8. 錯誤和例外
*************

到目前為止還沒有提到錯誤訊息，但如果你嘗試運行範例，你可能會發現一些錯
誤訊息。常見的（至少）兩種不同的錯誤類別為：*語法錯誤 (syntax error)*
和*例外 (exception)*。


8.1. 語法錯誤 (Syntax Error)
============================

語法錯誤又稱剖析錯誤 (parsing error)，它或許是學習 Python 的過程最常聽
見的抱怨：

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

剖析器 (parser) 會重複犯錯的那一行，並用一個小「箭頭」指向該行檢測到的
第一個錯誤點。錯誤是由箭頭*之前*的標記 (token) 導致的（或至少是在這裡
檢測到的）：此例中，錯誤是在 "print()" 函式中被檢測到，因為在它前面少
了一個冒號（"':'"）。檔案名稱和行號會被印出來，所以如果訊息是來自腳本
時，就可以知道去哪裡找問題。


8.2. 例外 (Exception)
=====================

即使一段陳述式或運算式使用了正確的語法，嘗試執行時仍可能導致錯誤。執行
時檢測到的錯誤稱為*例外*，例外不一定都很嚴重：你很快就能學會在 Python
程式中如何處理它們。不過大多數的例外不會被程式處理，並且會顯示如下的錯
誤訊息：

   >>> 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

錯誤訊息的最後一行指示發生了什麼事。例外有不同的類型，而類型名稱會作為
訊息的一部份被印出。範例中的例外類型為："ZeroDivisionError"、
"NameError" 和 "TypeError"。作為例外類型被印出的字串，就是發生的內建例
外 (built-in exception) 的名稱。所有的內建例外都是如此運作，但對於使用
者自定的例外則不一定需要遵守（雖然這是一個有用的慣例）。標準例外名稱是
內建的識別字 (identifier)，不是保留關鍵字 (reserved keyword)。

此行其餘部分，根據例外的類型及導致例外的原因，說明例外的細節。

錯誤訊息的開頭，用堆疊回溯 (stack traceback) 的形式顯示發生例外的語境
。一般來說，它含有一個列出源程式碼行 (source line) 的堆疊回溯；但它不
會顯示從標準輸入中讀取的程式碼。

內建的例外章節列出內建的例外及它們的意義。


8.3. 處理例外
=============

編寫程式處理選定的例外是可行的。以下範例會要求使用者輸入內容，直到有效
的整數被輸入為止，但它允許使用者中斷程式（使用 "Control-C" 或作業系統
支援的指令）；請注意，由使用者產生的程式中斷會引發 "KeyboardInterrupt"
例外信號。

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

"try" 陳述式運作方式如下。

* 首先，執行 *try 子句*（"try" 和 "except" 關鍵字之間的陳述式）。

* 如果沒有發生例外，則 *except 子句*會被跳過，"try" 陳述式執行完畢。

* 如果執行 try 子句時發生了例外，則該子句中剩下的部分會被跳過。如果例
  外的類型與 "except" 關鍵字後面的例外名稱相符，則 except 子句被執行，
  然後，繼續執行 "try" 陳述式之後的程式碼。

* 如果發生的例外未符合 except 子句中的例外名稱，則將其傳遞到外層的
  "try" 陳述式；如果仍無法找到處理者，則它是一個*未處理例外 (unhandled
  exception)*，執行將停止，並顯示如上所示的訊息。

"try" 陳述式可以有不只一個 except 子句，為不同的例外指定處理者，而最多
只有一個處理者會被執行。處理者只處理對應的 try 子句中發生的例外，而不
會處理同一 "try" 陳述式裡其他處理者內的例外。一個 except 子句可以用一
組括號內的 tuple 列舉多個例外，例如：

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

一個在 "except" 子句中的 class（類別）和一個例外是可相容的，只要它與例
外是同一個 class 或是為其 base class（基底類別）；反之則無法成立——列出
derived class （衍生類別）的 except 子句並不能與 base class 相容。例如
，以下程式碼會依序印出 B、C、D：

   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")

請注意，如果 except 子句的順序被反轉（把 "except B" 放到第一個），則會
印出 B、B、B ­­——第一個符合的 except 子句會被觸發。

最後一個 except 子句可以省略例外名稱，以統一處理所有其他例外。但使用上
要極其小心，因為這種方式容易遮蔽真正的程式設計錯誤！它也可用於印出錯誤
訊息，然後重新引發例外（也讓呼叫者可以處理該例外）：

   import sys

   try:
       f = open('myfile.txt')
       s = f.readline()
       i = int(s.strip())
   except OSError as err:
       print("OS error: {0}".format(err))
   except ValueError:
       print("Could not convert data to an integer.")
   except:
       print("Unexpected error:", sys.exc_info()[0])
       raise

"try" ... "except" 陳述式有一個選擇性的 *else 子句*，使用時，該子句必
須放在所有 except 子句之後。如果一段程式碼必須被執行，但 try 子句又沒
有引發例外時，這個子句很有用。例如：

   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()

使用 "else" 子句比向 "try" 子句添加額外的程式碼要好，因為這可以避免意
外地捕獲不是由 "try" ... "except" 陳述式保護的程式碼所引發的例外。

當例外發生時，它可能有一個相關的值，也就是例外的*引數*。此引數的存在與
否及它的類型，是取決於例外的類型。

"except" 子句可以在例外名稱後面指定一個變數。這個變數被綁定到一個例外
實例 (instance)，其引數儲存在 "instance.args" 中。為了方便，例外實例會
定義 "__str__()"，因此引數可以直接被印出而無須引用 ".args"。你也可以在
引發例外前就先建立一個例外實例，並隨心所欲地為它加入任何屬性。

   >>> try:
   ...     raise Exception('spam', 'eggs')
   ... except Exception as inst:
   ...     print(type(inst))    # the exception instance
   ...     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

如果一個例外有引數，則它們會被印在未處理例外的訊息的最後一部分（「細節
」）。

例外的處理者不僅處理 try 子句內立即發生的例外，還處理 try 子句內（即使
是間接地）呼叫的函式內部發生的例外。例如：

   >>> 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. 引發例外
=============

"raise" 陳述式可讓程式設計師強制引發指定的例外。例如：

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

"raise" 唯一的引數就是要引發的例外。該引數必須是一個例外實例或例外
class（衍生自 "Exception" 的 class）。如果一個例外 class 被傳遞，它會
不含引數地呼叫它的建構函式 (constructor) ，使它被自動建立實例
(implicitly instantiated)：

   raise ValueError  # shorthand for 'raise ValueError()'

如果你只想判斷是否引發了例外，但並不打算處理它，則可以使用簡單的
"raise" 陳述式來重新引發該例外：

   >>> 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. 例外鏈接 (Exception Chaining)
==================================

"raise" 陳述式容許一個選擇性的 "from"，它透過被引發例外中的
"__cause__" 屬性的設定，來啟用例外鏈接。例如：

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

要變換例外時，這種方式很有用。例如：

   >>> def func():
   ...     raise IOError
   ...
   >>> try:
   ...     func()
   ... except IOError 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
   OSError

   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

當例外是在一個 "except" 或 "finally" 段落的內部被引發時，例外鏈接會自
動發生。要禁止例外鏈接，可以使用慣用語 "from None"：

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

更多關於鏈接機制的資訊，詳見內建的例外。


8.6. 使用者自定的例外
=====================

程式可以通過建立新的例外 class 來命名自己的例外（深入了解 Python class
，詳見Class（類別））。不論是直接還是間接地，例外通常應該從
"Exception" class 衍生出來。

例外 class 可被定義來做任何其他 class 能夠做的事，但通常會讓它維持簡單
，只提供一些屬性，讓關於錯誤的資訊可被例外的處理者抽取出來。在建立一個
可能引發多種不同錯誤的模組時，常見做法是為該模組定義的例外建立一個
base class，以及多個 subclass，其能為不同錯誤情況建立特定的例外 class
：

   class Error(Exception):
       """Base class for exceptions in this module."""
       pass

   class InputError(Error):
       """Exception raised for errors in the input.

       Attributes:
           expression -- input expression in which the error occurred
           message -- explanation of the error
       """

       def __init__(self, expression, message):
           self.expression = expression
           self.message = message

   class TransitionError(Error):
       """Raised when an operation attempts a state transition that's not
       allowed.

       Attributes:
           previous -- state at beginning of transition
           next -- attempted new state
           message -- explanation of why the specific transition is not allowed
       """

       def __init__(self, previous, next, message):
           self.previous = previous
           self.next = next
           self.message = message

大多數的例外定義，都會以「Error」作為名稱結尾，類似於標準例外的命名。

許多標準模組會定義它們自己的例外，以報告在其定義的函式中發生的錯誤。更
多有關 class 的資訊，詳見Class（類別）章節。


8.7. 定義清理動作
=================

"try" 陳述式有另一個選擇性子句，用於定義在所有情況下都必須被執行的清理
動作。例如：

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

如果 "finally" 子句存在，則 "finally" 子句會是 "try" 陳述式結束前執行
的最後一項任務。不論 "try" 陳述式是否產生例外，都會執行 "finally" 子句
。以下幾點將探討例外發生時，比較複雜的情況：

* 若一個例外發生於 "try" 子句的執行過程，則該例外會被某個 "except" 子
  句處理。如果該例外沒有被 "except" 子句處理，它會在 "finally" 子句執
  行後被重新引發。

* 一個例外可能發生於 "except" 或 "else" 子句的執行過程。同樣地，該例外
  會在 "finally" 子句執行後被重新引發。

* 如果 "finally" 子句執行 "break"、"continue" 或 "return" 陳述式，則例
  外不會被重新引發。

* 如果 "try" 陳述式遇到 "break"、"continue" 或 "return" 陳述式，則
  "finally" 子句會在執行 "break"、"continue" 或 "return" 陳述式之前先
  執行。

* 如果 "finally" 子句中包含 "return" 陳述式，則回傳值會是來自
  "finally" 子句的 "return" 陳述式的回傳值，而不是來自 "try" 子句的
  "return" 陳述式的回傳值。

例如：

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

另一個比較複雜的範例：

   >>> 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'

如你所見，"finally" 子句在任何情況下都會被執行。兩個字串相除所引發的
"TypeError" 沒有被 "except" 子句處理，因此會在 "finally" 子句執行後被
重新引發。

在真實應用程式中，"finally" 子句對於釋放外部資源（例如檔案或網路連線）
很有用，無論該資源的使用是否成功。


8.8. 預定義的清理動作
=====================

某些物件定義了在物件不再被需要時的標準清理動作，無論使用該物件的作業是
成功或失敗。請看以下範例，它嘗試開啟一個檔案，並印出檔案內容至螢幕。

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

這段程式碼的問題在於，執行完該程式碼後，它讓檔案在一段不確定的時間內處
於開啟狀態。在簡單腳本中這不是問題，但對於較大的應用程式來說可能會是個
問題。"with" 陳述式讓物件（例如檔案）在被使用時，能保證它們總是及時、
正確地被清理。

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

陳述式執行完畢後，就算是在處理內容時遇到問題，檔案 *f* 總是會被關閉。
和檔案一樣，提供預定義清理動作的物件會在說明文件中表明這一點。
