【C++】异常 - 技术栈

1、C语言传统处理错误的方式

2、C++异常概念

3、异常的使用

[3.1 异常的抛出和捕获](#3.1 异常的抛出和捕获)

[3.2 异常的重新抛出](#3.2 异常的重新抛出)

[3.3 异常安全](#3.3 异常安全)

[3.4 异常规范](#3.4 异常规范)

4、异常的优缺点

异常就是处理错误的一种方式

1、C语言传统处理错误的方式

终止程序，如assert，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。并且assert在release下不起作用
返回错误码，缺陷：需要程序员自己去查找对应的错误。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。正因为C语言基本使用错误码方式处理错误，所以还要专门设置一套错误处理机制

int main()
{
	FILE* fout = fopen("test.cpp", "r");
	cout << fout << endl; // fopen打开文件，成功返回非空，失败返回空
	cout << errno << endl; // 打印错误码
	perror("fopen fail"); // 详细打印错误信息
	return 0;
}

2、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：当程序出现问题时，可以通过throw关键字抛出一个异常。
try：try块中放置的是可能抛出异常的代码，该代码块在执行时将进行异常错误检测，try块后面通常跟着一个或多个catch块。
catch：如果try块中发生错误，则可以在catch块中定义对应要执行的代码块。

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：

try
{
    // 保护的标识代码
}catch( ExceptionName e1 )
{
    // catch 块
}catch( ExceptionName e2 )
{
    // catch 块
}catch( ExceptionName eN )
{
    // catch 块
}

3、异常的使用

3.1 异常的抛出和捕获

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。
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，继续在调用函数的栈中进行查找匹配的catch。

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。

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。

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;
	}
    cout<<"7777777"<<endl;
	return 0;
}

throw抛出的异常是一个对象，上面这段代码中，抛出的异常就是一个字符常量对象。异常必须在try、catch内部才能被捕获，若异常没有被捕获，则会报错，抛出异常后，会一直向上一层栈帧寻找有没有try，若一直找到main中还没有，也就是始终没有被捕获，则会报错而中止程序，注意，若有try，但是没有与抛出对象匹配的catch也会报错而中止程序，像上面这段代码，当抛出异常是能够被正常捕获的，一位catch是字符指针，与抛出对象类型匹配，若修改成catch(int mrrmsg)，则会中止程序。

上面这段代码中，是在Division中抛出的异常，首先会去Func中找是否有try，发现没有，再去上一层栈帧，也就是main中找，找到了。在寻找过程中，若在Func中找到了try，但是没有匹配的catch，也会向上一层栈帧找。并且，在向上一层栈帧找的过程中，中间没有try的函数都是正常结束的，也就是说中间函数定义的对象是会调用析构函数之类的。catch捕获之后的代码是正常运行的，像上面这段代码，捕获异常后，cout<<"7777777"<<endl;是正常运行的。只要异常被捕获了，上一层的try、catch就不会执行了。

终止程序是不好的，为了保证异常在main中都能被捕获，使用catch(...)

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 (int errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "unkown exception" << endl;
	}
	cout << "xxxxx" << endl;
	return 0;
}

上面这段代码运行后抛出异常的话就会匹配到catch(...)

一般情况下，异常捕获均在main中

double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		string s("Division by zero condition!");
		throw s;
	}
	else
		return ((double)a / (double)b);
}

throw抛出的对象不是s，因为s只是Division这个栈帧中的一个临时对象，是用s去调用s这个类型的拷贝构造或移动构造，生成一个拷贝对象，用这个拷贝的临时对象去一层栈帧一层栈帧匹配，若找到了匹配的catch，就销毁。

throw抛出的异常对象不会走隐式类型转换，像上面抛出一个字符常量，不会匹配到string的catch，若抛出一个int，也不会匹配到size_t。因为异常有类型严格匹配，所以若是想抛什么异常就抛什么异常，捕获是十分麻烦的。所以设计了可用抛子类对象，用父类来捕获，并且在实际中，一般也都是抛自定义类型对象。

class Exception
{
public:
	Exception(const string& errmsg, int id)
		:_errmsg(errmsg)
		, _id(id)
	{}
	virtual string what() const
	{
		return _errmsg;
	}
    int getid() const
    {
	    return _id;
    }
protected:
	string _errmsg;
	int _id;
};
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;
};

基类中包含错误信息和id，返回的错误对象既有错误信息，也有id，不需要单独去查，派生类可用有自己的错误信息，并实现了多态

void seedmsg(const string& s)
{
	if (rand() % 5 == 0)
	{
		throw HttpServerException("网络不稳定，发送失败", 102, "put");
	}
	else if (rand() % 7 == 0)
	{
		throw HttpServerException("你已经不是对方好友，发送失败", 103, "put");
	}
	else cout << "发送成功" << endl;
}
void HttpServer()
{
	seedmsg("今天一起看电影");
}
int main()
{
	while (1)
	{
		this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
		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;
}

捕获只捕获父类和catch(...)

上面这样子是没有对异常进行处理的，只是单纯的捕获，若需要对异常进行处理，需要在中途捕获，不能在main中，因为main会直接记录日志

那需要如何处理异常呢？以我们上面这段代码为例，seedmsg是抛出异常的地方，而HttpServer是调用seedmsg的地方，所以可以在HttpServer对seedmsg抛出的异常进行捕获，如果是因为不是好友而发送失败，就不需要处理，如果是因为网络不稳定而发送失败，不应该直接提示失败，而是应该先进行重试，若重试还不行再进行提示发送失败，我们这里假设重新发送3次

void HttpServer()
{
	for (int i = 0; i < 4; i++)
	{
		try
		{
			seedmsg("今天一起看电影");
			break;
		}
		catch (const Exception& e)
		{
			if (e.getid() == 102)
			{
				if (i == 3) throw e; // 重试3次还是不行
				cout << "开始第" << i + 1 << "次重试" << endl;
			}
			else
			{
				throw e;
			}
		}
	}
}

注意，发送1次，重试3次，共4次

3.2 异常的重新抛出

在外面上面的例子中，当异常是因为不是好友而发送失败或重试了3次依然没有发送成功，继续向上一层栈帧抛异常，就是一种异常的重新抛出。

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。

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; // 直接throw,捕到什么抛什么
	}
	// ...
	cout << "delete []" << array << endl;
	delete[] array;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	return 0;
}

在上面这段代码中，若抛出了异常并且没有被Func的catch捕获，则会造成内存泄漏，因为array没有释放资源，注意，这里没有匹配到，中间函数Func依然是正常结束的，但是仍然会有内存泄漏，因为若Func申请了对象，对象是会在栈帧要销毁时自动调用析构函数，而new出来的空间需要手动释放。所以，使用catch捕获所有情况，先delete，再将异常抛给上一层。

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* array1 = new int[10];
	int* array2 = new int[7];
	try {
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "delete []" << array1 << endl;
		delete[] array1;
		cout << "delete []" << array2 << endl;
		delete[] array2;
		throw;
	}
	// ...
	cout << "delete []" << array1 << endl;
	delete[] array1;
	cout << "delete []" << array2 << endl;
	delete[] array2;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	return 0;
}

上面这段代码是有问题的，因为如果array2在申请空间时申请失败了，又没有捕获异常，会直接终止程序，array1就没有释放资源，所以array2需要try、catch。但这样是十分麻烦的，因为如果申请多个，需要写很多，此时就需要用到智能指针了

在写new失败匹配的catch时，可以使用基类exception

exception是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，里面的bad_alloc就是new失败，out_of_range是越界访问

这里面的noexcept是说明这个函数不会抛出异常。C++98中，是通过在函数后面加throw()来说明这个函数可能会抛出什么类型的异常,（）内填可能出现异常的类型，不会出现异常就什么都不填，C++11后，会抛异常什么都不加，不会抛异常加noexcept

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;
}

3.3 异常安全

（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，关于RAII我们智能指针这节进行讲解

3.4 异常规范

（1）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。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();
// C++11 中新增的noexcept，表示不会抛异常
thread() noexcept;
thread (thread&& x) noexcept

4、异常的优缺点

C++异常优点：

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。
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。
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。
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。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得不好，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、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（） throw();的方式规范化。