【C++】异常

文章目录

• 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
  • 2.异常的重新抛出
  • 3.抛出与捕获任意类型的异常
  • 4.异常安全
  • 5.异常规范
• 四、C++标准库的异常体系
• 五、自定义异常体系
• 六、异常的优缺点

一、C语言传统的处理错误的方式

传统C语言的错误处理机制：

1.终止程序，如在程序的内部使用assert进行断言，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。

2.返回错误码，缺陷：需要程序员自己去查找对应的错误，不够直观。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++异常概念

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的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。
• 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
• catch: 在您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

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：

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

1.异常的抛出和捕获

异常的抛出和匹配原则如下 ：

1.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。

2.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。

3.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）

4.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。

5.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，可以抛出的派生类对象，使用基类捕获，这个在实际中非常实用，我们后面会详细讲解这个。

6.如果程序没有异常，那么程序会按正常的逻辑执行，且遇到catch语句会直接跳过，如果程序有异常，则程序抛出异常后会直接跳转到与该异常类型匹配的且离抛出异常位置最近的一个catch块进行处理，处理完毕之后会继续执行catch后面的语句

在函数调用链中异常栈展开匹配原则如下 ：

1.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。

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

3.如果到达main函数的栈，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。

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

对于下面的代码：

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 (int errid)
	{
			cout << errid << endl;
	}
		return 0;
}

程序的调用逻辑是main -> func ->Division,当Division抛出异常时，由于Division本身不再try块中，所以异常会到func函数的栈帧中查找异常处理语句，而func函数中也没有对应的catch块，所以异常会继续到main函数中查找，同时，由于Division函数抛出的异常类型为string，所以它会匹配const char* errmsg的catch块

如果Division中抛出了异常，而Division本身及其上层的函数都没有对异常进行捕获，即没有try/catch语句，或者try/catch语句有但是没有与抛出类型匹配的catch块，程序都会直接终止：

1.只抛出不捕获

2.没有与之对应的抛出类型

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，在进行一些校正处理以后，希望再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。比如内存泄漏，因为程序抛出异常后会直接跳转到catch块后面的代码继续执行，而不会继续执行抛出异常位置后面的代码，如下：

面对这种情况，我们可以直接在Divsion函数中处理异常并是否资源，但是通常我们会选择捕获异常后不做处理，只释放资源，然后将异常重新抛出，这样就可以使得程序的异常都在某一位置集中进行捕获，方便日志的记录和集中处理

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* p = new int[10];
	try {
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "delete []" << p << endl;
		delete[] p;
		throw;
	}
	// ...
	cout << "delete []" << p << endl;
	delete[] p;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	return 0;
}

3.抛出与捕获任意类型的异常

在上面异常重新抛出的场景中，由于func函数中还可能会调用其他函数，而其他函数也可能Juin抛出异常，并且他们抛出的对象的类型可能与Divsion的并不相同，那么此时我们要实现捕获异常释放资源重新抛出就需要写多个不同类型的参数的catch块，这样就会十分麻烦，C++支持了捕获抛出任意类型的异常：

try
{
    //...
}
// 三个点表示捕获任意类型的异常
catch(...)
{
    //throw表示抛出任意类型的异常--捕获到什么就抛出什么
    throw;//重新抛出
}

此外，我们知道，如果main函数的栈帧之后仍然没有匹配的catch块或者没有对异常进行捕获，那么程序就会直接终止，所以我们通常会在最后一个catch块中使用catch(...)来捕获任意类型的异常，用于捕获未知异常。

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* p = new int[10];
	try {
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "delete []" << p << endl;
		delete[] p;
		throw;
	}
	// ...
	cout << "delete []" << p << endl;
	delete[] p;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
    catch(...)
    {
        cout << "未知异常" << endl;
    }
	return 0;
}

4.异常安全

C++异常存在如下安全问题：

1.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

2.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)

3.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

5.异常规范

异常规格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。以下是C++98的异常规范：

1.可以在函数的后面接throw(类型)，列出这个函数可能抛掷的所有异常类型。

2.函数的后面接throw()，表示函数不抛异常。

3.若无异常接口声明，则此函数可以抛掷任何类型的异常

// 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();

但是由于C++98函数的异常规范接口只是建议性的，而不是语法硬性规定的，而且要写出一个函数的可能抛出的所有异常比较麻烦，所以C++11对其进行的简化：

1.函数后面不加关键字noexcept，表示该函数可能会抛出任意类型的异常

2.函数后面加关键字noexcept，表示该函数不会抛异常

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

需要注意的是，C++11对使用noexcept修饰的函数进行检查，如果该函数被noexcept修饰，但是可能抛出异常，此时编译器会报一个警告，但是不会影响程序的正确性

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：

其中，我们比较常见的异常有bad_alloc --new空间失败时抛出该异常，runtime_error --一些运行时错误，比如除0错误，空指针解引用等，out_of_range --通常是越界访问，overflow_error --通常是栈溢出

下图是对上面层次结构中出现的每个异常的说明：

虽然我们可以直接使用C++标准提供的这些异常，也可以去继承exception类来实现自己的异常，但是在实际开发中很多企业都会像上面一样定义一套自己的异常继承体系，因为C++标准库设计的不够好用。此外，我们平时写自己代码的时候基本不会使用异常，所以对于C++标准异常我们了解即可

使用C++标准库中的异常来捕获异常：

五、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的派生类对象，捕获一个基类就可以了

以下是一个服务器开发中通常使用的异常继承体系：

// 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";
}
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(1000);
		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;
}

上述程序的分析如下：

1.存在一个基类Exception，该类中有两个成员变量，分别来保存错误编号和错误信息，还有一个what虚函数

2.其他子类SqlException ，CacheException，HttpServerException都继承父类Exception，并且子类会根据自己的需要增加成员变量，并且都会重写父类的what方法，通过what方法返回自己的错误编号，错误信息以及自己特有的信息。

3.存在三个函数SQLMgr，CacheMgr，HttpServer，分别对应SQL查询，缓存访问和网络请求，这些函数都可能会抛出异常，在main函数中使用了try-catch语句来捕获这下异常，如果捕获到了异常，则调用e.what()方法类输出对应的异常信息，这些函数的调用逻辑为main->HttpServer->CacheMgr->SQLMgr

这里有两个问题：

1.为什么main函数中调用父类对象的what方法就可以捕获字节的异常对象，并且输出对应子类的异常信息

因为父类中what是虚函数，而所有的子类都对what都进行了重写，main函数中的catch的形参是父类类型的引用，当捕获到子类对象时这里就满足多态的条件，去调用子类对象的what方法

2.为什么要用一个变量来表示错误编号

这是为了方便对不同的异常进行分类，从而对某些异常进行特殊处理，比如我们的微信聊天，当我们的网络不好的时候，发送信息就可能导致本次的http请求失败抛出异常，但是对于这种异常我们需要过一段时间再次发起http网络请求，因为后面的网络可能支持我们发送信息了，这就是我们在QQ/微信在网络不好的时候发生发生消息有一个圈圈再转，这个时候就是在再次请求网络请求。又比如当对方把我们已经删除的时候，此时我们的界面就会显示您已不是对方非好友，需要重新加为好友，此时就是直接抛出异常，这是由于权限不足，所以无法发送消息

六、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。

2.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

3.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。

4.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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.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（）noexcept;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