Ошибочное состояние

Правильное понимание ошибочного состояния способствует созданию более ошибкоустойчивого языка, а разработчику позволяет создавать более надёжный код (даже без такого языка).

Ближайшим аналогом из других языков является термин «неопределённое поведение»[0] с поправкой на правильно выставленный приоритет в отношении понимания и обработки.

Ошибочное состояние — это то состояние программы, которое прогнозируемо возникает в результате выхода за пределы применимости правил языка, а также дополнительно заданных правил кода, составленных программистом-пользователем языка. Это может произойти только из-за ошибки в коде, причиной чему, в том числе, может быть ошибочное представление о правилах.

Ключевая особенность ошибочного состояния заключается в том, что любое воплощение поведения исполнителя кода при достижении или предсказании этого состояния не влияет на поведение правильного кода, то есть, соблюдающего правила языка. При адекватно заданных правилах наличие понятия ошибочного состояния в языке не приводит к появлению дополнительных ошибок в коде. Наоборот — ошибочное состояние возникает из-за ошибок в коде, и поэтому наличие этого понятия важно для возможности обнаружения и устранения ошибок. И хотя возможно такое определение языка, при котором программа никогда не сможет выйти за пределы применимости его правил, такой язык не приведёт к устранению логических ошибок программы, а наоборот, усложнит их предотвращение. Нельзя нормально диагностировать ошибку в том поведении, на которое может опираться разработчик, вписывая его в основную логику.

Примеры операций, приводящих к ошибочному состоянию в случае отсутствия явного учёта состояния правильности:

• Арифметическое переполнение допустимого диапазона чисел — и целых, и дробей
• Деление на 0
• Обращение к массиву по индексу, выходящему за его пределы
• Чтение значения переменной с ошибочным значением (не- или де-начализированной)
• Преобразование типа для недопустимого значения
• Обращение по пустому указателю
• Обращение по недопустимому адресу в низкоуровневых операциях с данными
• Получение ложного значения в утверждении
• Достижение потоком выполнения места, помеченного как недостижимое
• Фактическое зацикливание

Особенности адекватного воплощения поведения при ошибочном состоянии тесно связаны с областью применения кода, а также возможностями воплотителей языка, включая свойства целевой платформы. Это и приводит к тесной связи между ошибочным состоянием и неопределённым поведением, то есть поведением, не заданным в определении языка. Поскольку в общем случае невозможно выбрать единственный вариант, который бы одинаково хорошо подходил всем применениям, попытка избавиться от неопределённости приведёт лишь к невозможности получить наилучшее решение для всех. Также это не приведёт к повышению ошибкоустойчивости воплощений, поскольку отсутствие возможностей у воплотителей влияет на них гораздо больше любых требований к ним.

Ключевое — предоставление свободы для возможности выбора оптимального поведения в ошибочном состоянии важней одинакового, которое чаще всего является ложной целью. Также бессмысленна попытка перечислить все возможные способы воплощения поведения, так как их число, и тем более их количественные характеристики не поддаются адекватному подсчёту. Полезно лишь предложить возможные сценарии в качестве приложения.

Примеры возможного воплощения поведения при ошибочном состоянии:

• Статическое выявление как ошибки компиляции для простых случаев или при продвинутом анализе. В отличий от опциональных предупреждений, которые могут быть ложно-положительными, диагностика ошибки допустима только для достоверных нарушений правил языка с учётом контекста применения. Поиск нарушений ведётся во все ветках кода, без учёта фактической достижимости.
• Аварийное завершение подзадачи в результате диагностики во время исполнения программы. Подходит для отладки и для быстрых проверок хорошо отлаженного кода в выпускной версии.
• Диагностика и пометка выходного значения как ошибочного. Другие вычисления с ошибочными значением тоже порождают ошибочное значение, возможно, кроме тех, что приводят к определённому значению вне зависимости от другого значения (e * 0, e & false). Если ошибочное значение добирается до существенной развилки или вывода данных, то происходит аварийное завершение. Если ошибочное значение оказывается незадействованным или уничтоженным, то программа может продолжить нормальное выполнение.
• Максимизация случайного поведения. Подходит для отладки того, что сложней диагностировать аварийной остановкой, например, работу с неинициализированными переменными. Гуляющее поведение свидетельствует об ошибках и препятствует закреплению случайных характеристик текущей версии исполнителя в ошибочном коде как чего-то ожидаемого[1].
• Максимизация детерминированности поведения, которое даёт наиболее вероятную правильность. Подходит для выпускной версии, но будет полезен только в паре с предыдущим. Если нужно выбрать что-то одно, лучше выбрать предыдущий.
• Приостановка выполнения и ожидание ответа пользователя, который может выбрать наиболее подходящее решения на основе анализа конкретной ситуации. Подходит для длительных задач личного характера.
• Предотвращение нарушений, но без аварийной остановки кода-нарушителя, а возвратом значения ошибки, то есть преобразования ошибки кода в специальное значение, например, ошибку ввода. Подходит для повышения устойчивости кода, менее критичного к последствиям ошибок кода, и в тех подзадачах, где допустимо некоторое значение по умолчанию.
• Отсутствие специальной реакции, как и необходимости обеспечения детерминированности. Такая возможность — это лишь признание сложности диагностики некоторых ошибок, например, зацикливания, но без требования отказа от их диагностики. Применимо не только к простым трансляторам, но и тем, что работают в связке с системами доказательства правильности, позволяющих, как минимум, доказать отсутствие в коде возможности достижения ошибочного состояния.

Сноски

[0] Не исключено, что неудачно выбранное название и привело к тому, что большинство разработчиков понимают эту тему неточно в той или иной степени.
[1] Противодействие закону Хирума. Именно этот закон приводит многих разработчиков к ошибочному выводу о том, что ошибочное состояние/неопределённое поведение является причиной дополнительных ошибок, ведь у них раньше работало.