【C++进阶学习】第十二弹——C++ 异常处理：深入解析与实践应用

前言：

在C++编程语言中，异常处理是一种重要的机制，它允许程序员在运行时捕获和处理错误或异常情况。本文将详细介绍C++异常处理的相关知识点，包括异常的定义、抛出与捕获、异常处理的原则、以及在实际编程中的应用。

[1. 异常处理的基本概念](#1. 异常处理的基本概念)

[1.1 异常的定义](#1.1 异常的定义)

[1.2 异常的抛出](#1.2 异常的抛出)

[1.3 异常的捕获](#1.3 异常的捕获)

[2. 异常的使用](#2. 异常的使用)

[2.1 异常抛出和匹配的原则](#2.1 异常抛出和匹配的原则)

[2.2 在函数调用链中异常栈的展开匹配原则](#2.2 在函数调用链中异常栈的展开匹配原则)

[3. 异常的重新抛出](#3. 异常的重新抛出)

[4. 异常安全](#4. 异常安全)

[5. 异常规格](#5. 异常规格)

[6. C++异常处理的实践应用](#6. C++异常处理的实践应用)

[6.1 文件操作异常](#6.1 文件操作异常)

[6.2 数学运算异常](#6.2 数学运算异常)

[7. 总结](#7. 总结)

1. 异常处理的基本概念

在C++中，异常处理是一种机制，用于处理运行时发生的错误或异常情况。异常可以是程序执行过程中遇到的任何问题，如除以零、文件读写错误、资源未正确释放等。

1.1 异常的定义

在C++中，异常是一个对象，通常由std::exception或其派生类创建。异常对象包含了错误信息和状态，程序员可以使用这些信息来诊断和处理错误。

1.2 异常的抛出

异常的抛出使用throw 关键字。程序员在代码中使用throw 语句来抛出异常，这可以是显式抛出一个异常对象，也可以是抛出一个特定类型的异常（如std::runtime_error）。

cpp 复制代码

throw std::runtime_error("发生了一个错误");

1.3 异常的捕获

异常的捕获使用try...catch块。try 块包含可能抛出异常的代码，而catch块用于捕获并处理这些异常。

cpp 复制代码

try {
    // 可能抛出异常的代码
} catch (const std::exception& e) {
    // 处理异常
    std::cerr << "捕获到异常: " << e.what() << std::endl;
}

一个try后面可以跟着多个catch，因为一段代码可能出现多种异常

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
}

2. 异常的使用

2.1 异常抛出和匹配的原则

1. 异常是通过抛出对象来激活的，该对象的类型决定了应该激活那个catch的处理代码

2. 如果有多个处理代码与对象类型匹配，那么就激活离的最近的一个

3. 抛出异常对象时，会生成一个临时对象的拷贝，这个临时对象的拷贝会在被catch以后销毁

异常的捕获所有原则：

可以使用 catch(...) 来捕获所有类型的异常。这种捕获方式通常用于那些不关心异常具体类型，只想处理所有异常的情况。

2.2 在函数调用链中异常栈的展开匹配原则

首先检查throw本身是否在try块内部，如果是再查找是否有匹配的catch，如果有，则直接调用

如果所在函数栈没有匹配的catch，则退出当前函数栈，到调用该函数的栈中进行寻找

如果找到main函数的栈中，依然没有匹配的catch，则会直接终止程序。为了防止终止程序的这种情况出现，我们一般都会在main函数中加入一个catch(...)捕获任意类型的异常

找到匹配的catch后，就会继续执行catch中的语句

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
double func2(int x, int y)
{
	if (x == 0)
		throw "除0错误";
	else
		return (double)x / (double)y;
}
void func1()
{
	int x, y;
	cin >> x >> y;
	cout << func2(x, y) << endl;
}
int main()
{
	try{
		func1();
	}
	catch (const int e){
		cout << e << endl;
	}
	catch (const char* e){
		cout << e << endl;
	}
	catch (...) {
		cout << "未知异常" << endl;
	}
	return 0;
}

3. 异常的重新抛出

在 catch 块中，可以使用**throw（不带参数）;**来重新抛出当前捕获的异常。这通常用于在处理完一些资源清理工作后，将异常传递给更高层的调用者。

cpp 复制代码

void func1()
{
	// 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* arr = new int[10];
	try{
		int x, y;
		cin >> x >> y;
		cout << func2(x, y) << endl;
	}
	catch(...){
		delete arr;
		throw;
	}
}

4. 异常安全

在构造函数和析构函数中应避免抛出异常，因为这可能导致对象状态不一致或资源泄漏。

应该使用 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）原则来管理资源，确保异常发生时资源能够自动释放。（这个会在后面讲智能指针时讲到）

5. 异常规格

可以在函数声明中使用异常规格来指定函数可能抛出的异常类型。这有助于调用者了解预期的异常，并做出相应的处理。

下面是几种常见的异常规格：

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;

6. C++异常处理的实践应用

6.1 文件操作异常

在进行文件操作时，可以使用异常处理来捕获和处理可能发生的错误，如文件不存在、权限问题等。

cpp 复制代码

#include <fstream>
#include <iostream>

void readFile(const std::string& filename) {
    std::ifstream file(filename);
    if (!file) {
        throw std::runtime_error("无法打开文件");
    }
    // 读取文件内容
}

int main() {
    try {
        readFile("example.txt");
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "错误: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

6.2 数学运算异常

在进行数学运算时，可以捕获除以零等异常情况。（上面的例子中也是这种）

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <stdexcept>

void safeDivide(double a, double b) {
    if (b == 0) {
        throw std::runtime_error("除数不能为零");
    }
    std::cout << "结果: " << a / b << std::endl;
}

int main() {
    try {
        safeDivide(10, 0);
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "错误: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

7. 总结

异常能够帮助我们快速找到错误并判断错误类型，增强我们处理错误的能力，但同时异常也会带来执行流跳跃，给我们调试等带来一些难题，但总的来说，异常还是给我们工作带来极大的便利，如何正确使用异常，是我们玩转C++的重要一步。

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