C++ 系列 -- 异常处理

程序错误

程序的错误大致可以分为三种，分别是语法错误、逻辑错误和运行时错误：

语法错误在编译和链接阶段就能发现，只有 100% 符合语法规则的代码才能生成可执行程序。语法错误是最容易发现、最容易定位、最容易排除的错误，程序员最不需要担心的就是这种错误
逻辑错误是说我们编写的代码思路有问题，不能够达到最终的目标，这种错误可以通过调试来解决
运行时错误 是指程序在运行期间发生的错误，例如除数为 0、内存分配失败、数组越界、文件不存在等。C++ 异常机制就是为解决运行时错误而引入的

运行时错误如果放任不管，系统就会执行默认的操作，终止程序运行，也就是我们常说的程序崩溃

一个发生运行时错误的程序：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main(){
    string str = "http://c.biancheng.net";
    char ch1 = str[100];  //下标越界，ch1为垃圾值
    cout<<ch1<<endl;
    char ch2 = str.at(100);  //下标越界，抛出异常
    cout<<ch2<<endl;
    return 0;
}

运行代码，在控制台输出 ch1 的值后程序崩溃

异常的处理流程

抛出（Throw）--> 检测（Try） --> 捕获（Catch）

抛出异常

cpp 复制代码

char ch1 = str[100];  // [ ] 不会检查下标越界，不会抛出异常
char ch2 = str.at(100);  //  at() 函数执行过程中下标越界，抛出异常

也就是说 at() 函数会有抛出异常的动作，才会被捕获

在 C++ 中，我们使用 throw 关键字来显式地抛出异常，它的用法为：

cpp 复制代码

throw exceptionData;

exceptionData 是"异常数据"的意思，它可以包含任意的信息，完全有程序员决定。exceptionData 可以是 int、float、bool 等基本类型，也可以是指针、数组、字符串、结构体、类等聚合类型，请看下面的例子：

cpp 复制代码

char str[] = "http://c.biancheng.net";
char *pstr = str;

class Base{};
Base obj;

throw 100;  // int 类型
throw str;  // 数组类型
throw pstr;  // 指针类型
throw obj;  // 对象类型

捕获异常

我们可以借助 C++ 异常机制来捕获上面的异常，避免程序崩溃。捕获异常的语法为：

cpp 复制代码

try{  
    // 可能抛出异常的语句  
}catch(exceptionType variable){  
    // 处理异常的语句  
}

try和catch都是 C++ 中的关键字，后跟语句块，不能省略{ }
try 检测语句块有没有异常，一旦有异常抛出不会再执行 异常点后面的语句 ，并且会被后面的 catch 捕获
如果 try 语句块没有检测到异常（没有异常抛出 ），那么就不会执行 catch 中的语句
catch 关键字后面的exceptionType variable指明了当前 catch 可以处理的异常类型 ，以及具体的出错信息

修改上面的代码，加入捕获异常的语句：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <string>
#include <exception>
using namespace std;

int main(){
    string str = "http://c.biancheng.net";
  
    try{
        char ch1 = str[100];
        cout<<ch1<<endl;
    }catch(exception e){
        cout<<"[1]out of bound!"<<endl;
    }

    try{
        char ch2 = str.at(100);
        cout<<ch2<<endl;
    }catch(exception &e){  //exception类位于<exception>头文件中
        cout<<"[2]out of bound!"<<endl;
    }

    return 0;
}

运行结果：

cpp 复制代码

[2]out of bound!

检测到异常后程序的执行流会发生跳转，从异常点跳转到 catch 所在的位置，位于异常点之后的、并且在当前 try 块内的语句就都不会再执行了；即使 catch 语句成功地处理了错误，程序的执行流也不会再回退到异常点，所以这些语句永远都没有执行的机会了

执行完 catch 块所包含的代码后，程序会继续执行 catch 块后面的代码，就恢复了正常的执行流

异常类型和异常数据

cpp 复制代码

try{  
    // 可能抛出异常的语句  
}catch(exceptionType variable){  
    // 处理异常的语句  
}

exceptionType 是异常类型，它指明了当前的 catch 可以处理什么类型的异常；
variable 是一个变量，用来接收异常信息，当程序抛出异常时，会创建一份数据，这份数据包含了错误信息，程序员可以根据这些信息来判断到底出了什么问题

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <stdexcept>
using namespace std;

void func() {
    throw runtime_error("An error occurred");
}

int main()
{
    try {
        func();
    } catch (const runtime_error& e) {
        cout << "Caught an exception: " << e.what() << endl;
    }
}

异常类

C++ 语言本身或者标准库抛出的异常都是 exception 的子类，称为标准异常。你可以通过下面的语句来捕获所有的标准异常：

cpp 复制代码

try{
    //可能抛出异常的语句
}catch(exception &e){
    //处理异常的语句
}

之所以使用引用，是为了提高效率。如果不使用引用，就要经历一次对象拷贝（要调用拷贝构造函数）的过程。

exception 类位于 <exception> 头文件中，它被声明为：

cpp 复制代码

class exception{
public:
    exception () throw();  //构造函数
    exception (const exception&) throw();  //拷贝构造函数
    exception& operator= (const exception&) throw();  //运算符重载
    virtual ~exception() throw();  //虚析构函数
    virtual const char* what() const throw();  //虚函数
}

这里需要说明的是 what() 函数。what() 函数返回一个能识别异常的字符串，正如它的名字"what"一样，可以粗略地告诉你这是什么异常。不过C++标准并没有规定这个字符串的格式，各个编译器的实现也不同，所以 what() 的返回值仅供参考。

下图展示了 exception 类的继承层次：

exception 类的直接派生类：

异常名称	说明
`logic_error`	逻辑错误
`runtime_error`	运行时错误
`bad_alloc`	使用 new 或 new[ ] 分配内存失败时抛出的异常
`bad_typeid`	使用 typeid 操作一个 NULL 指针，而且该指针是带有虚函数的类，这时抛出 bad_typeid 异常
`bad_cast`	使用 dynamic_cast 转换失败时抛出的异常
`ios_base::failure`	io 过程中出现的异常
`bad_exception`	这是个特殊的异常，如果函数的异常列表里声明了 bad_exception 异常，当函数内部抛出了异常列表中没有的异常时，如果调用的 unexpected() 函数中抛出了异常，不论什么类型，都会被替换为 bad_exception 类型

logic_error 的派生类：

异常名称	说明
`length_error`	试图生成一个超出该类型最大长度的对象时抛出该异常，例如 vector 的 resize 操作
`domain_error`	参数的值域错误，主要用在数学函数中，例如使用一个负值调用只能操作非负数的函数
`out_of_range`	超出有效范围
`invalid_argument`	参数不合适。在标准库中，当利用string对象构造 bitset 时，而 string 中的字符不是 0 或1 的时候，抛出该异常

runtime_error 的派生类：

异常名称	说明
`range_error`	计算结果超出了有意义的值域范围
`overflow_error`	算术计算上溢
`underflow_error`	算术计算下溢