22 断言与错误处理

22.1 完整概念讲解

assert宏

assert是调试期的条件检测宏，在条件为假时终止程序并打印错误信息。

特点：

仅在调试模式（NDEBUG未定义）生效
Release编译通常禁用（定义NDEBUG）
用于检测程序员的逻辑错误，而非运行时错误

_Static_assert（C11）

编译期断言，在编译时检查条件，不满足则编译失败。

用途：

检查结构体大小
验证常量值
确保类型满足特定条件

errno

全局错误变量，标准库函数在出错时设置。

常用函数：

perror()：打印错误信息到stderr
strerror()：将错误码转换为字符串

错误码设计模式

常见模式：

返回0表示成功，负数表示错误
返回指针，NULL表示错误
输出参数+返回值（0成功，非0错误码）

嵌入式错误处理策略

优先使用确定性错误处理，避免异常
关键错误需要重启或看门狗
资源受限时考虑简化的错误恢复

22.2 核心API/语法

#include <assert.h>

// 断言宏
assert(expression);  // 表达式为假时终止

// 编译期断言（C11）
_Static_assert(constant-expression, "message");

#include <errno.h>

// 错误变量
extern int errno;

// 错误信息函数
void perror(const char *s);
char *strerror(int errnum);

// 返回错误码示例
int func(void) {
    // 成功
    return 0;

    // 失败
    errno = EINVAL;
    return -1;
}

22.3 代码示例（完整可编译，附gcc命令）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <errno.h>

// 编译期断言（C11）
_Static_assert(sizeof(int) == 4, "int must be 4 bytes");
_Static_assert(sizeof(long) >= 4, "long must be at least 4 bytes");

// 错误码定义
#define ERR_SUCCESS     0
#define ERR_INVALID    -1
#define ERR_NO_MEMORY  -2
#define ERR_NOT_FOUND  -3

// 使用assert验证前置条件
int divide(int a, int b) {
    assert(b != 0);  // 调试期检查除数不为零
    return a / b;
}

// 错误码模式示例
int find_element(int arr[], int size, int target, int *index) {
    if (arr == NULL || index == NULL) {
        return ERR_INVALID;
    }

    for (int i = 0; i < size; i++) {
        if (arr[i] == target) {
            *index = i;
            return ERR_SUCCESS;
        }
    }

    return ERR_NOT_FOUND;
}

// 错误恢复示例
int safe_divide(int a, int b, int *result) {
    if (result == NULL) {
        errno = EINVAL;
        return ERR_INVALID;
    }

    if (b == 0) {
        errno = EDOM;
        return ERR_INVALID;
    }

    *result = a / b;
    return ERR_SUCCESS;
}

void demonstrate_assert(void) {
    printf("=== assert示例 ===\n");

    int x = 10;
    assert(x > 0);  // 通过
    printf("assert(x > 0) passed\n");

    // assert(x < 0);  // 会失败并终止程序

    printf("divide(10, 2) = %d\n", divide(10, 2));
}

void demonstrate_errno(void) {
    printf("\n=== errno示例 ===\n");

    FILE *fp = fopen("nonexistent.txt", "r");
    if (fp == NULL) {
        printf("fopen failed\n");
        printf("errno = %d\n", errno);
        perror("perror message");
        printf("strerror(errno) = %s\n", strerror(errno));
    }
}

void demonstrate_error_code(void) {
    printf("\n=== 错误码模式 ===\n");

    int arr[] = {10, 20, 30, 40, 50};
    int size = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    int index;
    int result;

    // 成功情况
    result = find_element(arr, size, 30, &index);
    if (result == ERR_SUCCESS) {
        printf("Found 30 at index %d\n", index);
    }

    // 未找到情况
    result = find_element(arr, size, 99, &index);
    if (result == ERR_NOT_FOUND) {
        printf("99 not found in array\n");
    }

    // 无效参数情况
    result = find_element(NULL, size, 30, &index);
    if (result == ERR_INVALID) {
        printf("Invalid parameter detected\n");
        perror("find_element");
    }
}

void demonstrate_error_recovery(void) {
    printf("\n=== 错误恢复 ===\n");

    int result;
    int ret;

    // 正常情况
    ret = safe_divide(10, 2, &result);
    if (ret == ERR_SUCCESS) {
        printf("10 / 2 = %d\n", result);
    }

    // 错误情况
    ret = safe_divide(10, 0, &result);
    if (ret != ERR_SUCCESS) {
        printf("Division by zero detected\n");
        printf("Error: %s\n", strerror(errno));
    }
}

int main() {
    demonstrate_assert();
    demonstrate_errno();
    demonstrate_error_code();
    demonstrate_error_recovery();

    return 0;
}

编译命令：

# 调试版本（assert生效）
gcc -Wall -Wextra -o assert_demo assert_demo.c
./assert_demo

# Release版本（assert禁用）
gcc -Wall -Wextra -DNDEBUG -o assert_demo_release assert_demo.c
./assert_demo_release

22.4 注意事项与易错点

assert是宏不是函数：参数可能被执行多次，不要有副作用
assert在Release中失效：不要用assert进行运行时错误检查
errno不是线程安全的：某些实现中errno是宏，多线程需使用线程安全版本
assert参数中的副作用：assert(func++)在Release中func不会递增
检查返回值：标准库函数失败时设置errno，应立即检查

22.5 面试要点（3-5个Q&A）

Q1: assert和错误码有什么区别？ A: assert检测程序员的逻辑错误，调试期使用，Release禁用。错误码检测运行时错误（如文件不存在、内存不足），生产环境必须处理。

Q2: 什么时候用assert，什么时候用错误码？ A: assert用于验证不变量和前置条件（如参数非空、数组索引有效）。错误码用于可预期的运行时错误（如文件打开失败、网络超时）。

Q3: 为什么说assert参数不能有副作用？ A: Release版本中assert被移除，参数表达式不执行。如assert(func++)在Release中func不会递增，导致程序行为不一致。

Q4: errno有什么局限性？ A: errno只在函数失败时有效，成功时不会清零。多线程环境下某些实现errno是宏保证线程安全，但标准不保证。

Q5: 嵌入式系统中如何处理致命错误？ A: 根据严重程度：1) 记录日志并继续 2) 重置模块 3) 触发看门狗重启 4) 进入安全状态。关键系统需要冗余设计和故障恢复机制。

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