防御式编程之断言assert的使用

时间：2022-11-23 11:26:15

防御式编程的重点就是需要防御一些程序未曾预料的错误，这是一种提高软件质量的辅助性方法，断言assert就用于防御式编程，编写代码时，我们总是会做出一些假设，断言就是用于在代码中捕捉这些假设。使用断言是为了验证预期的结果——当程序执行到断言的位置时，对应的断言应该为真；若断言不为真时，程序会终止执行，并给出错误信息。可以在任何时候启用和禁用断言验证，因此可以在程序调试时启用断言而在程序发布时禁用断言。同样，程序投入运行后，最终用户在遇到问题时可以重新启用断言。


1、原型函数

在大部分编译器下，assert() 是一个宏；在少数的编译器下，assert() 就是一个函数。我们不需要关心这些差异，可以只把 assert()当作函数使用即可。即：

void assert(int expression);

在程序运行时它会计算括号内的表达式，如果 expression为非0说明其值为真，assert()不执行任何动作，程序继续执行后面的语句；如果 expression为0说明其值为假，assert()将会报告错误，并终止程序的执行，值得了解的是，程序终止是调用abort()函数，这个函数功能就是终止程序执行，直接从调用的地方跳出，abort()函数也是标准库函数，在<stdlib.h>中定义。因此assert()用来判断程序中是否出现了明显非法的逻辑，如果出现了就终止程序以免导致严重后果，同时也便于查找错误。


2、详细释义

assert() 在c标准库中的<assert.h>中被定义。下面就看下在assert.h中的定义：

#ifdef NDEBUG
#define assert(e) ((void)0)
#else
#define assert(e)  ((void) ((e) ? ((void)0) : __assert (#e, __FILE__, __LINE__)))
#endif

可以看到在定义了NDEBUG时，assert()无效，只有在未定义NDEBUG时，assert()才实现具体的函数功能。NDEBUG是“No Debug”的意思，也即“非调试”。程序一般分为Debug版本和Release版本，Debug版本是程序员在测试代码期间使用的编译版本，Release版本是将程序提供给用户时使用的发布版本，一般来说断言assert()是仅在Debug版本起作用的宏。在发布版本时，我们不应该再依赖assert()宏，因为程序一旦出错，assert()会抛出一段用户看不懂的提示信息，并毫无预警地终止程序执行，这样会严重影响软件的用户体验，所以在发布模式下应该让assert()失效，另外在程序中频繁的调用assert()会影响程序的性能，增加额外的开销。因此可以在<assert.h>中定义NDEBUG宏，将assert()功能关闭。

#define NDEBUG  //定义NDEBUG  
#ifdef NDEBUG
#define assert(e) ((void)0)
#else
#define assert(e) ((void) ((e) ? ((void)0) : __assert (#e, __FILE__, __LINE__)))
#endif
  • 定义NDBUG时：

当定义了NDEBUG之后，assert()执行的具体函数就变成了 ((void)0)，这表示啥也不干了，宏里面这样用的目的是防止该宏被用作右值，因为void类型不能用作右值。所以当在头文件中定义了NDEBUG之后，assert()的检测功能就自动失效了。

  • 未定义NDBUG时：

可以看到assert()执行实际上是通过三目运算符来判断表达式e的真假，执行相应的处理。当表达式e为真时，执行(void)0，即什么也不执行，程序继续运行；当表达式e为假时，那么它会打印出来assert的内容、当前的文件名、当前行号，接着终止程序执行。


3、用法举例

在未定义NDBUG时，assert()功能生效的情况下，来看一个简单的assert()使用的例子：

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
void main()
{
int i = 8;
assert(i > 0);
printf("i = %d\n", i);
i = -8;
assert(i > 0);
printf("i = %d\n", i);
}

可以看出在程序中使用assert(i > 0)来判断；当 i > 0 时，assert的判断表达式为真，assert不生效；当 i < 0 时，assert的判断表达式为假，assert生效。

在程序第5行 i = 8，执行完assert后，程序将执行后续的printf打印出 i 的值；而在第8行 i = -8，执行完assert后，程序终止，不会执行后续的printf。


4、使用注意事项

使用assert的核心原则是：用于处理绝不应该发生的情况，这就是为什么应该在程序Debug版本中使用，这是为了将主观上不应该发生的错误在程序Debug版本中就应该解决掉，从而在程序Release版本时不会产生这种不应该发生的类型的错误。

  • 和if的区别

assert用函数来判断是否满足表达式条件后终止程序，在Debug版本中用assert来判断程序的合法性，定位不允许发生的错误，那么什么是不应该发生的错误，例如像下面这种除0操作，主观上就不应该发生，就是就要在Debug版本中检查排除掉这种错误，以免影响后续程序的执行。

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
void fun(int a, int b)
{
assert(b != 0);
int i = a / b;
}

if是一个关键字，一般用于根据条件来判断逻辑的正确性，即是否根据条件对应执行，Debug和Release版本中都可以使用，例如下面用if的时候，就允许这些判断条件是正常发生的，是合理的，需要根据发生的条件执行对应的逻辑，程序可以往下执行。

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
void fun(int a, int b)
{
if(a > 0)
       ...
else if(a < 0)
       ...
else
       ...
}

因此在使用前，可以先判断下，如果逻辑不允许发生，那么就使用assert在Debug阶段将问题解决掉；如果逻辑允许的，那么就使用if，当然也可以用if判断后进行条件的return操作，来杜绝不允许逻辑，本质是防止错误的逻辑影响后续程序的执行。例如上述的用来判断除0操作的例子也可以用if：

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
void fun(int a, int b)
{
if(0 == b)
return;
int i = a / b;
}
  • 用于判断函数的入参

一般assert可以用于判断函数入参的合法性，比如入参值是否符合，指针是否为空：

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
void fun1(int a)
{
assert(a > 0);
    ...
}
void fun2(int *p)
{
assert(p != NULL);
    ...
}
  • 不要使用影响正常逻辑的判断条件语句

assert的判断条件语句一定是确定的，在Debug版本中使用的排除掉错误的条件逻辑，不要影响到Release版本时的正常逻辑。例如下面的例子，在Debug版本时，i++到>=100时，assert生效，程序终止；但是到了Release版本，由于要增加NDEBUG宏，assert()无效。assert(i++ < 100)就变成了空操作(void)0；由于没有i++语句执行，那么while成了死循环。

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
void main()
{
int i = 0;
while(i <= 110)
    {
assert(i++ < 100);
printf("i = %d\n",i);
    }
}
  • 不要用多个判断条件语句

一般一个assert只用一个判断语句来实现，如果在一个assert中使用多条判断语句，当错误发生时，会不知道是哪个条件语句出现错误，错误表现的就不直观。

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
void fun1(int a, int b) //错误使用
{
assert(a > 0 && b > 5);
    ...
}
void fun2(int a, int b) //正确使用
{
assert(a > 0);
assert(b > 5);
    ...
}

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