File "<stdin>", line 2, in f
    | OSError: operation failed
    | Happened in Iteration 1
    +---------------- 2 ----------------
    | Traceback (most recent call last):
    |   File "<stdin>", line 3, in <module>
    |   File "<stdin>", line 2, in f
    | OSError: operation failed
    | Happened in Iteration 2
    +---------------- 3 ----------------
    | Traceback (most recent call last):
    |   File "<stdin>", line 3, in <module>
    |   File "<stdin>", line 2, in f
    | OSError: operation failed
    | Happened in Iteration 3
    +------------------------------------
>>>