الاستثناءات في جافا: الأخطاء وتتبّع المكدّس والرمي

ما هو الاستثناء

الاستثناء هو الطريقة التي تقول بها جافا «حدث خطأ ما ولا يمكنني المتابعة بشكل طبيعي». فبدلًا من إرجاع قيمة خاطئة أو إفساد بياناتك بصمت، يُنشئ زمن التشغيل كائن استثناء يصف المشكلة ويرميه. يتوقف التنفيذ الطبيعي عند تلك النقطة، وتبدأ جافا في البحث عن شيفرة تعرف كيف تتعامل مع الموقف.

وإذا لم يعالجه أحد، يصل الاستثناء إلى قمة برنامجك، فتطبع آلة جافا الافتراضية (JVM) تتبّع المكدّس، وتنتهي العملية بحالة غير صفرية.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] numbers = {10, 20, 30};
        System.out.println("before");
        System.out.println(numbers[5]);   // الفهرس 5 غير موجود
        System.out.println("after");      // لا يُنفَّذ أبدًا
    }
}

لاحظ أنّ "after" لا يُطبع أبدًا. ففي اللحظة التي يُقيَّم فيها numbers[5]، يُرمى استثناء ArrayIndexOutOfBoundsException ويُهمَل ما تبقّى من main.

قراءة تتبّع المكدّس

عندما يبقى الاستثناء دون معالجة، تحصل على مخرجات كهذه. تبدو مخيفة، لكنّها مجرد قائمة:

Exception in thread "main" java.lang.ArithmeticException: / by zero
	at Main.divide(Main.java:8)
	at Main.main(Main.java:4)

اقرأها من الأعلى إلى الأسفل:

• السطر الأول هو النوع (ArithmeticException) ورسالة (/ by zero).
• وكل سطر at ... هو إطار مكدّس. الإطار العلوي هو المكان الذي رُمي فيه الاستثناء فعليًا، أي divide في السطر 8. وتحته يأتي المُستدعِي، main في السطر 4.

سطر at العلوي هو حيث تنظر أولًا. والإطارات التي تحته تجيب عن سؤال «كيف وصلنا إلى هنا؟».

public class Main {
    static int divide(int a, int b) {
        return a / b;            // يرمي عندما تكون b تساوي 0
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(divide(10, 2));
        System.out.println(divide(10, 0));   // انفجار
    }
}

شغّل هذا فيشير التتبّع مباشرةً إلى سطر a / b، ثم يعرض main بوصفه المُستدعِي. سلسلة الاستدعاءات هذه هي أنفع أداة تنقيح تمنحك إيّاها جافا مجانًا.

هرمية الاستثناءات

كل استثناء هو كائن، وكلها تنحدر من Throwable. والفرعان المهمّان هما:

• Error — مشكلات خطيرة تثيرها آلة جافا الافتراضية، مثل OutOfMemoryError أو StackOverflowError. وعمومًا لا تلتقطها.
• Exception — مشكلات يمكن لبرنامجك أن يتوقّعها ويعالجها بشكل معقول. وفي داخلها يقع RuntimeException، وهو أصل الأخطاء اليومية مثل NullPointerException.

Throwable
├── Error                 (don't catch: OutOfMemoryError, StackOverflowError)
└── Exception
    ├── IOException        (checked)
    ├── SQLException       (checked)
    └── RuntimeException   (unchecked)
        ├── NullPointerException
        ├── ArithmeticException
        └── ArrayIndexOutOfBoundsException

ولأنّها أصناف حقيقية، يمكن للاستثناء أن يحمل رسالة، ويمكنك أن تستفسر منه عن نفسه:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            int x = 10 / 0;
        } catch (ArithmeticException e) {
            System.out.println("type: " + e.getClass().getSimpleName());
            System.out.println("message: " + e.getMessage());
        }
    }
}

تُعيد getMessage() النص الذي يلي النقطتين الرأسيتين في تتبّع المكدّس؛ بينما تمنحك getClass().getSimpleName() نوع الاستثناء باسمه.

المُتحقَّق منه مقابل غير المُتحقَّق منه

هذا هو التمييز الذي يربك المبتدئين أكثر من غيره.

• الاستثناءات غير المُتحقَّق منها ترث RuntimeException. وهي تعني عادةً خطأً في شيفرتك، مثل null لم تتوقّعه، أو فهرس خاطئ، أو قسمة على صفر. والمترجم لا يجبرك على معالجتها.
• الاستثناءات المُتحقَّق منها ترث Exception لكنّها لا ترث RuntimeException (مثل IOException). وهي تمثّل ظروفًا خارجة عن سيطرتك، مثل ملف مفقود، أو اتصال شبكي انقطع. والمترجم يجبرك إمّا على التقاطها أو الإعلان عنها.

إذا كان بإمكان دالة أن ترمي استثناءً مُتحقَّقًا منه، فعليها أن تصرّح بذلك باستخدام throws، وعلى كل مُستدعٍ أن يتعامل معه:

public class Main {
    // تُعلن أنّها قد تفشل باستثناء مُتحقَّق منه
    static void risky() throws Exception {
        throw new Exception("something went wrong");
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        risky();   // على main أيضًا أن تعالجه أو تعيد الإعلان عنه
    }
}

أزِل throws Exception من main، ولن تُترجَم الشيفرة أصلًا، وهذا هو المترجم وهو يفرض عقد الاستثناءات المُتحقَّق منها. أمّا الاستثناءات غير المُتحقَّق منها فلا تتطلّب ذلك أبدًا.

رمي استثناءاتك الخاصة

أنت لا تتفاعل مع الاستثناءات فحسب، بل يمكنك أيضًا أن تثيرها. استخدم throw مع كائن استثناء جديد للإشارة إلى أنّ وسيطًا أو حالةً غير صالحة. وهذا أفضل بكثير من إرجاع قيمة سحرية مثل -1 والأمل في أن يتحقّق المُستدعِي منها.

public class Main {
    static int squareRootInput(int n) {
        if (n < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("n must be non-negative, got " + n);
        }
        return n;
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(squareRootInput(16));
        System.out.println(squareRootInput(-4));   // يرمي مع رسالة واضحة
    }
}

ضمِّن دائمًا رسالة تشرح ما الذي كان خاطئًا، ويُفضَّل القيمة المخالفة أيضًا، فنسختك المستقبلية وهي تقرأ تتبّع المكدّس ستشكرك. وIllegalArgumentException وIllegalStateException هما الاثنان اللذان ستلجأ إليهما أكثر عند التحقّق من المدخلات.

مزالق شائعة

• ابتلاع الاستثناءات. التقاط استثناء وعدم فعل أي شيء (كتلة فارغة) يُخفي العلل. سجّله على الأقل؛ وعادةً ينبغي أن تعالجه أو تعيد رميه.
• التقاط Exception على نطاق واسع جدًّا. التقاط Exception الأساس (أو الأسوأ، Throwable) قد يحجب مشكلات لم تقصد معالجتها. التقط النوع المحدّد الذي تتوقّعه.
• قراءة التتبّع من الأسفل إلى الأعلى. الإطار الأكثر صلة هو سطر at العلوي، لا السفلي. ابدأ من هناك.
• الخلط بين Error وException. لا تحاول التعافي من OutOfMemoryError أو StackOverflowError؛ بل أصلِح السبب الجذري بدلًا من ذلك.

التالي: try-catch

أصبحت الآن تعرف ما الاستثناءات وكيف تقرأها. تتناول الصفحة التالية كيفية معالجتها فعليًا: تغليف الشيفرة الخطِرة في كتلة try، والتعافي في catch، وتشغيل شيفرة التنظيف في finally كي يستمرّ برنامجك في العمل بدلًا من أن ينهار.