C++ 异常处理机制：异常捕获、自定义异常与实战应用

第34篇：C++ 异常处理机制：异常捕获、自定义异常与实战应用

一、学习目标与重点

• 掌握异常处理的核心概念（异常、抛出、捕获、处理）及基本语法
• 理解 try-catch-throw 语句的执行流程，能够正确捕获和处理标准异常
• 学会自定义异常类，满足实际开发中的个性化异常场景需求
• 掌握异常处理的最佳实践，规避常见错误（内存泄漏、异常安全问题）
• 理解异常规格说明（C++11前）与 noexcept 关键字的使用场景
• 结合实战案例，提升代码的健壮性和容错能力

💡 核心重点：try-catch 捕获规则、自定义异常的继承设计、异常安全保障、实战场景中的异常处理策略

二、异常处理概述

2.1 什么是异常处理

异常处理是C++中处理程序运行时错误的机制，核心是"将错误检测与错误处理分离"------在程序出错的地方（如除以零、内存分配失败）"抛出"异常，在合适的地方（如主函数、业务逻辑层）"捕获"并处理异常，避免程序直接崩溃，提升代码健壮性。

🗄️ 生活中的异常类比：

• 快递配送：快递员（程序执行）配送时发现地址错误（异常），不会直接丢弃快递，而是上报快递公司（抛出异常），由客服（异常处理模块）联系收件人解决（处理异常）
• 餐厅点餐：厨师（程序模块）发现食材耗尽（异常），不会拒绝出餐，而是告知服务员（抛出异常），由服务员（处理模块）向顾客说明并推荐其他菜品（处理异常）

2.2 为什么需要异常处理

在异常处理出现前，程序通常通过返回值判断是否出错，但存在明显缺陷：

// 传统错误处理：通过返回值判断（缺陷明显）
int divide(int a, int b) {
    if (b == 0) {
        return -1; // 用-1表示错误，但-1可能是合法计算结果
    }
    return a / b;
}

int main() {
    int result = divide(10, 0);
    if (result == -1) {
        cout << "除数不能为0！" << endl; // 依赖程序员主动检查返回值
    } else {
        cout << "结果：" << result << endl;
    }
    return 0;
}

传统错误处理的缺陷：

1. 返回值可能与合法结果冲突（如上述 -1 可能是 divide(-5,5) 的合法结果）
2. 需手动检查每个函数返回值，代码冗余且易遗漏
3. 错误传播困难（多层函数调用时，需逐层传递错误状态）

💡 异常处理的优势：

1. 错误检测与处理分离，代码结构清晰
2. 异常可跨函数、跨层级传播，无需逐层传递
3. 可携带丰富的错误信息（如错误类型、原因、位置）
4. 避免程序因小错误直接崩溃，提升用户体验

2.3 C++异常处理的核心组件

C++异常处理依赖三个核心关键字：

1. throw：抛出异常（检测到错误时，触发异常）
2. try：尝试执行可能抛出异常的代码块（异常检测范围）
3. catch：捕获并处理异常（匹配对应的异常类型，执行处理逻辑）

✅ 核心流程：try 块中执行代码 → 若发生错误，throw 抛出异常 → 程序跳转到最近的匹配 catch 块 → 执行 catch 中的处理逻辑 → 处理完成后，程序从 catch 块后继续执行

三、异常处理基本语法与执行流程

3.1 基本语法格式

try {
    // 可能抛出异常的代码块
    可能出错的操作;
    if (错误条件) {
        throw 异常值; // 抛出异常（异常值可是任意类型：int、string、自定义类等）
    }
} catch (异常类型1 异常变量) {
    // 处理异常类型1的逻辑
} catch (异常类型2 异常变量) {
    // 处理异常类型2的逻辑
} catch (...) {
    // 捕获所有未匹配的异常（兜底处理）
}

💡 语法解析：

• try 块：必须紧跟一个或多个 catch 块，不能单独存在
• throw 表达式：可抛出任意类型的值（基本类型、字符串、自定义类），抛出后立即终止当前函数执行，跳转到匹配的 catch 块
• catch 块：按顺序匹配异常类型，匹配成功则执行对应处理逻辑；catch (...) 是万能捕获，需放在所有 catch 块最后
• 异常变量：可选（如 catch (int) 可省略变量名），用于获取抛出的异常信息

3.2 执行流程详解

💡 示例：基本异常处理流程（除数为0异常）

#include <iostream>
using namespace std;

int divide(int a, int b) {
    if (b == 0) {
        // 抛出异常：异常类型为string，携带错误信息
        throw string("错误：除数不能为0！");
    }
    return a / b;
}

int main() {
    int x = 10, y = 0;
    try {
        cout << "尝试执行除法运算..." << endl;
        int result = divide(x, y); // 可能抛出异常
        cout << x << " / " << y << " = " << result << endl; // 若抛出异常，此句不执行
    } catch (const string& err_msg) { // 捕获string类型异常
        cout << "捕获到异常：" << err_msg << endl; // 处理异常
    } catch (...) { // 兜底捕获所有其他异常
        cout << "捕获到未知异常！" << endl;
    }
    
    cout << "程序继续执行..." << endl; // 异常处理后，程序继续运行
    return 0;
}

✅ 运行结果：

尝试执行除法运算...
捕获到异常：错误：除数不能为0！
程序继续执行...

执行流程拆解：

1. 程序进入 try 块，执行 divide(10, 0)
2. divide 函数检测到 b=0，throw 抛出 string 类型异常
3. 程序立即终止 try 块执行，跳转到 main 函数中最近的 catch 块
4. 第一个 catch 块匹配 string 类型异常，执行处理逻辑（打印错误信息）
5. catch 块执行完成后，程序从 catch 块后继续执行（打印"程序继续执行..."）

3.3 异常的匹配规则

catch 块按声明顺序匹配异常类型，匹配规则如下：

1. 精确匹配：异常类型与 catch 声明类型完全一致（如 throw int(5) 匹配 catch (int)）
2. 派生类匹配：抛出的派生类异常可被基类类型的 catch 块捕获（如自定义异常类继承自 exception，可被 catch (exception&) 捕获）
3. 类型转换匹配：仅支持有限的隐式转换（如 char 可转换为 int，但 int 不能转换为 double）
4. catch (...) 匹配所有未被前面 catch 块捕获的异常，必须放在最后

⚠️ 警告：catch 块的声明顺序至关重要，若将基类异常的 catch 块放在派生类之前，会导致派生类异常被基类 catch 块捕获，派生类的 catch 块永远无法执行：

// 错误示例：基类catch在前，派生类catch无法执行
class BaseException {};
class DerivedException : public BaseException {};

try {
    throw DerivedException();
} catch (BaseException& e) { // 先匹配基类，派生类异常被捕获
    cout << "基类异常" << endl;
} catch (DerivedException& e) { // 永远无法执行
    cout << "派生类异常" << endl;
}

3.4 标准异常库

C++标准库提供了一系列预定义的异常类，均继承自 std::exception 基类，定义在 <exception> 头文件中，常用标准异常如下：

异常类	描述	适用场景
std::exception	所有标准异常的基类	兜底捕获标准异常
std::logic_error	逻辑错误（编译期可检测，但未避免）	如无效参数、非法状态
std::invalid_argument	无效参数错误	如向函数传递非法参数
std::out_of_range	超出范围错误	如数组索引越界、string下标越界
std::runtime_error	运行时错误（编译期无法检测）	如除以零、文件打开失败
std::overflow_error	溢出错误	如数值计算溢出
std::bad_alloc	内存分配失败错误	如 new 分配内存失败

💡 示例：使用标准异常类

#include <iostream>
#include <exception> // 包含标准异常头文件
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> nums = {1, 2, 3};
    
    try {
        // 尝试访问超出vector范围的元素（触发out_of_range异常）
        cout << "访问索引3的元素：" << nums.at(3) << endl; 
        // at()方法会抛出out_of_range异常，[]运算符不会抛出异常
    } catch (const out_of_range& e) {
        // what()方法返回异常描述信息（继承自exception基类）
        cout << "捕获到out_of_range异常：" << e.what() << endl;
    } catch (const exception& e) { // 兜底捕获其他标准异常
        cout << "捕获到标准异常：" << e.what() << endl;
    }
    
    try {
        // 模拟内存分配失败（触发bad_alloc异常）
        while (true) {
            new int[1024 * 1024]; // 不断分配内存，直到耗尽
        }
    } catch (const bad_alloc& e) {
        cout << "捕获到bad_alloc异常：" << e.what() << endl;
    }
    
    return 0;
}

✅ 运行结果：

捕获到out_of_range异常：vector::_M_range_check: __n (which is 3) >= this->size() (which is 3)
捕获到bad_alloc异常：std::bad_alloc

💡 技巧：标准异常类的 what() 方法返回C风格字符串（const char*），包含异常的简要描述，可用于日志输出或用户提示。

四、自定义异常类

标准异常类虽能满足常见场景，但实际开发中，我们常需要自定义异常（如业务相关的"用户不存在异常""权限不足异常"），自定义异常类需遵循以下原则：

4.1 自定义异常的设计原则

1. 继承自标准异常类（推荐 std::exception 或其派生类），便于统一捕获
2. 重写 what() 方法，返回自定义的异常描述信息
3. 提供必要的构造函数（默认构造、带错误信息的构造）
4. 异常类名清晰，体现异常类型（如 UserNotFoundException）

4.2 自定义异常类的实现

💡 示例：实现业务相关的自定义异常类

#include <iostream>
#include <exception>
#include <string>
using namespace std;

// 1. 基础业务异常类（继承自std::exception）
class BusinessException : public exception {
private:
    string err_msg; // 异常描述信息
public:
    // 构造函数：带错误信息
    BusinessException(const string& msg) : err_msg(msg) {}
    
    // 重写what()方法（必须是const noexcept，符合基类接口）
    const char* what() const noexcept override {
        return err_msg.c_str(); // 返回C风格字符串
    }
};

// 2. 派生异常类：用户不存在异常
class UserNotFoundException : public BusinessException {
public:
    // 构造函数：接收用户ID，拼接错误信息
    UserNotFoundException(int user_id) 
        : BusinessException("用户不存在：ID=" + to_string(user_id)) {}
};

// 3. 派生异常类：权限不足异常
class PermissionDeniedException : public BusinessException {
public:
    // 构造函数：接收用户名和操作，拼接错误信息
    PermissionDeniedException(const string& username, const string& operation)
        : BusinessException("权限不足：用户\"" + username + "\"无法执行\"" + operation + "\"操作") {}
};

// 模拟业务函数：根据用户ID查询用户
void query_user(int user_id) {
    // 模拟用户不存在的场景
    if (user_id < 1000 || user_id > 9999) {
        throw UserNotFoundException(user_id); // 抛出用户不存在异常
    }
    cout << "查询成功：用户ID=" << user_id << endl;
}

// 模拟业务函数：执行敏感操作
void execute_sensitive_operation(const string& username) {
    // 模拟权限校验
    if (username != "admin") {
        throw PermissionDeniedException(username, "删除数据"); // 抛出权限不足异常
    }
    cout << "操作成功：用户\"" << username << "\"执行删除数据操作" << endl;
}

int main() {
    try {
        query_user(123); // 抛出UserNotFoundException
    } catch (const UserNotFoundException& e) {
        cout << "业务异常：" << e.what() << endl;
    } catch (const BusinessException& e) { // 捕获其他业务异常
        cout << "业务异常：" << e.what() << endl;
    } catch (const exception& e) { // 捕获标准异常
        cout << "系统异常：" << e.what() << endl;
    }
    
    cout << endl;
    
    try {
        execute_sensitive_operation("test"); // 抛出PermissionDeniedException
    } catch (const PermissionDeniedException& e) {
        cout << "业务异常：" << e.what() << endl;
    } catch (const BusinessException& e) {
        cout << "业务异常：" << e.what() << endl;
    } catch (const exception& e) {
        cout << "系统异常：" << e.what() << endl;
    }
    
    return 0;
}

✅ 运行结果：

业务异常：用户不存在：ID=123

业务异常：权限不足：用户"test"无法执行"删除数据"操作

4.3 自定义异常的优势

1. 语义清晰：异常类名直接体现异常类型，代码可读性更高
2. 层次分明：通过继承关系组织异常（如业务异常→用户异常→权限异常），便于分类处理
3. 信息丰富：可在构造函数中拼接详细的错误信息（如用户ID、操作名称），便于问题排查
4. 兼容标准 ：继承自 std::exception，可与标准异常一起捕获，统一异常处理逻辑

⚠️ 注意事项：

1. 自定义异常类的 what() 方法必须重写为 const noexcept，符合 std::exception 基类的接口规范
2. 异常类应尽量轻量，避免复杂的成员变量和构造逻辑（异常抛出时会拷贝异常对象）
3. 优先使用引用捕获异常（catch (const Exception& e)），避免拷贝开销，且支持多态匹配

五、异常处理的高级特性

5.1 异常规格说明（C++11前）与 noexcept

5.1.1 异常规格说明（已废弃）

C++11前，可通过 throw(类型列表) 声明函数可能抛出的异常类型，称为"异常规格说明"：

// 声明该函数仅可能抛出int和string类型异常
void func() throw(int, string) {
    // 函数体
}

// 声明该函数不抛出任何异常（等价于noexcept(true)）
void func2() throw() {
    // 函数体
}

⚠️ 缺陷：

• 若函数抛出了异常规格说明之外的异常，会调用 std::unexpected() 函数，默认终止程序
• 编译期不强制检查，仅为程序员提供文档说明，实用性有限
• C++11已废弃该语法，推荐使用 noexcept 关键字

5.1.2 noexcept 关键字（C++11及以上）

noexcept 用于声明函数是否可能抛出异常，语法更简洁、功能更明确：

// 声明函数不会抛出任何异常（推荐）
void func() noexcept {
    // 函数体
}

// 声明函数可能抛出异常（等价于不写noexcept）
void func2() noexcept(false) {
    // 函数体
}

// 条件式noexcept：当T的移动构造函数不抛出异常时，当前函数也不抛出
template <typename T>
void func3() noexcept(noexcept(T(std::move(T())))) {
    // 函数体
}

💡 noexcept 的核心作用：

1. 编译器优化 ：若函数声明为 noexcept，编译器可省略异常处理相关的代码（如栈展开），提升性能
2. 明确接口契约：告知调用者该函数无需处理异常，简化调用逻辑
3. 影响标准库行为 ：如 std::vector 的 push_back 若元素的移动构造函数是 noexcept，会使用移动语义（更高效），否则使用拷贝语义

⚠️ 警告：若 noexcept 函数实际抛出了异常，程序会调用 std::terminate() 终止，无法通过 try-catch 捕获，因此需确保 noexcept 函数确实不会抛出异常。

5.2 异常的传播与重新抛出

5.2.1 异常的跨函数传播

异常抛出后，若当前函数没有匹配的 catch 块，异常会向上传播到调用该函数的上层函数，直到找到匹配的 catch 块；若传播到 main 函数仍未捕获，程序会调用 std::terminate() 终止。

💡 示例：异常跨函数传播

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

void func3() {
    cout << "func3：抛出异常" << endl;
    throw string("来自func3的异常");
}

void func2() {
    cout << "func2：调用func3" << endl;
    func3(); // 调用可能抛出异常的函数，自身无catch块
    cout << "func2：执行完毕（不会执行）" << endl;
}

void func1() {
    cout << "func1：调用func2" << endl;
    try {
        func2(); // 调用func2，可能传播异常
    } catch (const int& e) {
        cout << "func1：捕获int类型异常" << endl;
    }
    cout << "func1：执行完毕" << endl;
}

int main() {
    cout << "main：调用func1" << endl;
    try {
        func1();
    } catch (const string& e) { // 捕获从func3传播过来的string类型异常
        cout << "main：捕获string类型异常：" << e << endl;
    } catch (...) {
        cout << "main：捕获未知异常" << endl;
    }
    cout << "main：程序结束" << endl;
    return 0;
}

✅ 运行结果：

main：调用func1
func1：调用func2
func2：调用func3
func3：抛出异常
main：捕获string类型异常：来自func3的异常
main：程序结束

5.2.2 异常的重新抛出

有时需要在 catch 块中处理部分逻辑后，将异常重新抛出给上层函数处理，使用 throw; （不带参数）实现：

💡 示例：异常重新抛出

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

void process_data(int data) {
    if (data < 0) {
        throw string("数据非法：负数不允许");
    }
    cout << "数据处理成功：" << data << endl;
}

void handle_request(int data) {
    try {
        process_data(data);
    } catch (const string& e) {
        // 局部处理：记录异常日志
        cout << "日志记录：发生异常 - " << e << endl;
        // 重新抛出异常，让上层函数处理
        throw; 
    }
}

int main() {
    try {
        handle_request(-5);
    } catch (const string& e) {
        // 上层处理：提示用户
        cout << "用户提示：操作失败，原因：" << e << endl;
    }
    return 0;
}

✅ 运行结果：

日志记录：发生异常 - 数据非法：负数不允许
用户提示：操作失败，原因：数据非法：负数不允许

⚠️ 注意事项：

• throw; 重新抛出的是原始异常对象，不会创建新的异常对象
• 若在 catch 块外使用 throw;，会抛出 std::bad_exception 异常
• 重新抛出时，异常类型不变，上层函数需按原类型捕获

5.3 异常安全

异常安全是指程序抛出异常时，确保：

1. 不会发生内存泄漏（已分配的内存被正确释放）
2. 数据状态一致（不会出现部分修改的无效状态）
3. 资源被正确释放（如文件句柄、网络连接、锁）

5.3.1 常见的异常安全问题

// 异常安全问题：内存泄漏
void unsafe_func() {
    int* p = new int(10); // 分配内存
    process_data(-5); // 可能抛出异常
    delete p; // 若抛出异常，此句不执行，内存泄漏
}

5.3.2 异常安全的解决方案

1. 使用智能指针 （推荐）：智能指针（如 std::unique_ptr、std::shared_ptr）会在析构时自动释放内存，即使发生异常也不会泄漏
2. 资源获取即初始化（RAII）：将资源（如文件、锁）封装在类中，通过构造函数获取资源，析构函数释放资源，利用类的生命周期管理资源
3. 使用容器和标准库组件 ：标准库组件（如 vector、string）均具备异常安全性，避免手动管理资源

💡 示例：使用智能指针保证异常安全

#include <iostream>
#include <memory> // 包含智能指针头文件
#include <string>
using namespace std;

void safe_func() {
    // 使用unique_ptr管理内存，自动释放
    unique_ptr<int> p(new int(10)); 
    // 模拟抛出异常
    throw string("测试异常安全");
    // 无需手动delete，智能指针析构时自动释放内存
}

int main() {
    try {
        safe_func();
    } catch (const string& e) {
        cout << "捕获异常：" << e << endl;
    }
    // 内存已被智能指针释放，无泄漏
    return 0;
}

💡 示例：RAII模式管理文件资源

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
using namespace std;

// RAII类：管理文件资源
class FileGuard {
private:
    ofstream file; // 文件流对象（资源）
public:
    // 构造函数：获取资源（打开文件）
    FileGuard(const string& filename) : file(filename) {
        if (!file.is_open()) {
            throw string("文件打开失败：" + filename);
        }
        cout << "文件打开成功：" << filename << endl;
    }
    
    // 析构函数：释放资源（关闭文件）
    ~FileGuard() {
        if (file.is_open()) {
            file.close();
            cout << "文件关闭成功" << endl;
        }
    }
    
    // 提供文件写入接口
    void write(const string& content) {
        file << content << endl;
    }
};

void write_file(const string& filename, const string& content) {
    FileGuard file(filename); // 构造时打开文件
    file.write(content);
    throw string("模拟写入过程中异常"); // 抛出异常
    // 异常抛出后，FileGuard对象析构，文件自动关闭
}

int main() {
    try {
        write_file("test.txt", "Hello, 异常安全！");
    } catch (const string& e) {
        cout << "捕获异常：" << e << endl;
    }
    return 0;
}

✅ 运行结果：

文件打开成功：test.txt
文件关闭成功
捕获异常：模拟写入过程中异常

✅ 结论：即使在写入过程中抛出异常，FileGuard 对象会被析构，文件资源被正确释放，实现了异常安全。

六、异常处理的常见错误与最佳实践

6.1 常见错误

错误1：过度使用异常

将异常用于正常的控制流（如判断函数返回结果），导致代码效率降低、可读性变差：

// 错误示例：用异常处理正常逻辑
int find_element(const vector<int>& vec, int target) {
    for (int i = 0; i < vec.size(); ++i) {
        if (vec[i] == target) {
            return i;
        }
    }
    throw string("元素未找到"); // 不推荐：元素未找到是正常场景，非异常
}

错误2：捕获所有异常却不处理

使用 catch (...) 捕获所有异常，但未做任何处理，导致问题排查困难：

// 错误示例：捕获异常后忽略
try {
    risky_operation();
} catch (...) {
    // 无任何处理，异常被"吞掉"
}

错误3：抛出非异常类型的对象

抛出基本类型（如 int、double）或未继承自 std::exception 的自定义类，导致异常处理不统一：

// 不推荐：抛出int类型异常
void func() {
    throw 5; // 异常类型不明确，难以统一处理
}

错误4：异常对象切片

按值捕获异常（catch (BaseException e)），而非按引用捕获，导致派生类异常的特有信息丢失：

// 错误示例：按值捕获导致切片
class DerivedException : public BaseException {
public:
    const char* what() const noexcept override {
        return "派生类异常";
    }
};

try {
    throw DerivedException();
} catch (BaseException e) { // 按值捕获，派生类对象被切片为基类对象
    cout << e.what() << endl; // 输出基类的what()信息，而非派生类
}

6.2 最佳实践

实践1：明确异常使用场景

仅在"异常情况"（如内存分配失败、非法参数、IO错误）使用异常，正常控制流（如元素未找到、用户输入错误）使用返回值或其他方式处理。

实践2：优先使用标准异常或自定义异常类

• 系统级错误（如内存分配、数组越界）使用标准异常类
• 业务级错误（如用户不存在、权限不足）使用自定义异常类，且继承自 std::exception

实践3：按引用捕获异常

使用 catch (const Exception& e) 捕获异常，避免拷贝开销和对象切片，支持多态匹配。

实践4：合理组织 catch 块顺序

• 派生类异常的 catch 块放在前面
• 基类异常的 catch 块放在后面
• catch (...) 作为兜底，放在最后，并记录日志或终止程序

实践5：保证异常安全

• 使用智能指针和RAII模式管理资源，避免内存泄漏
• 重要操作（如数据库事务）需实现回滚机制，确保异常发生时数据状态一致

实践6：记录异常信息

捕获异常后，记录详细的异常信息（如异常类型、错误描述、发生位置、调用栈），便于问题排查。

实践7：避免在析构函数中抛出异常

析构函数若抛出异常，可能导致程序终止（如在栈展开过程中，析构函数抛出异常会调用 std::terminate()）：

// 错误示例：析构函数抛出异常
class BadClass {
public:
    ~BadClass() {
        throw string("析构函数异常"); // 危险！
    }
};

七、实战案例：文件读写的异常处理

7.1 问题描述

实现一个文件读写工具类，支持读取文件内容和写入文件内容，要求：

1. 处理文件操作中的常见异常（文件不存在、权限不足、磁盘已满等）
2. 使用自定义异常类，提供详细的错误信息
3. 保证异常安全（文件资源正确释放）
4. 提供友好的用户提示和日志记录

7.2 实现思路

1. 自定义文件相关异常类（继承自 std::exception）：FileOpenException（文件打开失败）、FileReadException（文件读取失败）、FileWriteException（文件写入失败）
2. 基于RAII模式实现文件工具类 FileHandler，管理文件流资源
3. 实现 read_file 和 write_file 方法，抛出对应的自定义异常
4. 在主函数中捕获异常，记录日志并提示用户

7.3 代码实现

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <vector>
#include <exception>
using namespace std;

// 1. 自定义文件异常基类（继承自std::exception）
class FileException : public exception {
protected:
    string err_msg; // 异常描述信息
public:
    FileException(const string& filename, const string& reason) {
        err_msg = "文件操作异常：文件\"" + filename + "\", 原因：" + reason;
    }
    const char* what() const noexcept override {
        return err_msg.c_str();
    }
};

// 2. 派生异常：文件打开失败
class FileOpenException : public FileException {
public:
    FileOpenException(const string& filename, const string& reason)
        : FileException(filename, "打开失败 - " + reason) {}
};

// 3. 派生异常：文件读取失败
class FileReadException : public FileException {
public:
    FileReadException(const string& filename, const string& reason)
        : FileException(filename, "读取失败 - " + reason) {}
};

// 4. 派生异常：文件写入失败
class FileWriteException : public FileException {
public:
    FileWriteException(const string& filename, const string& reason)
        : FileException(filename, "写入失败 - " + reason) {}
};

// 5. 文件工具类（RAII模式）
class FileHandler {
private:
    string filename; // 文件名
    fstream file_stream; // 文件流（资源）
public:
    // 构造函数：打开文件
    FileHandler(const string& filename, ios_base::openmode mode)
        : filename(filename) {
        file_stream.open(filename, mode);
        // 检查文件是否打开成功
        if (!file_stream.is_open()) {
            throw FileOpenException(filename, "无法打开文件（可能不存在或权限不足）");
        }
        cout << "日志：文件\"" << filename << "\"打开成功" << endl;
    }

    // 析构函数：关闭文件
    ~FileHandler() {
        if (file_stream.is_open()) {
            file_stream.close();
            cout << "日志：文件\"" << filename << "\"关闭成功" << endl;
        }
    }

    // 读取文件内容（按行读取）
    vector<string> read_file() {
        vector<string> content;
        string line;
        // 检查读取状态
        if (!file_stream.good()) {
            throw FileReadException(filename, "文件流状态异常");
        }
        // 逐行读取
        while (getline(file_stream, line)) {
            content.push_back(line);
        }
        // 检查是否读取失败（非EOF导致的失败）
        if (file_stream.bad()) {
            throw FileReadException(filename, "读取过程中发生IO错误");
        }
        cout << "日志：文件\"" << filename << "\"读取完成，共" << content.size() << "行" << endl;
        return content;
    }

    // 写入文件内容（覆盖写入）
    void write_file(const vector<string>& content) {
        // 检查写入状态
        if (!file_stream.good()) {
            throw FileWriteException(filename, "文件流状态异常");
        }
        // 逐行写入
        for (const string& line : content) {
            file_stream << line << endl;
            // 检查写入是否成功
            if (file_stream.fail()) {
                throw FileWriteException(filename, "写入数据失败（可能磁盘已满）");
            }
        }
        // 刷新缓冲区，确保数据写入磁盘
        file_stream.flush();
        if (file_stream.fail()) {
            throw FileWriteException(filename, "刷新缓冲区失败");
        }
        cout << "日志：文件\"" << filename << "\"写入完成，共" << content.size() << "行" << endl;
    }
};

// 辅助函数：打印文件内容
void print_file_content(const vector<string>& content) {
    cout << "\n文件内容：" << endl;
    for (int i = 0; i < content.size(); ++i) {
        cout << "[" << i + 1 << "] " << content[i] << endl;
    }
    cout << endl;
}

int main() {
    string read_filename = "input.txt";
    string write_filename = "output.txt";

    try {
        // 测试读取文件
        FileHandler reader(read_filename, ios::in);
        vector<string> content = reader.read_file();
        print_file_content(content);

        // 测试写入文件（修改内容后写入）
        vector<string> new_content = {
            "=== 新写入的内容 ===",
            "原文件共" + to_string(content.size()) + "行",
            "这是第一行新内容",
            "这是第二行新内容"
        };
        FileHandler writer(write_filename, ios::out | ios::trunc); // ios::trunc：覆盖写入
        writer.write_file(new_content);

        // 读取写入后的文件，验证结果
        FileHandler verify_reader(write_filename, ios::in);
        vector<string> verify_content = verify_reader.read_file();
        print_file_content(verify_content);

    } catch (const FileOpenException& e) {
        cout << "\n错误提示：" << e.what() << endl;
    } catch (const FileReadException& e) {
        cout << "\n错误提示：" << e.what() << endl;
    } catch (const FileWriteException& e) {
        cout << "\n错误提示：" << e.what() << endl;
    } catch (const exception& e) {
        cout << "\n系统错误：" << e.what() << endl;
    } catch (...) {
        cout << "\n未知错误：发生未预期的异常" << endl;
    }

    return 0;
}

7.4 运行结果（正常情况）

日志：文件"input.txt"打开成功
日志：文件"input.txt"读取完成，共3行

文件内容：
[1] Hello, File Handling!
[2] This is a test file.
[3] C++ Exception Handling.

日志：文件"input.txt"关闭成功
日志：文件"output.txt"打开成功
日志：文件"output.txt"写入完成，共4行
日志：文件"output.txt"关闭成功
日志：文件"output.txt"打开成功
日志：文件"output.txt"读取完成，共4行

文件内容：
[1] === 新写入的内容 ===
[2] 原文件共3行
[3] 这是第一行新内容
[4] 这是第二行新内容

日志：文件"output.txt"关闭成功

7.5 异常情况测试（如input.txt不存在）

错误提示：文件操作异常：文件"input.txt", 原因：打开失败 - 无法打开文件（可能不存在或权限不足）

✅ 结论：该文件工具类通过自定义异常类提供了详细的错误信息，基于RAII模式保证了文件资源的正确释放，即使发生异常也不会导致资源泄漏，同时通过分层捕获异常，为用户提供了友好的提示，符合异常处理的最佳实践。

八、总结

1. 异常处理是C++处理运行时错误的核心机制，通过 try-catch-throw 实现错误检测与处理的分离，提升代码健壮性。
2. 标准异常库提供了一系列预定义异常类（如 out_of_range、bad_alloc），自定义异常类应继承自 std::exception，重写 what() 方法。
3. 异常的匹配遵循精确匹配、派生类匹配规则，catch 块需按"派生类在前、基类在后"的顺序声明，catch (...) 作为兜底。
4. 异常安全是关键，需通过智能指针、RAII模式管理资源，避免内存泄漏和数据不一致。
5. 最佳实践：明确异常使用场景、按引用捕获异常、记录异常信息、避免在析构函数中抛出异常。

通过本文学习，你应能熟练运用异常处理机制解决实际开发中的错误处理问题，编写健壮、可靠的C++代码。下一篇将深入探讨C++的输入输出流（IO流），包括文件IO、字符串IO等高级应用！