【C++】—— 异常处理

起飞的风筝2023-08-30 8:38

前言：

  • 本期，我将给大家讲解的是有关 异常处理 的相关知识！

目录

（一）C语言传统的处理错误的方式

（二）C++异常概念

（三）异常的使用

1、异常的抛出和捕获

[1️⃣ 异常的抛出和匹配原则](#1️⃣ 异常的抛出和匹配原则)

[2️⃣ 在函数调用链中异常栈展开匹配原则](#2️⃣ 在函数调用链中异常栈展开匹配原则)

2、异常的重新抛出

3、异常安全

4、异常规范

（四）C++标准库的异常体系

（五）异常的优缺点

总结

（一）C语言传统的处理错误的方式

首先，我们回顾一下C语言处理异常的相关方式：

  • 终止程序，如assert，缺陷：用户难以接受。如发生内存错误，除0错误时就会终止程序。

下面是使用宏进行异常处理的简单代码描述：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <assert.h>


int divide(int num1, int num2) 
{
    assert(num2 != 0);  // 断言num2不等于0

    return num1 / num2;
}

int main() 
{
    int result = divide(10, 0);
    // 如果编译时定义了NDEBUG宏，assert会被禁用，否则会触发异常并终止程序执行

    return 0;
}

【解释说明】

1、在上述代码中，函数用于实现两个整数的除法运算。通过在函数内使用宏，可以进行条件判断，确保除数不为零。如果为零，会触发异常，终止程序的执行。

2、在函数中，调用函数并传递除数为0的情况。如果编译时未定义宏（即未启用调试模式），会触发异常并终止程序执行。如果定义了宏，则会被禁用，不会触发异常，程序会继续执行后续的代码。

【输出展示】

  • 返回错误码，缺陷：需要程序员自己去查找对应的错误。如系统的很多库的接口函数都是通过把错误码放到errno中，表示错误

下面是使用返回错误码的方式处理异常的示例代码：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
int divide(int num1, int num2, int* res)
{
    if (num2 == 0) 
    {
        return -1; // 返回错误码 -1 表示除数为零的异常情况
    }

    *res = num1 / num2;
    return 0; // 返回 0 表示成功
}

int main() 
{
    int num1 = 10, num2 = 0, res;
    int num = divide(num1, num2, &res);

    if (num != 0)
    {
        printf("Error: Divide by zero\n");
        // 处理错误的逻辑
    }
    else 
    {
        printf("Result: %d\n", res);
        // 处理正常情况的逻辑
    }

    return 0;
}

【解释说明】

  1. 在函数中，调用函数并传递除数为0的情况。函数返回的错误码被存储在变量中，通过判断的值，可以确定是正常情况还是异常情况。如果不等于0，则表示发生了异常，可以根据具体情况进行错误处理。
  2. 如果返回的错误码为0，表示除法运算成功，可以通过变量获得计算结果，执行相应的正常处理逻辑。

【输出展示】

实际中C语言基本都是使用返回错误码的方式处理错误，部分情况下使用终止程序处理非常严重的错误。

（二）C++异常概念

在C++中，异常（Exception）是一种用于处理程序运行时错误的机制。异常提供了一种跳出正常程序流程的方式，将错误信息传递到适当的处理程序进行处理。

以下是关于C++异常的一些概念：

  1. 异常抛出：当发生异常情况时，可以使用throw 语句将异常抛出。throw语句通常包含一个异常对象，该对象可以是基本类型、类对象或指针；

  2. 异常捕获：异常被抛出后，程序可以使用try-catch语句块来捕获并处理异常。try 块包含可能发生异常的代码，而catch块用于捕获和处理异常；

  3. 异常处理程序：catch 块是用于处理异常的代码块。在catch 块中，可以根据抛出的异常类型来执行相应的处理逻辑。可以有多个 catch块，按照顺序逐个匹配异常类型并执行匹配的处理逻辑。

如果有一个块抛出一个异常，捕获异常的方法会使用 try 和 catch 关键字。try 块中放置可能抛

出异常的代码，try 块中的代码被称为保护代码。

  • 使用 try/catch 语句的语法如下所示：
cpp 复制代码 
try
{
    // 保护的标识代码
}catch( ExceptionName e1 )
{
    // catch 块
}catch( ExceptionName e2 )
{
    // catch 块
}catch( ExceptionName eN )
{
    // catch 块
}

【小结】

  1. 通过合理使用异常处理机制，在程序中对错误进行捕获和处理，可以增加程序的健壮性和可维护性；
  2. 合适的异常处理可以使代码更清晰、可读性更好，并且可以更好地处理异常情况，提高程序的容错能力。

（三）异常的使用

1、异常的抛出和捕获

在C++中，异常的抛出和匹配原则遵循以下几个基本原则：

1️⃣ 异常的抛出和匹配原则

  1. 异常抛出：

    • 当程序发生异常情况时，可以使用**throw**语句将异常抛出。
    • **throw**语句通常包含一个异常对象，该对象可以是基本类型、类对象或指针。

  2. 异常匹配：

    • 异常的匹配是指根据抛出的异常类型来选择处理该异常的**catch**块。
    • C++的异常处理机制会按照顺序匹配**try** 块中**catch** 块的类型，找到能处理该异常类型的**catch**块。

  3. 异常类型匹配和继承关系：

    • C++允许异常类型形成继承关系，即派生类的异常对象可以被基类的**catch**块捕获。
    • 如果异常类型存在继承关系，派生类的**catch** 块应该放在基类的**catch** 块之前；否则，派生类的**catch**块将无法执行。

  4. 最匹配的异常处理：

    • C++异常处理机制会选择最匹配的**catch**块来处理抛出的异常。
    • 最匹配的**catch** 块是指能够处理抛出的异常类型或其基类类型的catch块，即异常类型匹配的最接近情况。

  5. 异常未匹配的处理：

    • 如果在**try** 块中抛出了异常，但没有找到匹配的**catch**块处理该异常，异常将传递到更高层的调用栈。
    • 如果异常一直没有被匹配的**catch**块处理，最终导致程序终止执行，并可能输出异常信息。

【注意事项】

  1. 异常的抛出和匹配原则是按照顺序匹配**catch** 块来选择处理异常，因此在**catch**块的顺序布置上要谨慎；
  2. 通常，应从具体的异常类型开始，然后再向基类类型进行匹配，以确保异常可以被正确处理并执行相应的异常处理逻辑。

2️⃣ 在函数调用链中异常栈展开匹配原则

在函数调用链中，异常栈展开匹配原则主要指定了如何匹配异常类型并选择正确的异常处理代码。当异常发生时，C++运行时系统会从当前执行的函数开始，逐级检查调用栈中的函数调用，以查找与抛出的异常类型匹配的catch块。

以下是异常栈展开和匹配的原则：

  • 检查当前函数的**try**块：

    • 如果当前函数包含**try** 块，运行时系统将查找匹配的**catch**块。

  • 检查当前函数的catch块：

    • 如果当前函数包含与抛出的异常类型匹配的catch块，那么该catch块将被执行。
    • 如果找到多个匹配的catch块，将选择最接近的（最近的）catch块来处理异常。

  • 如果当前函数没有匹配的catch块：

    • 异常栈展开到上一级调用函数。
    • 重复步骤 1 和步骤 2，直到找到匹配的catch块或达到调用栈的最顶层。

  • 如果在整个调用栈中没有找到匹配的**catch**块：

    • 程序的执行将终止，并调用标准库函数terminate()来终止程序。

关于异常栈展开和匹配的重要注意事项：

  • 异常匹配时按照栈展开的顺序进行，而不是抛出异常的顺序。
  • 派生类的异常对象可以被基类的**catch** 块捕获，因此在派生类的**catch** 块之前应放置基类的catch块。
  • 如果在某个函数中抛出的异常没有匹配的**catch** 块处理，异常会一直沿着调用栈向上传递，直到找到匹配的**catch**块或终止程序。
  • 异常的栈展开会跨越函数和线程边界，因此在多线程程序中也适用这些匹配原则。

例如以下示例：

接下来通过代码来具体的理解：

cpp 复制代码 
double Division(int a, int b) 
{
    if (b == 0)
        throw "Division by zero condition!";
    else
        return ((double)a / (double)b);
}

void Func() 
{
    int len, time;
   cin >> len >> time;
   cout << Division(len, time) << endl;
}

int main() 
{
    try {
        Func();
    }
    catch (const char* errmsg) {
        cout << errmsg << endl;
    }
    catch (...) {
        cout << "unknown exception" << endl;
    }

    return 0;
}

输出展示：

【解释说明】

  1. 通过异常处理机制来捕获并处理可能出现的除以零异常。当除以零发生时，会抛出一个字符串常量异常，并被catch (const char* errmsg)块捕获；
  2. 如果出现其他类型的异常，则被catch (...)块捕获并执行相应的处理逻辑。

2、异常的重新抛出

在C++中，异常的重新抛出允许在**catch** 块内部对捕获的异常进行处理并将其重新抛出，以便让更高层的异常处理代码进一步处理该异常。可以使用**throw**语句将异常重新抛出。

以下是一个使用异常重新抛出的示例代码：

cpp 复制代码 
double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Division by zero condition!";
	}
	return (double)a / (double)b;
}
void Func()
{
	// 这里可以看到如果发生除0错误抛出异常，另外下面的array没有得到释放。
	// 所以这里捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外面处理，这里捕获了再
	// 重新抛出去。
	int* array = new int[10];
	try {
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "delete []" << array << endl;
		delete[] array;
		throw;
	}
	// ...
	cout << "delete []" << array << endl;
	delete[] array;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	return 0;
}

【解释说明】

  1. 在**Func** 函数中，如果除以零的异常发生，异常将被捕获，并输出删除**array** 的信息。然后，array 会被释放（使用delete[]），并使用throw语句重新抛出异常。这样，异常会传递到更高层级的代码中。
  2. 在main函数中，异常被最外层的**catch**块捕获，并输出异常信息。
  3. 通过在**Func** 函数中重新抛出异常，并在捕获异常之前及其后释放**array**，可以确保在异常传递给更高层级之前，已经释放了相关的资源。

【小结】

通过异常的重新抛出，可以在异常被捕获的地方对异常进行适当处理，并在更高层级的代码中继续处理相同的异常或进行其他操作。这种机制提供了灵活性和错误的向上传递。

3、异常安全

  • 构造函数完成对象的构造和初始化，最好不要在构造函数中抛出异常，否则可能导致对象不完整或没有完全初始化
  • 析构函数主要完成资源的清理，最好不要在析构函数内抛出异常，否则可能导致资源泄漏(内存泄漏、句柄未关闭等)
  • C++中异常经常会导致资源泄漏的问题，比如在new和delete中抛出了异常，导致内存泄漏，在lock和unlock之间抛出了异常导致死锁，C++经常使用RAII来解决以上问题，关于RAII我们智能指针这节进行讲解

4、异常规范

在C++中，异常规范是一种在函数声明中指定函数可能抛出的异常的方式。异常规范可以作为函数的一部分，用于标识函数可能引发的异常类型。具体来说，异常规范指定了函数可抛出的异常类型列表。

在C++98\03 中，异常规范使用了throw()声明。例如：

cpp 复制代码 
void foo() throw(int, std::exception);

【解释说明】

  1. 上述代码表示函数foo可能抛出**int** 类型和**exception**类型的异常；
  2. 如果函数抛出了未在异常规范中列出的其他异常类型，程序会调用**unexpected函数，默认情况下会导致terminate**被调用终止程序。

更多示例如下图所示：

cpp 复制代码 
// 这里表示这个函数会抛出A/B/C/D中的某种类型的异常
void fun() throw(A，B，C，D);

// 这里表示这个函数只会抛出bad_alloc的异常
void* operator new (std::size_t size) throw (std::bad_alloc);

// 这里表示这个函数不会抛出异常
void* operator delete (std::size_t size, void* ptr) throw();

在C++11开始引入了更为灵活和安全的异常处理机制，即异常规范的替代方案：异常说明。异常说明使用**noexcept**关键字指定函数是否允许抛出异常。

使用**noexcept关键字的函数可以被称为"noexcept**函数"或"不抛异常函数"。它们在以下方面有一些重要的用途和优点：

  1. 优化性能：编译器可以基于对**noexcept**的显式承诺做出一些优化；
  2. 异常传播：有助于避免异常传播到不应该处理异常的上下文中；

下面是一些使用noexcept的示例：

cpp 复制代码 
void myFunction() noexcept {
  // 函数体，不会抛出异常
}

void anotherFunction() {
  // 函数体，可能会抛出异常
}

void myFunction2() noexcept(true) {
  // 与上面的 myFunction 等效，不会抛出异常
}

void myFunction3() noexcept(false) {
  // 与 anotherFunction 等效，可能会抛出异常
}

//不会抛出异常
thread (thread&& x) noexcept;

【注意事项】

  1. 在C++11中，**noexcept**关键字可以作为函数类型的一部分，标志着函数是否抛出异常；
  2. 在C++17之后，**noexcept**支持函数表达式，以动态地决定是否抛出异常。这使得异常规范在一些特定的情况下更加灵活和动态。

（四）C++标准库的异常体系

C++ 提供了一系列标准的异常，定义在 中，我们可以在程序中使用这些标准的异常。它们是以父

子类层次结构组织起来的，如下所示：

说明：实际中我们可以可以去继承exception类实现自己的异常类。但是实际中很多公司像上面一样自己定义一套异常继承体系。因为C++标准库设计的不够好用。

cpp 复制代码 
int main()
{
	try {
		vector<int> v(10, 5);
		// 这里如果系统内存不够也会抛异常
		v.reserve(1000000000);
		// 这里越界会抛异常
		v.at(10) = 100;
	}
	catch (const exception& e) // 这里捕获父类对象就可以
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "Unkown Exception" << endl;
	}
	return 0;
}

（五）异常的优缺点

C++异常的优点：

    1. 异常对象定义好了，相比错误码的方式可以清晰准确的展示出错误的各种信息，甚至可以包含堆栈调用的信息，这样可以帮助更好的定位程序的bug。
    1. 返回错误码的传统方式有个很大的问题就是，在函数调用链中，深层的函数返回了错误，那么我们得层层返回错误，最外层才能拿到错误，具体看下面的详细解释。
cpp 复制代码 
// 1.下面这段伪代码我们可以看到ConnnectSql中出错了，先返回给ServerStart，
ServerStart再返回给main函数，main函数再针对问题处理具体的错误。
// 2.如果是异常体系，不管是ConnnectSql还是ServerStart及调用函数出错，都不用检查，因
为抛出的异常异常会直接跳到main函数中catch捕获的地方，main函数直接处理错误。
int ConnnectSql()
{
	// 用户名密码错误
	if (...)
		return 1;
	// 权限不足
	if (...)
		return 2;
}
int ServerStart() {
	if (int ret = ConnnectSql() < 0)
		return ret;
	int fd = socket()
		if（fd < 0）
		return errno;
}
int main()
{
	if (ServerStart() < 0)
		...
		return 0;
}
    1. 很多的第三方库都包含异常，比如boost、gtest、gmock等等常用的库，那么我们使用它们也需要使用异常。
    1. 部分函数使用异常更好处理，比如构造函数没有返回值，不方便使用错误码方式处理。比如T& operator这样的函数，如果pos越界了只能使用异常或者终止程序处理，没办法通过返回值表示错误。

C++异常的缺点：

    1. 异常会导致程序的执行流乱跳，并且非常的混乱，并且是运行时出错抛异常就会乱跳。这会导致我们跟踪调试时以及分析程序时，比较困难。
    1. 异常会有一些性能的开销。当然在现代硬件速度很快的情况下，这个影响基本忽略不计。
    1. C++没有垃圾回收机制，资源需要自己管理。有了异常非常容易导致内存泄漏、死锁等异常安全问题。这个需要使用RAII来处理资源的管理问题。学习成本较高。
    1. C++标准库的异常体系定义得不好，导致大家各自定义各自的异常体系，非常的混乱。
    1. 异常尽量规范使用，否则后果不堪设想，随意抛异常，外层捕获的用户苦不堪言。所以异常规范有两点：一、抛出异常类型都继承自一个基类。二、函数是否抛异常、抛什么异常，都使用 func（） throw();的方式规范化。

总结

以上便是关于 c++11 有关异常的全部知识。接下来，简单的回顾下本文！！！

  1. 异常总体而言，利大于弊，所以工程中我们还是鼓励使用异常的；
  2. 另外OO的语言基本都是用异常处理错误，这也可以看出这是大势所趋。

到此，关于本篇便到此为止了。感谢大家的观看与支持！！！

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