Повторная генерация исключений

Обработка исключений появилась в mainstream языках программирования вот уже более трех десятилетий назад, но сегодня все еще можно встретить разработчиков, которые боятся их использовать. Некоторые считают, что генерация исключений в конструкторе повредит их хрупкой карме и их настигнет кара в виде поддержки кода двадцатилетней давности, написанного стадом безумных индусов. Некоторые все еще застряли в эпохе языка С и даже в языке C# интенсивно используют коды возврата в виде магических чисел или даже строк, считая, что исключения придумали трусы, а настоящие самураи могут обойтись и без них. (Хотя мы-то с вами знаем, что настоящие самураи следуют “Принципу самурая” и никаких кодов возврата не используют).

Дополнительную сложность добавляют конкретные платформы и языки программирования. Сегодня на собеседовании C# разработчика, когда речь заходит об обработке исключений, обязательно прозвучит вопрос: “А в чем отличие “проброса” исключения с помощью конструкций throw; и throw ex;?”. И хотя, это страшный баян и большинство разработчиков давно знают правильный ответ на этот вопрос, в реальном коде встретить “некошерный” вариант очень даже просто.

Особенность платформы .NET заключается в том, что в ней не существует (а точнее, как мы вскоре увидим – не существовало) способа перехвата исключения в одном месте и последующего его генерирования в другом. Если разработчик бизнес-приложения или библиотеки сталкивался с такой задачей, то решалась она очень простым способом: исходное исключение заворачивалось в другой объект в виде вложенного исключения и пробрасывалось уже новое исключение.

Давайте рассмотрим такой пример. Предположим у нас есть кастомный класс исключения по имени CustomException, а также простой класс SampleClass, конструктор которого генерирует это самое исключение.

// Простое кастомное исключение, чтобы было, что перехватывать
class CustomException : Exception { }
 
class SampleClass
{     
    // Совершенно бесполезный класс,     
    // конструктор которого только и делает, что бросает исключение     
    public SampleClass() { throw new CustomException(); }
}

Теперь давайте создадим объект этого класса с помощью generic метода, а также сделаем синглтон этого класса:

// Простой фабричный метод, создающий экземпляр объекта
public static T CreateInstance<T>() where T : new()
{
     return new T();
}
 
// Простой класс синглтона
class SampleClassSingleton
{
     private static SampleClass _instance = new SampleClass();
     static SampleClassSingleton() { }
     public static SampleClass Instance { get { return _instance; } }
}

Вопрос в следующем, какой блок catch будет выполнен при вызове метода CreateInstance<SampleClass>() или при обращении к SampleClassSingleton.Instance?

try
{
     CreateInstance<SampleClass>();
     // или
      var instance = SampleClassSingleton.Instance;
}
catch (CustomException e)
{
     Console.WriteLine(e);
}
catch (Exception e)
{
     Console.WriteLine(e);
}

Не думаю, что для кого-то этот код будет большим откровением, но в обоих случаях “ожидаемый” блок catch(CustomException e) выполнен не будет, вместо этого будет выполнен блок catch(Exception e).

В первом случае (т.е. при использовании generic метода CreateInstance) на самом деле конструктор по умолчанию не вызывается напрямую, вместо этого используется Activator.CreateInstance, который оборачивает исходное исключение в TargetInvocationException. Именно поэтому срабатывает блок catch(Exception e), поскольку TargetInvocationException никак не подходит нашему первому блоку обработки исключений.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ
Не пишите в логи только e.Message, поскольку когда ляжет ваш продакш сервер от этой информации вам будет ни холодно ни жарко, поскольку наиболее ценная информация может таиться в одном из вложенных исключений. Даже в составе .Net Framework существует множество мест, которые оборачивают исходное исключение и пробрасывают его в качестве вложенного, ни говоря уже за кастомный код, который может обернуть нужное вам исключение в десяток вложенных.

При использовании синглтона, ситуация аналогична: поскольку инициализация поля _instance происходит в статическом конструкторе, то любые исключения, которые происходят во время его выполнения делают тип «невалидным». В результате, все последующие обращения к этому типу приводят к генерации исключения TypeLoadException с соответствующим вложенным исключением

ПРИМЕЧАНИЕ
Подробнее о том, для чего нужен пустой статический конструктор и к каким проблемам может привести его отсутствие см. О синглтонах и статических конструторах.

Поведение в обоих случаях является хорошо документированным и известным, так что если когда-то его могли считать багом, то теперь это уже фича. Но исправить эту ситуацию, к сожалению, мы не можем. Даже если мы перехватим исключение в методе CreateInstance и постараемся пробросить вложенное исключение, то мы потеряем стек вызовов, что сделает результирующее исключение значительно менее полезным:

public static T CreateInstance<T>() where T : new()
{
     try
     {
         return new T();
     }
     catch (TargetInvocationException e)
     {
         // Исходный стек вызовов потерян, теперь все будут думать, что виноваты мы!
         throw e.InnerException;
     }
}

Аналогичная проблема ждет нас, если мы попробуем сохранить исключение при создании экземпляра _instance и будем пробрасывать его при обращении к свойству Instance. (Да, отложенная инициализация решит эту конкретную проблему, но сейчас речь не об этом).

Однако в .Net Framewor 4.5 появился класс, способный помочь в решении этой проблемы. Это класс ExceptionDispatchInfo, способный сохранить исходное исключение и потом пробросить его заново не теряя информацию о стеке вызовов. Конечно, основной смысл его применения не связан с “выпрямлением” статических конструкторов или метода Activator.CreateInstance. Главная его задача заключается в решении вопросов асинхронности и многопоточности, когда исключение происходит в одном потоке, а пробрасывается в другом.

Давайте рассмотрим следующий код:

Task<int> task = Task<int>.Factory.StartNew(() => { throw new CustomException(); });
try
{
     int result = task.Result;
}
catch (CustomException e)
{
     // Неа, сюда нам с вами не попасть:(
     Console.WriteLine("CustomException caught: " + e);
}
catch (AggregateException e)
{
     // А вот и наше исходное исключение!
     var inner = e.GetBaseException();
     Console.WriteLine("Aggregate exception caught: " + inner);
}

Если “задача” падает с исключением, то исходное исключение (в нашем случае CustomException) будет завернуто в AggregateException. Причин такому поведению несколько: во-первых, хотя задача по своей природе представляет собой оболочку над некоторой длительной асинхронной операцией с единственным результатом, в некоторых случаях результат одной задачи может основываться на результатах параллельного выполнения нескольких задач. Например, мы можем объединить несколько задач в одну с помощью Task.WaitAll или мы можем связать несколько задач с помощью продолжений. Второй причиной такого поведения является невозможность проброса исходного исключения без искажения его стека вызовов.

Однако после появления в языке C# 5.0 новых возможностей по работе с асинхронностью, приоритеты несколько изменились. Одной из главных фич ключевых слов await и async является простота преобразования синхронного кода в асинхронный, но помимо «выпрямления» потока исполнения (который даже в случае применение задач оставляет желать лучшего), должна быть решена и задача обработки исключений. Поэтому при получении результатов задачи с помощью ключевого слова await, исходное AggregateException разворачивается и пробрасывается исходное исключение:

public static async void SimpleTask()
{
     Task<int> task = Task<int>.Factory.StartNew(() => { throw new CustomException(); });
     try
     {
         // await «разворачивает» исходное исключение сгенерированное внутри задачи
         // и пробрасывает именно его, а не AggregateException!
         int result = await task;
     }
     catch (CustomException e)
     {
         // Теперь вызывается этот обработчик, как и в случае синхронного вызова
         Console.WriteLine("CustomException caught: " + e);
     }
}

ПРИМЕЧАНИЕ
Если вы не знакомы такими фичами языка C# 5.0, как async и await, то восполнить этот пробел можно с помощью статьи: Асинхронные операции в C# 5

Как уже было сказано, реализовано такое поведение с помощью нового класса ExceptionDispatchInfo, который позволяет сохранить исходное исключение и пробросить его позднее, возможно даже в новом потоке. Причем реализовано это настолько просто, что нам не составит труда сделать это самостоятельно.

Для начала давайте для класса Task<T> создадим класс с методом расширения GetResult, который будет очень похож на свойство Result, но будет «выпрямлять» AggregateException и пробрасывать вложенное исключение без потери стека вызовов.

ПРИМЕЧАНИЕ
Такое поведение уже реализовано в составе .Net Framework 4.5 с помощью Task<T>.GetAwaiter().GetResult(), но давайте забудем об этом и сделаем тоже самое самостоятельно.

Пользоваться классом ExceptionDispatchInfo довольно просто: для этого достаточно захватить исключение в одном месте с помощью статического метода Capture, а затем пробросить это исключение в другом месте (и, возможно даже в другом потоке) с помощью метода Throw.

static class TaskExtensions
{
     public static T GetResult<T>(this Task<T> task)
     {
         try
         {
             T result = task.Result;
             return result;
         }
         catch (AggregateException e)
         {
             ExceptionDispatchInfo di = ExceptionDispatchInfo.Capture(e.InnerException);
             di.Throw();
             return default(T);
         }
     }
}

Теперь, если изменить предыдущий фрагмент кода и заменить task.Result на вызов метода Task.GetResult, то мы сможем перехватывать конкретный тип исключения вместо исключения AggregateException.

Task<int> task = Task<int>.Factory.StartNew(() => { throw new CustomException(); });
try
{
     int result = task.GetResult();
}
catch (CustomException e)
{
     // Теперь мы можем перехватывать CustomException, а не AggregateException
     Console.WriteLine("CustomException caught: " + e);
}

Аналогичным образом можно изменить наш метод CreateInstance, который будет перехватывать исключение TargetInvocationException и пробрасывать вложенное исключение:

public static T CreateInstance<T>() where T : new()
{
     try
     {
         var t = new T();
         return t;
     }
     catch (TargetInvocationException e)
     {
         // Захватываем вложенное исключение в ExceptionDispatchInfo
         ExceptionDispatchInfo di = ExceptionDispatchInfo.Capture(e.InnerException);
         // Пробрасываем это исключение с сохранением всей информации
         di.Throw();
         // Компилятор не знает, что di.Throws() всегда генерит исключение, поэтому
         // без этой строки кода мы получим ошибку компиляции, что метод не всегда
         // возвращает результат
         return default(T);
     }
}

Теперь, при попытке вызвать этот метод из функции Main мы получим вразумительное исключение с нормальным стеком исполнения:

ConsoleApplication1.CustomException: Exception of type 'ConsoleApplication1.CustomException' was thrown.
at ConsoleApplication1.SampleClass..ctor() in
c:\Projects\ConsoleApplication1\ConsoleApplication1\Program.cs:line 19
--- End of stack trace from previous location where exception was thrown ---
at System.Runtime.ExceptionServices.ExceptionDispatchInfo.Throw()
at ConsoleApplication1.Program.CreateInstance[T]() in c
\Projects\ConsoleApplication1\ConsoleApplication1\Program.cs:
line 50
at ConsoleApplication1.Program.Main(String[] args) in c:\ \Projects\ConsoleApplication1\ConsoleApplication1\Program.cs:line 63

Класс синглтона можно реализовать подобным образом.

Класс ExceptionDispatchInfo едва ли будет киллер-фичей новой версии .Net Framework, однако с наступлением эры асинхронности у него точно найдется достойная область применения. Так, например, он уже используется в библиотеке реактивных расширений для реализации паттерна await (эта реализация доступна только в экспериментальном релизе) и может использоваться всеми, кто захочет реализовать этот паттерн самостоятельно.