【C++杂货铺】一文总结C++中的异常

春人.2023-10-20 17:37

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一、C语言传统的处理错误的方式

传统的错误处理机制：

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

  • 返回错误码：缺陷是，需要程序员自己去查找错误码对应的错误，其次错误码需要层层返回，这就要求我们要去接收和检查返回值。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。

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

异常是一种处理错误的方式，当一个函数发现自己无法处理的错误时就可以抛出异常，让函数的直接或间接调用者处理这个错误。

  • throw：当问题出现时，程序会抛出一个异常，这是通过使用 throw 关键字来完成的。

  • catch：在想要处理问题的地方，通过异常处理程序捕获异常，catch 关键字用于捕获异常，可以有多个 catch 进行捕获。

  • try：try 块中的代码标识将被激活的特定异常，它后面通常跟着一个或多个 catch 块。

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
}

三、异常的使用

3.1 异常的抛出和捕获

3.1.1 异常的抛出和匹配原则

  • 异常是通过抛出对象而引发的，该对象的类型决定了应该激活哪个 catch 的处理代码。

  • 被选中的处理代码是调用链中与该对象类型匹配且离抛出异常位置最近的那一个。

  • 抛出异常对象后，会生成一个异常对象的拷贝，因为抛出的异常对象可能是一个临时对象，所以会生成一个拷贝对象，这个拷贝的临时对象会在被 catch 以后销毁（这里的处理类似于函数的传值返回）。

  • catch(...) 可以捕获任意类型的异常，问题是不知道异常错误是什么。

  • 实际中抛出和捕获的匹配原则有个例外，并不都是类型完全匹配，可以抛出派生类对象使用基类捕获，这个在实际中非常实用，后面会进行详细讲解。

小Tips：异常可以抛出任何类型的对象，即 throw 后面可以跟任意类型。异常抛出后如果没有被捕获，那么程序将会报错。没有捕获可能是因为类型不匹配导致没有捕获，也可能是压根就没有 catch 语句去捕获。catch(...) 只能放在所有 catch 的最后。

3.1.2 在函数调用链中异常栈展开匹配原则

  • 首先检查 throw 本身是否在 try 块内部，如果是，再查找匹配的 catch 语句。如果有匹配的，则调到 catch 的地方进行处理。

  • 没有匹配的 catch 则退出当前函数栈帧，继续在调用函数的栈帧中进行查找匹配的 catch。

  • 如果到达 main 函数的栈帧，依旧没有匹配的，则终止程序。上述这个沿着调用链查找匹配的 catch 子句的过程称为栈展开。所以实际中我们最后都要加一个catch(...)捕获任意类型的异常，否则当有异常没捕获，程序就会直接终止。

  • 找到匹配的 catch 字句并处理以后，会继续沿着 catch 字句后面继续执行。

如上图所示：有三个函数 func1()、func2()、func3()。在 func2() 中调用 func1()，func3() 中调用 func2()，在 main() 中调用 func3()，并在 func1() 中抛出一个异常，在 main() 中用 catch 语句捕获。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

double Division(int a, int b)
{
    // 当b == 0时抛出异常
    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 << "unkown exception" << endl;
    }
    return 0;
}


栈展开的过程如下：首先检查 throw 本身是否在 try 块内部，如果是，再查找匹配的 catch 语句。如果有匹配的，则处理。如果没有则退出当前函数栈，继续在调用函数的栈中进行查找，不断重复上述过程，若到达 main 函数额的栈，依旧没有找到匹配的，则终止程序。

3.2 异常的重新抛出

有可能单个的 catch 不能完全处理一个异常，在进行一些校正后，希望在交给更外层的调用链函数来处理，catch 则可以通过重新抛出将异常传递给更上层的函数进行处理。

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;
}


小Tips：如上面的带所示，在 Func() 层捕获了异常之后，并没有对异常进行"处理"，而是将 array 进行了释放，然后再将异常重新抛出去。Func() 层如果不对异常进行捕获，那么在发生除零错误后，array 指向的空间就不会被释放，最终造成内存泄漏。

3.3 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中抛出异常，否则可能导致资源泄露（内存泄漏、句柄未关闭等）。

  • C++中异常经常会导致资源泄露的问题，比如在 new 和 delete 中抛出异常，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 将在智能指针中为大家讲解。

3.4 异常规范

  • 异常规范说明的目的是为了让函数使用者知道该函数可能抛出的异常有哪些。可以在函数的后面接 throw（类型），列出这个函数可能抛出的所有异常类型。

  • 函数的后面接 throw()，表示函数不抛异常。

  • 若无异常接口声明，则此函数可以抛出任何类型的异常。

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();
// C++11 中新增的noexcept，表示不会抛异常
thread() noexcept;
thread (thread&& x) noexcept;

小Tips：C++11之后，一个函数如果不抛异常，就在其函数后面加上一个 noexcept，如果不抛异常可以不做任何处理。

四、自定义异常体系

实际使用中，很多公司都会自定义自己的异常体系进行规范的异常管理，因为一个项目中如果大家随意抛异常，那么外层的调用者基本就没办法玩了，所以实际中都会定义一套继承的规范体系，这样大家抛出的都是继承自父类的派生类对象，捕获一个基类就可以了。

cpp 复制代码 
// 服务器开发中通常使用的异常继承体系
class Exception
{
public:
	Exception(const string& errmsg, int id)
		:_errmsg(errmsg)
		, _id(id)
	{}

	virtual string what() const
	{
		return _errmsg;
	}
protected:
	string _errmsg;
	int _id;
};

class SqlException : public Exception
{
public:
	SqlException(const string& errmsg, int id, const string& sql)
		:Exception(errmsg, id)
		, _sql(sql)
	{}

	virtual string what() const
	{
		string str = "SqlException:";
		str += _errmsg;
		str += "->";
		str += _sql;

		return str;
	}

private:
	const string _sql;
};

class CacheException : public Exception
{
public:
	CacheException(const string& errmsg, int id)
		:Exception(errmsg, id)
	{}

	virtual string what() const
	{
		string str = "CacheException:";
		str += _errmsg;
		return str;
	}
};

class HttpServerException : public Exception
{
public:
	HttpServerException(const string& errmsg, int id, const string& type)
		:Exception(errmsg, id)
		, _type(type)
	{}

	virtual string what() const
	{
		string str = "HttpServerException:";
		str += _type;
		str += ":";
		str += _errmsg;

		return str;
	}

private:
	const string _type;
};


void SQLMgr()
{
	srand(time(0));
	if (rand() % 7 == 0)
	{
		throw SqlException("权限不足", 100, "select * from name = '张三'");
	}

	//throw "xxxxxx";

	cout << "执行成功" << endl;
}

void CacheMgr()
{
	srand(time(0));
	if (rand() % 5 == 0)
	{
		throw CacheException("权限不足", 100);
	}
	else if (rand() % 6 == 0)
	{
		throw CacheException("数据不存在", 101);
	}

	SQLMgr();
}

void HttpServer()
{
	// ...
	srand(time(0));
	if (rand() % 3 == 0)
	{
		throw HttpServerException("请求资源不存在", 100, "get");
	}
	else if (rand() % 4 == 0)
	{
		throw HttpServerException("权限不足", 101, "post");
	}

	CacheMgr();
}

int main()
{
	while (1)
	{
		Sleep(500);

		try {
			HttpServer();
		}
		catch (const Exception& e) // 这里捕获父类对象就可以
		{
			// 多态
			cout << e.what() << endl;
		}
		catch (...)
		{
			cout << "Unkown Exception" << endl;
		}
	}

	return 0;
}

五、C++标准库的异常体系

C++提供了一些列标准的异常，定义在 exception 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：


小Tips：实际中我们可以通过去继承 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;
}

六、异常的优缺点

6.1 优点

  • 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。

  • 很多的第三方库都包含异常，比如 boost、gtest、gmock 等等常用的库，那么我们使用他们也需要使用异常。

  • 部分函数使用异常更好处理，比如构造函数没有返回值，不方便使用错误码的方式处理。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。

  • 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;
}

6.2 缺点

  • 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。

  • 异常会有一些性能的开销（抛出异常后，会生成一个异常对象的拷贝）。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。

  • 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。

  • C++标准库的异常体系定义的不好，导致大家各自定义各自的异常体系，非常的混乱。

  • 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：一是：抛出的异常类型都继承自一个基类；二是：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：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。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。

七、结语

今天的分享到这里就结束啦！如果觉得文章还不错的话，可以三连支持一下，春人的主页还有很多有趣的文章，欢迎小伙伴们前去点评，您的支持就是春人前进的动力！

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