【干貨分享】嵌入式C編程之錯(cuò)誤處理（附代碼例子）

時(shí)間：2021-07-13 00:59:37

關(guān)鍵字：嵌入式 C編程錯(cuò)誤處理

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[導(dǎo)讀]本文主要總結(jié)嵌入式系統(tǒng)C語言編程中，主要的錯(cuò)誤處理方式。

前言

本文主要總結(jié)嵌入式系統(tǒng)C語言編程中，主要的錯(cuò)誤處理方式。文中涉及的代碼運(yùn)行環(huán)境如下：

一、錯(cuò)誤概念

1.1 錯(cuò)誤分類

從嚴(yán)重性而言，程序錯(cuò)誤可分為致命性和非致命性兩類。對(duì)于致命性錯(cuò)誤，無法執(zhí)行恢復(fù)動(dòng)作，最多只能在用戶屏幕上打印出錯(cuò)消息或?qū)⑵鋵懭肴罩疚募缓蠼K止程序；而對(duì)于非致命性錯(cuò)誤，多數(shù)本質(zhì)上是暫時(shí)的(如資源短缺)，一般恢復(fù)動(dòng)作是延遲一些時(shí)間后再次嘗試。
從交互性而言，程序錯(cuò)誤可分為用戶錯(cuò)誤和內(nèi)部錯(cuò)誤兩類。用戶錯(cuò)誤呈現(xiàn)給用戶，通常指明用戶操作上的錯(cuò)誤；而程序內(nèi)部錯(cuò)誤呈現(xiàn)給程序員(可能攜帶用戶不可接觸的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié))，用于查錯(cuò)和排障。
應(yīng)用程序開發(fā)者可決定恢復(fù)哪些錯(cuò)誤以及如何恢復(fù)。例如，若磁盤已滿，可考慮刪除非必需或已過期的數(shù)據(jù)；若網(wǎng)絡(luò)連接失敗，可考慮短時(shí)間延遲后重建連接。選擇合理的錯(cuò)誤恢復(fù)策略，可避免應(yīng)用程序的異常終止，從而改善其健壯性。

1.2 處理步驟

錯(cuò)誤處理即處理程序運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的任何意外或異常情況。典型的錯(cuò)誤處理包含五個(gè)步驟：

程序執(zhí)行時(shí)發(fā)生軟件錯(cuò)誤。該錯(cuò)誤可能產(chǎn)生于被底層驅(qū)動(dòng)或內(nèi)核映射為軟件錯(cuò)誤的硬件響應(yīng)事件(如除零)。
以一個(gè)錯(cuò)誤指示符(如整數(shù)或結(jié)構(gòu)體)記錄錯(cuò)誤的原因及相關(guān)信息。
程序檢測(cè)該錯(cuò)誤(讀取錯(cuò)誤指示符，或由其主動(dòng)上報(bào)）；
程序決定如何處理錯(cuò)誤(忽略、部分處理或完全處理)；
恢復(fù)或終止程序的執(zhí)行。

上述步驟用C語言代碼表述如下：
int func()
{
int bIsErrOccur = 0;
//do something that might invoke errors
if(bIsErrOccur) //Stage 1: error occurred
return -1; //Stage 2: generate error indicator
//...
return 0;
}

int main(void)
{
if(func() != 0) //Stage 3: detect error
{
//Stage 4: handle error
}
//Stage 5: recover or abort
return 0;
}
調(diào)用者可能希望函數(shù)返回成功時(shí)表示完全成功，失敗時(shí)程序恢復(fù)到調(diào)用前的狀態(tài)(但被調(diào)函數(shù)很難保證這點(diǎn))。
二、錯(cuò)誤傳遞

2.1 返回值和回傳參數(shù)

C語言通常使用返回值來標(biāo)志函數(shù)是否執(zhí)行成功，調(diào)用者通過if等語句檢查該返回值以判斷函數(shù)執(zhí)行情況。常見的幾種調(diào)用形式如下：

if((p = malloc(100)) == NULL)
//...

if((c = getchar()) == EOF)
//...

if((ticks = clock()) < 0)
//...
Unix系統(tǒng)調(diào)用級(jí)函數(shù)(和一些老的Posix函數(shù))的返回值有時(shí)既包括錯(cuò)誤代碼也包括有用結(jié)果。因此，上述調(diào)用形式可在同一條語句中接收返回值并檢查錯(cuò)誤(當(dāng)執(zhí)行成功時(shí)返回合法的數(shù)據(jù)值)。
返回值方式的好處是簡便和高效，但仍存在較多問題：

代碼可讀性降低

沒有返回值的函數(shù)是不可靠的。但若每個(gè)函數(shù)都具有返回值，為保持程序健壯性，就必須對(duì)每個(gè)函數(shù)進(jìn)行正確性驗(yàn)證，即調(diào)用時(shí)檢查其返回值。這樣，代碼中很大一部分可能花費(fèi)在錯(cuò)誤處理上，且排錯(cuò)代碼和正常流程代碼攪在一起，比較混亂。

質(zhì)量降級(jí)

條件語句相比其他類型的語句潛藏更多的錯(cuò)誤。不必要的條件語句會(huì)增加排障和白盒測(cè)試的工作量。

信息有限

通過返回值只能返回一個(gè)值，因此一般只能簡單地標(biāo)志成功或失敗，而無法作為獲知具體錯(cuò)誤信息的手段。通過按位編碼可變通地返回多個(gè)值，但并不常用。字符串處理函數(shù)可參考IntToAscii()來返回具體的錯(cuò)誤原因，并支持鏈?zhǔn)奖磉_(dá)：
char *IntToAscii(int dwVal, char *pszRes, int dwRadix)
{
if(NULL == pszRes)
return "Arg2Null";

if((dwRadix < 2) || (dwRadix > 36))
return "Arg3OutOfRange";

//...
return pszRes;
}

定義沖突

不同函數(shù)在成功和失敗時(shí)返回值的取值規(guī)則可能不同。例如，Unix系統(tǒng)調(diào)用級(jí)函數(shù)返回0代表成功，-1代表失??；新的Posix函數(shù)返回0代表成功，非0代表失??；標(biāo)準(zhǔn)C庫中isxxx函數(shù)返回1表示成功，0表示失敗。

無約束性

調(diào)用者可以忽略和丟棄返回值。未檢查和處理返回值時(shí)，程序仍然能夠運(yùn)行，但結(jié)果不可預(yù)知。
新的Posix函數(shù)返回值只攜帶狀態(tài)和異常信息，并通過參數(shù)列表中的指針回傳有用的結(jié)果?；貍鲄?shù)綁定到相應(yīng)的實(shí)參上，因此調(diào)用者不可能完全忽略它們。通過回傳參數(shù)(如結(jié)構(gòu)體指針)可返回多個(gè)值，也可攜帶更多的信息。
綜合返回值和回傳參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)Get類函數(shù)采用返回值(含有用結(jié)果)方式，而對(duì)Set類函數(shù)采用返回值回傳參數(shù)方式。對(duì)于純粹的返回值，可按需提供如下解析接口：
typedef enum{
S_OK, //成功
S_ERROR, //失敗(原因未明確)，通用狀態(tài)
S_NULL_POINTER, //入?yún)⒅羔槥镹ULL
S_ILLEGAL_PARAM, //參數(shù)值非法，通用
S_OUT_OF_RANGE, //參數(shù)值越限
S_MAX_STATUS //不可作為返回值狀態(tài)，僅作枚舉最值使用
}FUNC_STATUS;

#define RC_NAME(eRetCode) \
((eRetCode) == S_OK                   ? "Success" : \
((eRetCode) == S_ERROR                ? "Failure" : \
((eRetCode) == S_NULL_POINTER         ? "NullPointer" : \
((eRetCode) == S_ILLEGAL_PARAM        ? "IllegalParas" : \
((eRetCode) == S_OUT_OF_RANGE         ? "OutOfRange" : \
"Unknown")))))
當(dāng)返回值錯(cuò)誤碼來自下游模塊時(shí)，可能與本模塊錯(cuò)誤碼沖突。此時(shí)，建議不要將下游錯(cuò)誤碼直接向上傳遞，以免引起混亂。若允許向終端或文件輸出錯(cuò)誤信息，則可詳細(xì)記錄出錯(cuò)現(xiàn)場(chǎng)(如函數(shù)名、錯(cuò)誤描述、參數(shù)取值等)，并轉(zhuǎn)換為本模塊定義的錯(cuò)誤碼再向上傳遞。

2.2 全局狀態(tài)標(biāo)志(errno)

Unix系統(tǒng)調(diào)用或某些C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)出錯(cuò)時(shí)，通常返回一個(gè)負(fù)值，并設(shè)置全局整型變量errno為一個(gè)含有錯(cuò)誤信息的值。例如，open函數(shù)出錯(cuò)時(shí)返回-1，并設(shè)置errno為EACESS(權(quán)限不足)等值。

C標(biāo)準(zhǔn)庫頭文件中定義errno及其可能的非零常量取值(以字符'E'開頭)。在ANSI C中已定義一些基本的errno常量，操作系統(tǒng)也會(huì)擴(kuò)展一部分(但其對(duì)錯(cuò)誤描述仍顯匱乏)。
Linux系統(tǒng)中，出錯(cuò)常量在errno(3)手冊(cè)頁中列出，可通過man 3 errno命令查看。除EAGAIN和EWOULDBLOCK取值相同外，POSIX.1指定的所有出錯(cuò)編號(hào)取值均不同。
Posix和ISO C將errno定義為一個(gè)可修改的整型左值(lvalue)，可以是包含出錯(cuò)編號(hào)的一個(gè)整數(shù)，或是一個(gè)返回出錯(cuò)編號(hào)指針的函數(shù)。以前使用的定義為：
extern int errno;
但在多線程環(huán)境中，多個(gè)線程共享進(jìn)程地址空間，每個(gè)線程都有屬于自己的局部errno(thread-local)以避免一個(gè)線程干擾另一個(gè)線程。例如，Linux支持多線程存取errno，將其定義為：
extern int *__errno_location(void);
#define errno (*__errno_location())
函數(shù)__errno_location在不同的庫版本下有不同的定義，在單線程版本中，直接返回全局變量errno的地址；而在多線程版本中，不同線程調(diào)用__errno_location返回的地址則各不相同。
C運(yùn)行庫中主要在math.h(數(shù)學(xué)運(yùn)算)和stdio.h(I/O操作)頭文件聲明的函數(shù)中使用errno。
使用errno時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

函數(shù)返回成功時(shí)，允許其修改errno。

例如，調(diào)用fopen函數(shù)新建文件時(shí)，內(nèi)部可能會(huì)調(diào)用其他庫函數(shù)檢測(cè)是否存在同名文件。而用于檢測(cè)文件的庫函數(shù)在文件不存在時(shí)，可能會(huì)失敗并設(shè)置errno。這樣， fopen函數(shù)每次新建一個(gè)事先并不存在的文件時(shí)，即使沒有任何程序錯(cuò)誤發(fā)生(fopen本身成功返回)，errno也仍然可能被設(shè)置。
因此，調(diào)用庫函數(shù)時(shí)應(yīng)先檢測(cè)作為錯(cuò)誤指示的返回值。僅當(dāng)函數(shù)返回值指明出錯(cuò)時(shí)，才檢查errno值：
//調(diào)用庫函數(shù)
if(返回錯(cuò)誤值)
//檢查errno

庫函數(shù)返回失敗時(shí)，不一定會(huì)設(shè)置errno，取決于具體的庫函數(shù)。
errno在程序開始時(shí)設(shè)置為0，任何庫函數(shù)都不會(huì)將errno再次清零。

因此，在調(diào)用可能設(shè)置errno的運(yùn)行庫函數(shù)之前，最好先將errno設(shè)置為0。調(diào)用失敗后再檢查errno的值。

使用errno前，應(yīng)避免調(diào)用其他可能設(shè)置errno的庫函數(shù)。如：

if (somecall() == -1)
{
printf("somecall() failed\n");
if(errno == ...) { ... }
}
somecall()函數(shù)出錯(cuò)返回時(shí)設(shè)置errno。但當(dāng)檢查errno時(shí)，其值可能已被printf()函數(shù)改變。若要正確使用somecall()函數(shù)設(shè)置的errno，須在調(diào)用printf()函數(shù)前保存其值：
if (somecall() == -1)
{
int dwErrSaved = errno;
printf("somecall() failed\n");
if(dwErrSaved == ...) { ... }
}
類似地，當(dāng)在信號(hào)處理程序中調(diào)用可重入函數(shù)時(shí)，應(yīng)在其前保存其后恢復(fù)errno值。

使用現(xiàn)代版本的C庫時(shí)，應(yīng)包含使用頭文件；在非常老的Unix 系統(tǒng)中，可能沒有該頭文件，此時(shí)可手工聲明errno(如extern int errno)。

C標(biāo)準(zhǔn)定義strerror和perror兩個(gè)函數(shù)，以幫助打印錯(cuò)誤信息。
#include
char *strerror(int errnum);
該函數(shù)將errnum(即errno值)映射為一個(gè)出錯(cuò)信息字符串，并返回指向該字符串的指針。可將出錯(cuò)字符串和其它信息組合輸出到用戶界面，或保存到日志文件中，如通過fprintf(fp, "somecall failed(%s)", strerror(errno))將錯(cuò)誤消息打印到fp指向的文件中。
perror函數(shù)將當(dāng)前errno對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤消息的字符串輸出到標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤(即stderr或2)上。
#include
void perror(const char *msg);
該函數(shù)首先輸出由msg指向的字符串(用戶自己定義的信息)，后面緊跟一個(gè)冒號(hào)和空格，然后是當(dāng)前errno值對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤類型描述，最后是一個(gè)換行符。未使用重定向時(shí)，該函數(shù)輸出到控制臺(tái)上；若將標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出重定向到/dev/null，則看不到任何輸出。
注意，perror()函數(shù)中errno對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤消息集合與strerror()相同。但后者可提供更多定位信息和輸出方式。
兩個(gè)函數(shù)的用法示例如下：
int main(int argc, char** argv)
{
errno = 0;
FILE *pFile = fopen(argv[1], "r");
if(NULL == pFile)
{
printf("Cannot open file '%s'(%s)!\n", argv[1], strerror(errno));
perror("Open file failed");
}
else
{
printf("Open file '%s'(%s)!\n", argv[1], strerror(errno));
perror("Open file");
fclose(pFile);
}
return 0;
}
執(zhí)行結(jié)果為：
[wangxiaoyuan_@localhost test1]$ ./GlbErr /sdb1/wangxiaoyuan/linux_test/test1/test.c
Open file '/sdb1/wangxiaoyuan/linux_test/test1/test.c'(Success)!
Open file: Success
[wangxiaoyuan_@localhost test1]$ ./GlbErr NonexistentFile.h
Cannot open file 'NonexistentFile.h'(No such file or directory)!
Open file failed: No such file or directory
[wangxiaoyuan_@localhost test1]$ ./GlbErr NonexistentFile.h > test
Open file failed: No such file or directory
[wangxiaoyuan_@localhost test1]$ ./GlbErr NonexistentFile.h 2> test
Cannot open file 'NonexistentFile.h'(No such file or directory)!
也可仿照errno的定義和處理，定制自己的錯(cuò)誤代碼：
int *_fpErrNo(void)
{
static int dwLocalErrNo = 0;
return