c++复习：c++11:异常的捕获和处理

一、c语言的传统异常处理

1、assert：assert是一种终止程序，当发生内存错误或者\0错误时，他都会终止程序

2、返回错误码，缺陷：需要程序员自己去查找对应的错误。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（比如说越界访问虽然是抽查行为，但是一旦编译器检查出这个问题，必然会强制去终止掉程序）。

设想场景：打开音乐 APP 进入在线歌曲播放页面。页面持续循环运行，维持播放、界面刷新逻辑；只有用户主动点击【退出播放】，才允许终止整个播放循环、关闭页面。 除此之外任何子功能出错，都绝对不能直接把整个播放页面关掉！

(1) 客户端 / 用户业务异常（用户自身原因） 点击购买单曲，但是账户余额不足。合理处理：弹窗提示余额不足，提供充值入口；绝对不能直接关闭播放页面。听歌这个核心功能不受任何影响，仅仅是付费操作执行失败，属于用户自身条件不满足。只需要友好告知用户问题，主流程继续运行。

(2) 程序本身 Bug（开发 / 服务端问题） 点击切换下一曲，程序逻辑出错，界面没有任何反应、切歌失败。一方面不能直接强制退出播放页面，用户还想继续听当前歌曲；另一方面开发者不应该被动等待用户投诉反馈。程序发生内部错误时，自动捕获错误，把函数名称、错误原因、调用链路写入错误日志。后续运维可以查询日志，定位代码漏洞、修复 Bug。

(3) 外部环境异常（网络、第三方环境问题） 开启歌词自动下载功能，当前处在地铁隧道，网络信号很差。不能立刻判定失败。程序先进行重试下载歌词，设置最大重试次数；持续尝试重连网络拉取歌词资源。如果重试达到上限依旧失败，再提示「歌词加载失败」。能自动修复的异常先尝试自救，无法自救再通知用户，主播放流程继续运行，不影响听歌。

汇总三类场景需求：

异常优先尝试自动处理，无法处理再向用户告警；
用户业务类异常：展示友好提示，主线程 / 主页面继续运行；
程序内部 Bug 异常：记录完整错误日志，方便后期定位修复；

基于这些需求可以发现：C 语言传统错误码的方式处理这类场景十分繁琐，代码可读性差、容易遗漏错误判断。因此 C++ 设计出一套专门的try-catch 异常处理机制。

二、c++的异常概念

概念：程序运行期间，遇到预料之外、正常流程无法继续执行 的错误情况，叫做异常。

区分两个关键点：

编译错误：编译阶段就能发现（语法写错），不属于异常；
异常：代码语法没问题，运行时才发生的错误。

传统c语言处理错误的方式：依靠返回值和错误码！！！

弊端：

很容易忘记判断返回值，错误直接被忽略；
多层函数嵌套调用时，错误一层一层手动向上传递，代码臃肿；
正常业务逻辑和错误判断代码混在一起，可读性极差；
发生错误时很难携带详细错误信息。

所以 C++ 引入异常机制 try-throw-catch，专门分离「正常业务代码」和「错误处理代码」。

throw: 当问题出现时，程序会抛出一个异常（可以抛任意类型的异常）。这是通过使用throw 关键字来完成的。

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。

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。

基础语法框架：

cpp 复制代码

try
{
    // 正常业务代码，可能发生异常
    throw 异常数据; 
}
catch(异常类型1 参数)
{
    // 处理类型1异常
}
catch(异常类型2 参数)
{
    // 处理类型2异常
}
// ...
catch(...)  // 万能捕获，捕获任意类型异常
{

}

三、异常的使用

3.1、异常的抛出和使用规则

3.1.1异常的抛出规则：

（1）throw可以抛出任意类型的数据，内置类型（int、double、字符串）、自定义类对象、标准异常类都能抛。

这边工程开发时，推荐抛出异常类对象

（2）throw抛出的是临时副本，也就是说，抛出的是一个临时对象，不是变量本身。

（3）throw可以写在任意的位置：普通代码块、if、函数内部、循环里都可以；

一旦执行 throw：

步骤一：当前 try 块后续代码不再执行；

步骤二：开启栈展开，向上寻找匹配的 catch

（4）若抛出后全程没有 catch 捕获，异常持续向外层函数冒泡，最终调用 std::terminate()，程序直接终止。

3.2.2异常的匹配规则

匹配原则：类型严格匹配，支持有限隐式转换，不会进行常规重载 / 隐式转换大全套

（1）从上到下依次匹配，匹配成功即停止，catch 顺序有影响！特殊类型要写在前面，基类放后面。假如说你的基类写在前面，那么子类异常会被这个基类提前捕获，这就不是我们想要的结果，所以最好让子类在前，基类在后。

（2）只允许两种类型转换：

第一种：非常量到常量的转换，比如说抛出int，可以被catch(const int)所捕获

第二种：派生类对象到基类指针/引用的转换

cpp 复制代码

#include<iostream>

using namespace std;

class Base{};
class Derive:public Base{};

int main()
{
	try
	{
		throw Derive();
	}

	catch (Base& b)
	{

	}
	return 0;
}

（3）捕获推荐使用引用 &，因为&避免了拷贝，提高了效率，而且还支持多态（值传递会发生切片的，丢失派生类的信息）

（4）万能捕获 catch(...)：能够捕获任意类型的异常，只能放在所有 catch 的最后面。

cpp 复制代码

try
{
}
catch(int)
{
}
catch(...)  // 兜底，所有前面没匹配到的异常全部接收
{
    cout << "未知异常" << endl;
}

（5）throw 不带表达式（重新抛出），在catch的内部单独写throw，可以原样的抛出当前所捕获的异常，交给外层的catch来处理。

可以做一个对比图

首先这是在内部抛出一定在内部catch

假如说在catch内部再原地throw：

总的来说：

（1）异常是通过抛出对象而引发的，而抛出对象的类型决定了让哪个catch来捕捉（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。

注意第一个匹配原则一定是类型，其次是位置，很明显，"语法错误"是const char*类型的字符串，所以只能被外部的catch所捕获。

(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，但是有了右值引用的移动构造后，对于深拷贝的类几乎没有影响，比如string类）

3.2 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，如果是的话再查找匹配的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。

核心点：

当 throw 抛出异常后：程序不会原地继续执行，沿着函数调用链反向回退 ，依次销毁当前栈帧中所有局部对象（自动调用析构函数释放资源），持续向上寻找能匹配该异常的 catch。

3.3 异常的重新抛出

cpp 复制代码

class A
{
public:
	A()
	{
		cout << "A()" << endl;
	}

	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
};

double Division(int len, int time)
{
	if (time == 0)
	{
		throw "除0错误";
	}
	else
	{
		return (double)len / (double)time;
	}
}

void Func()
{
	A aa;//调用构造函数
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Division(len, time) << endl;
	cout << "xxxxxxxxxxxx" << endl;
}

int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* str)
	{
		cout << str << endl;
	}

	return 0;
}

我们知道虽然程序因为异常终止了，没有正常打印出xxxxxxxxxxx,但是由于该栈帧还是会正常销毁，这个过程会去自动调用A类对象的析构函数。所以不会造成内存泄露。

我们再来看一个代码：

cpp 复制代码

double Division(int len, int time)
{
	if (time == 0)
	{
		throw "除0错误";
	}
	else
	{
		return (double)len / (double)time;
	}
}
void Func()
{
	int* array1 = new int[10];
	// 异常安全问题
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Division(len, time) << endl;
	cout << "delete []" << array1 << endl;
	delete[] array1;
}

int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	return 0;
}

我们这里很明显当发生异常之后，会跳转到catch，导致array1这个数组并没有释放，最终导致内存泄漏，所以我们可以选择将异常在内部先捕获然后进行处理（调用delete）,然后处理完后再重新抛出去给外部。

cpp 复制代码

double Division(int len, int time)
{
	if (time == 0)
	{
		throw "除0错误";
	}
	else
	{
		return (double)len / (double)time;
	}
}
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];
	// 异常安全问题
	try
	{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl;
	}
    catch (const char* errmsg)
	{
		cout << "delete []" << array1 << endl;
		delete[] array1;
		throw errmsg;
	}
	cout << "delete []" << array1 << endl;
	delete[] array1;
}
 
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	return 0;
}

反正都要抛，在这里抛了两次，第一次抛是抛到func()栈里面的catch，在这里我们对数组进行了释放，防止内存泄漏，释放完之后再把错误抛给主函数中的catch，打印我们的错误，其实第一个catch仅仅相当于一个过渡罢了。

3.4 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。

四、自定义异常体系

抛异常在工程中非常常见，但是实际工作中可能是会存在以下问题的：

（1）一个工程可能是非常巨大的，会有多个人去编写。所以难以统一规范。

（2）throw抛异常可以抛任意类型，稍微不注意没有正确捕获，就会导致程序的崩溃。

所以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，一方面会导致外层的调用者基本就没办法玩了，另一方面内部查bug也会很困难。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。

我们根据代码来进行说明：

cpp 复制代码

// 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(500);
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;
}
Lobster AI
cpp
运行

------------------------------------------------
版权声明：本文为CSDN博主「✿༺小陈在拼命༻✿」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_51142926/article/details/139008041

我们来好好分析一下这个代码

1.我们的基类是Exception，里面的内置类型成员是_errmsg和_id，一个是错误信息，一个是编号，本人在这里的理解是每一个错误信息都要有对应的编号，这样我们就可以对错误信息实现更好的管理

2.每一个派生类的错误描述都做的非常好，而且用了虚函数，这也是关键所在，这意味着当我们的派生类抛出错误时抛出的是派生类的类型，而catch捕捉时的类型只需要定义为基类类型指针去接受即可，指向谁就调用谁的what，这样就构成了多态(发生函数重写，虚指针指向的资源是派生类类型的)，对抛异常进行了统一的规范，这样就将整个工程的类型都给统一了，如果有人不遵守规则很容易就可以查出来。

3.将程序的bug统一接收起来，这样各个小组（比如说网络端、数据库端、缓存端）就可以一下子发现自己的部分出了什么问题。

4.析构函数最好也写成虚函数，否则有些场景可能会造成内存泄露！

五、c++标准库的异常体系

C++ 提供了一系列标准的异常，定义在exception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：

说明：实际中我们可以可以去继承exception类实现自己的异常类。但是实际中很多公司像上面一
样自己定义一套异常继承体系。因为C++标准库设计的不够好用。所以这里就不过多介绍了。

六、异常的优缺点

C++异常的优点：

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，而我们的异常体系，如果深层函数出现问题，我们直接在main内部进行捕捉，会直接跳转到main内部，无需层层返回
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

异常被抛出时存在较大运行开销，不适合作为常规业务逻辑分支，仅适合罕见错误场景。
程序控制流发生非线性跳转，代码执行路径难以静态阅读与分析。
C++ 标准不再支持动态异常规格，无法强制声明函数可能抛出的异常类型。
栈展开只会自动释放栈上对象，堆上申请的内存不会自动回收，容易引发内存泄漏。
栈展开过程中若析构函数再次抛出异常，会直接导致程序终止。
和 C 语言混编兼容性差，异常穿越 C 栈帧会产生未定义行为。
跨动态库 / DLL 传递自定义异常存在 ABI 兼容风险，模块边界异常传递容易失效。
开启异常机制会增大可执行文件体积；嵌入式、高性能场景常选择编译关闭异常。
容易被开发者滥用，错误使用异常替代 if 判断做正常流程控制。
构造函数抛出异常时，对象处于半构造状态，资源清理逻辑需要谨慎处理。
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。（主要问题）
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（）noexcept 的方式规范化。