C++——异常处理模块笔记

异常处理是C++中的重要概念之一，用于处理在程序执行过程中可能发生的错误或异常情况。异常是指在程序执行过程中发生的一些不寻常的事件，例如除零错误、访问无效内存等。C++提供了一套异常处理机制，使得程序可以优雅地处理这些异常，提高程序的可靠性和健壮性。

异常是一种程序控制机制，与函数机制互补。异常处理是一种用于在程序执行过程中处理错误的方法，使得程序能够更加健壮和容错。在 C++ 中，try、catch 和 throw 是用于处理异常的关键字和机制。下面学习一下。

1. try、catch和throw

1.1 try模块

**　　try**： try 关键字用于包围可能会抛出异常的代码块。在 try 块中的代码是被监视的，如果在执行这段代码时发生异常，程序会跳到 catch 块进行异常处理。

首先，我们需要在可能引发异常的代码块前使用try关键字，将这部分代码封装在一个特殊的块中。

代码如下：

try {
    // 可能引发异常的代码
    // ...
} catch (ExceptionType1 e1) {
    // 处理 ExceptionType1 类型的异常
} catch (ExceptionType2 e2) {
    // 处理 ExceptionType2 类型的异常
} catch (...) {
    // 处理其他类型的异常
}

1.2 catch模块

catch： catch 关键字用于定义异常处理块，它跟随在 try 块之后。如果在 try 块中的代码引发了异常，控制流会跳转到匹配异常类型的 catch 块。catch 块中的代码用于处理异常。

比如下面代码catch处理异常：

try {
    // 可能引发异常的代码
    // ...
} catch (MyException e) {
    // 处理 MyException 类型的异常
    std::cerr << "Caught an exception: " << e.what() << std::endl;
} catch (...) {
    // 处理其他类型的异常
    std::cerr << "Caught an unknown exception" << std::endl;
}

1.3 throw语句

throw： throw 关键字用于在程序的任何地方抛出异常。当某个条件触发异常时，可以使用 throw 语句来引发异常。通常，throw 语句位于 try 块内。

当在try块中发现异常情况时，可以使用throw语句抛出一个异常。异常通常是一个对象，可以是任何类型，但通常是派生自std::exception类的对象。

if (/* 发现异常情况 */) {
    throw MyException("发现异常情况");
}

通过结合使用 try、catch 和 throw，可以实现在程序中有效地处理和传递异常，使得程序能够更好地应对各种错误情况。所以说异常处理是 C++ 中一种重要的错误管理机制。

2. 标准异常类 ------std::exception类

C++标准库提供了一些常用的异常类，它们都是从std::exception类派生而来。标准程序库抛出的所有异常，都派生于该基类。而基类 Exception 定义了一个成员函数 虚函数 what()，它返回一个 C 风格的字符串（const char*），用于描述异常的信息。在实际的异常类中，程序员通常需要重写 what() 函数，以提供有关异常的更具体信息。

在Exception类中，what() 函数的声明如下：

virtual const char* what() const throw();

该函数可以在派生类中重定义。

runtime_error 和 logic_error 是一些具体的异常类的基类，他们分别表示两大类异常。logic_error表示那些可以在程序中被预先检测到的异常，也就是说如果小心地编写程序，这类异常能够避免；而runtime_error则表示那些难以被预先检测的异常。

一些编程语言规定只能抛掷某个类的派生类（例如Java中允许抛掷的类必须派生自Exception类），C++中虽然没有这项强制的要求，但仍然可以这样实践。例如，在程序中可以使得所有抛出的异常皆派生自Exception，这样会带来很多方便。

logic_error 和 runtime_error 两个类及其派生类，都有一个接收 const string &型参数的构造函数。在构造异常对象时需要将具体的错误信息传递给该函数，如果调用该对象的what函数，就可以得到构造时提供的错误信息。

2.1 Exception的示例

以下是 std::exception 的基本结构（注意：std::exception 异常是所有标准 C++ 异常的父类。）：

#include <stdexcept>

class exception {
public:
    exception() noexcept;
    exception(const exception&) noexcept;
    exception& operator=(const exception&) noexcept;
    virtual ~exception() noexcept;
    virtual const char* what() const noexcept;
};

其中：

• 构造函数 exception() noexcept：默认构造函数。
• 复制构造函数 exception(const exception&) noexcept 和赋值运算符 operator=：这两个函数用于异常对象的复制。
• 虚析构函数 virtual ~exception() noexcept：允许通过基类指针正确销毁派生类对象。
• 虚函数 virtual const char* what() const noexcept：返回描述异常的字符串，通常由派生类重写以提供更详细的信息。

以下是一个简单的例子，演示如何自定义一个派生自 std::exception 的异常类：

#include <iostream>
#include <stdexcept>

class MyException : public std::exception {
public:
    const char* what() const noexcept override {
        return "My custom exception occurred";
    }
};

int main() {
    try {
        throw MyException();
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Caught an exception: " << e.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}

在这个例子中，MyException 类继承自 std::exception，并重写了 what() 函数，以提供自定义的异常描述信息。在 catch 块中，可以通过基类引用捕获 MyException 类型的异常，而 what() 函数确保返回正确的描述信息。

2.2 其他异常类

除了 std::exception，C++ 标准库还提供了一些其他常用的异常类，这些类都是直接或间接派生自 std::exception。以下是其中的一些：

　　std::runtime_error 是 C++ 标准库中提供的一种异常类，它是 std::exception 类的派生类。std::runtime_error 表示一种运行时错误，通常用于在程序执行期间发生的、无法在编译期检测到的异常情况。这个类的构造函数接受一个字符串参数，用于描述异常的具体信息。

以下是一些其他与错误相关的标准异常类：

std::logic_error：表示逻辑错误，通常是由于程序的编程错误引起的，比如在不满足先决条件的情况下调用函数。

throw std::logic_error("Logic error occurred");

std::domain_error：表示域错误，通常是由于参数的值域错误引起的。

throw std::domain_error("Domain error occurred");

std::invalid_argument：表示无效的参数，通常是由于函数参数的值无效引起的。

throw std::invalid_argument("Invalid argument");

std::length_error：表示长度错误，通常是由于对象长度超过其所允许的最大值引起的。

throw std::length_error("Length error occurred");

std::out_of_range：表示超出范围错误，通常是由于访问超出有效范围的对象元素引起的。

throw std::out_of_range("Out of range error");

这些异常类提供了不同的语义和用途，可以根据具体情况选择合适的异常类来表示异常。当然，你也可以自定义异常类，派生自 std::exception，以便更好地适应你的程序需求。在实际应用中，根据异常的具体性质选择合适的异常类有助于更准确地捕获和处理异常情况。

2.3 自定义异常

在自定义异常类时，通常建议继承自std::exception，并重写what()函数，以提供异常的描述信息。

#include <iostream>
#include <exception>

class MyException : public std::exception {
public:
    const char* what() const noexcept override {
        return "MyException occurred";
    }
};

int main() {
    try {
        if (/* 某种异常情况 */) {
            throw MyException();
        }
    } catch (std::exception& e) {
        std::cerr << "Caught an exception: " << e.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}

您可以通过继承和重载 exception 类来定义新的异常。下面的实例演示了如何使用 std::exception 类来实现自己的异常：

#include <iostream>
#include <exception>
using namespace std;
 
struct MyException : public exception
{
  const char * what () const throw ()
  {
    return "C++ Exception";
  }
};
 
int main()
{
  try
  {
    throw MyException();
  }
  catch(MyException& e)
  {
    std::cout << "MyException caught" << std::endl;
    std::cout << e.what() << std::endl;
  }
  catch(std::exception& e)
  {
    //其他的错误
  }
}

这将产生下面结果：

MyException caught
C++ Exception

在这里，what() 是异常类提供的一个公共方法，它已被所有子异常类重载。这将返回异常产生的原因。

3. 在实际项目中的应用

3.1 异常处理的实践注意事项

3.1.1 不要滥用异常

异常处理应该用于处理真正意外的错误，而不是用于控制程序流程。滥用异常会导致代码难以理解和维护。

3.1.2 避免在构造函数和析构函数中抛出异常

在构造函数和析构函数中抛出异常可能导致资源泄漏或不一致的对象状态，因此应该尽量避免这样做。

3.1.3 使用RAII原则

资源获取即初始化（RAII）原则是一种通过对象生命周期来管理资源的方法，可以有效减轻异常处理的负担。

3.2 文件读取异常处理

在实际项目中，异常处理常常用于处理文件操作、网络通信、数据库访问等可能出现异常情况的模块。通过合理使用异常处理，可以提高程序的稳定性，减少因异常导致的不可预知问题。

#include <iostream>
#include <fstream>

int main() {
    try {
        std::ifstream file("example.txt");
        if (!file.is_open()) {
            throw std::runtime_error("Failed to open file");
        }

        // 读取文件内容并进行处理
        // ...

    } catch (std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}

以上是一个简单的文件读取例子，通过异常处理来处理文件打开失败的情况，以保证程序在异常情况下也能够有合适的应对措施。

3.3 抛出异常并捕获示例

您可以使用 throw 语句在代码块中的任何地方抛出异常。throw 语句的操作数可以是任意的表达式，表达式的结果的类型决定了抛出的异常的类型。

以下是尝试除以零时抛出异常的实例：

#include <iostream>
using namespace std;
 
double division(int a, int b)
{
   if( b == 0 )
   {
      throw "Division by zero condition!";
   }
   return (a/b);
}
 
int main ()
{
   int x = 50;
   int y = 0;
   double z = 0;
 
   try {
     z = division(x, y);
     cout << z << endl;
   }catch (const char* msg) {
     cerr << msg << endl;
   }
 
   return 0;
}

由于我们抛出了一个类型为 const char* 的异常，因此，当捕获该异常时，我们必须在 catch 块中使用 const char*。当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

Division by zero condition!

异常处理是C++编程中重要的技能之一，它能够提高程序的可靠性和健壮性。通过理解try、catch和throw的使用，以及合理选择和设计异常类，你可以更好地应对程序中可能出现的各种异常情况。在实际项目中，巧妙地运用异常处理，能够让你的代码更加清晰、可维护，提高整体代码质量。