C++之异常处理

C语言传统的处理错误的方式

传统的错误处理机制：

1. 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.

如果assert括号里面的表达式结果为假, 那么assert就会中断程序并报错, 所以使用assert可以帮助我们在程序判断一些可能出错的地方.

#include <assert.h>
int main()
{int x, y;cin >> x >> y;assert(y != 0);cout << x / y << endl;return 0;
}

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。

c++异常的使用

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。

c++处理错误需要三个关键字 try, throw, catch.

throw: 当问题出现时, 程序会抛出一个异常, 这个异常对象可以是任意的类型
catch: 在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.

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
}

首先我们有个名为func函数, 在函数里面我们要接收两个参数, 并打印这两个参数相除的结果, 那么这个时候我们就再创建一个函数来实现两个参数相除, 并将相除的结果进行返回:

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

1. 当我们发现异常之后就得使用throw来抛出异常, 那这里抛出的异常对象我们就可以使用字符串, 字符串的内容为: Division by zero condition!

2. 函数写完之后就可以在main函数里面进行Func函数来运行我们写的函数, 又因为这个函数里面可能会抛出异常, 所以我们把这个Func函数放到try块里面.

3. 在try块里面抛出了异常就得在try块的外面使用catch来进行接收, 因为抛出的是字符串类型的异常对象, 所以在使用catch接收的时候就得在catch后面的括号中写入字符串类型的参数来进行接收,在catch对应的语句块里就可以把对应的错误提示输出到屏幕上面.

异常的规则

异常的抛出和匹配原则

1. 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.

double Division(int a, int b)
{// 当b == 0时抛出异常if (b == 0)throw "Division by zero condition!";elsereturn ((double)a / (double)b);}void Func()
{int len, time;cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl;
}int main()
{try{Func();}catch (const char c){cout << c << endl;}/*catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}*/return 0;
}

假如将catch的参数换成char类型, 和抛出对象不匹配.

不会调用catch, 会像之前一样直接终止程序.

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. 在同一个作用域里面不能有相同有相同类型的catch语句, 但是在不同的作用域里面可以存在相同的catch语句.

double Division(int a, int b)
{// 当b == 0时抛出异常if (b == 0)throw "Division by zero condition!";elsereturn ((double)a / (double)b);}void Func()
{int len, time;cin >> len >> time;try{cout << Division(len, time) << endl;}catch (const char* errmsg){cout <<"我是离throw最近的catch: " << errmsg << endl;}
}int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}return 0;
}

这个"近"的概念和catch的匹配原则有关, 如果执行了throw, 会先在本函数(Division)里检查throw是否在try里, 如果有就会去匹配对应的catch语句, 有try一定有catch,不然会报错.

如果不在try块里或者没找到匹配的catch, 就会退出当前函数栈帧(Division), 继续到调用这个函数的函数栈帧(func)中去寻找catch, 找不到就继续递归寻找, 如果main函数里也没有匹配的catch直接终止程序. 上面的例子就是在throw不在try块里, 所以去调用Division的函数里找catch并找到了匹配的catch.

虽然catch语句可以存在多个, 但是抛出的异常在被捕捉的时候只能被一个catch语句所捕捉, 一旦一个catch语句捕捉成功了, 那么其他的catch语句都不会被执行, 所以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.

当catch语句执行完之后还可以继续执行后面的内容:

double Division(int a, int b)
{try {// 当b == 0时抛出异常if (b == 0)throw "Division by zero condition!";elsereturn ((double)a / (double)b);}catch (const char* errmsg){cout<< "我是离throw最近的catch: " << errmsg << endl;}cout << "捕捉异常后, 我会继续执行" << endl;
}void Func()
{int len, time;cin >> len >> time;try{cout << Division(len, time) << endl;}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}
}int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}return 0;
}

throw抛出异常后如果没有找到catch后面的语句会正常执行吗?

double Division(int a, int b)
{// 当b == 0时抛出异常if (b == 0)throw "Division by zero condition!";elsereturn ((double)a / (double)b);cout << "异常抛出后我会执行吗" << endl;
}void Func()
{int len, time;cin >> len >> time;try{cout << Division(len, time) << endl;}catch (const char c){}cout << "异常抛出后我会执行吗" << endl;
}int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}return 0;
}

可以看到division和func里都没有catch或者匹配的catch, 后面的语句都没有执行.

注意, 上面说的catch语句执行完之后还可以继续执行后面的内容是指已经catch结束了会执行后面的语句, 这里还是处于异常抛出阶段, 是在匹配catch.

那我在func里事先定义一个对象, 没有匹配的catch的话会调用析构吗?

class A
{
public:A(){cout << "A()" << endl;}~A(){cout << "~A()" << endl;}
};double Division(int a, int b)
{// 当b == 0时抛出异常if (b == 0)throw "Division by zero condition!";elsereturn ((double)a / (double)b);cout << "捕捉异常后, 我会继续执行" << endl;
}void Func()
{int len, time;cin >> len >> time;A a;try{cout << Division(len, time) << endl;}catch (const char c){}cout << "异常抛出后我会执行吗" << endl;
}int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}return 0;
}

析构还是会调用的, 因为它虽然是一个栈帧一个栈帧去找catch, 但是没找到的话栈帧还是会销毁的.

在函数调用链中异常栈展开匹配原则

1. 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.
2. 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.
3. 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.(下面会说)
4. 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。

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)

double Division(int x, int y)
{if (y == 0){string s("除0错误");throw s;}else{return (double)x / (double)y;}
}void Func()
{A a;try {int x, y;cin >> x >> y;cout << Division(x, y) << endl;}catch (const char s){cout << s << endl;}
}int main()
{try{Func();}catch (const string& s){cout << s << endl;}return 0;
}

这里抛出异常选择抛出一个string类型的对象, 但是这里异常抛出的是创建出来的s吗? 肯定不是, 因为s是一个局部对象, s的生命周期在当前作用域, 出了作用域就会销毁, 所以会产生一个临时对象的拷贝, 拷贝什么时候销毁? catch用完了就会销毁. 那拷贝的代价会不会很大? 拷贝的代价肯定不小, 但是有了移动构造代价就小了很多, 因为深拷贝的对象如果是右值会调用移动构造, 浅拷贝的对象就要按字节进行拷贝了, 但是浅拷贝的对象一般也不会很大.

4. 写代码的时候可能会遇到各种各样的异常, 如果有一个新的异常没有被以往的catch捕获到, 那么最终到main函数还没捕捉到, 就会程序崩溃, 因为一个小的异常而导致整个项目崩溃, 代价太大.

double Division(int x, int y)
{if (y== 0){string s("除0错误");throw s;}else{return (double)x / (double)y;}
}void f1()
{throw 1;
}void Func()
{A a;try {int x, y;cin >> x >> y;cout << Division(x, y) << endl;}catch (const char s){cout << s << endl;}f1();
}int main()
{while (1){try{Func();}catch (const string& s){cout << s << endl;}}return 0;
}

假如我当前的程序是一个循环状态, 现在在func里写了一个函数只要运行就抛异常, 而且这个异常还没办法被catch, 就会导致程序崩溃.

那么为了能捕获所有的异常, c++提供了一个这样类型的捕捉: catch(...), 它可以捕获任意类型的异常.

int main()
{while (1){try{Func();}catch (const string& s){cout << s << endl;}catch (...)//走到这里说明有人没有按 规范/约定 来抛异常{cout << "未知错误" << endl;}}return 0;
}

5. 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.

自定义异常体系

实际中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, 那么外层的调用者就没办法处理了, 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

如果每个小组分别负责数据库模块, 缓存模块, 业务模块, 每个小组都会抛出异常, 但是每个小组抛出的异常类型又不同, 如果一起在main函数里面进行捕捉的话就会非常的多并且非常的复杂, 并且每个小组所抛出的异常都有着自己的模块的属性, 所以使用一个类来解决这里的异常就不现实.

所以定义一个基类的异常, 每个小组抛出这个基类的派生类异常, 在main函数里面使用基类来统一捕获. 比如这里的父类里面有个int类型的错误码和一个string类型的对象来记录当前错误的描述信息, 然后在这个类里面就可以定义一个虚拟函数用于返回内部的string对象以方便使用人员进行打印.

class Exception
{
public:Exception(const string& errmsg, int id):_errmsg(errmsg), _id(id){}virtual string what() const{return _errmsg;}
protected:string _errmsg; // 错误描述int _id;		// 错误编号
};class SqlException : public Exception
{
public:SqlException(const string& errmsg, int id, const string& sql):Exception(errmsg, id), _sql(sql){}//多态virtual string what() const{string str = "SqlException:";str += _errmsg;str += "->";str += _sql;return str;}private:const string _sql;//数据库自己的错误信息
};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()
{//模拟异常抛出srand(time(0));if (rand() % 7 == 0){throw SqlException("权限不足", 100, "select * from name = '张三'");}}void CacheMgr()
{//模拟异常抛出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;
}

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.

首先看一个场景:

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。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;
}

Func函数里面没有捕获异常, 但是在Func函数里面我们使用new申请了一段空间, 并且在调用Division函数之后使用delete将这段空间给释放掉了, 这么写如果没有抛出异常的话是没有问题的:

但是一旦这里抛出了异常那么就会发生内存泄漏:

原因就是Division函数里面发生了异常, throw抛出一个异常之后Func函数里面没有catch语句来进行接收, 所以就会来到main函数里面被main函数里面的catch所接收, 也就意味着不会执行func函数剩下的代码, 所以就发生了泄漏, 在之前的学习中我们认为内存泄漏多半是因为编写代码的人忘记了使用delete来释放空间而导致的内存泄漏, 而现在即使写了delete也有可能因为异常的执行流导致内存泄漏.

解决方法:

所有写new和delete的地方都要加一个try catch, 并重新抛出异常:

那样写比较麻烦, 因为如果要抛出多个异常还要为每个异常重新抛出一次, 所以直接catch(...):

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];// 异常安全问题try{int len, time;cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl;}catch(...){cout << "delete []" << array1 << endl;delete[] array1;throw;//捕捉什么抛出什么}cout << "delete []" << array1 << endl;delete[] array1;
}int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}return 0;
}

现在有一个问题, 如果我new了两个对象呢?

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[10];// 异常安全问题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;//捕捉什么抛出什么}cout << "delete []" << array1 << endl;delete[] array1;cout << "delete []" << array2 << endl;delete[] array2;
}int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}catch (const exception& e){cout << e.what();}return 0;
}

也可以像上面那样去处理, 但是如果我在new的地方抛了异常呢? 如果在new array1的时候抛出了异常, 那么就会匹配catch(const exception& e), 但是如果new array2的时候抛出了异常, array1就无法正常delete了, 解决方法会在智能指针章节介绍.

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, RAII在智能指针介绍.

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;

虽然C++98的throw()和C++11的noexcept都代表不会抛异常, 但它们有一点区别, 如果throw()表示的函数内抛出了异常编译运行都可以通过, 如果noexcept表示的韩式抛出了异常编译时可以通过, 但是运行就会报错.

C++标准库的异常体系

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, 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. 但是实际中往往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.

异常的优缺点

C++异常的优点：

1. 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.

2. 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, 比如:

// 1.下面这段伪代码我们可以看到ConnnectSql中出错了，先返回给ServerStart，
//ServerStart再返回给main函数，main函数再针对问题处理具体的错误。// 2.如果是异常体系，不管是ConnnectSql还是ServerStart及调用函数出错，都不用检查，因
//为抛出的异常异常会直接跳到main函数中catch捕获的地方，main函数直接处理错误。int ConnnectSql()
{// 用户名密码错误if (...)return 1;// 权限不足if (...)return 2;
}int ServerStart() 
{if (int ret = ConnnectSql() < 0)return ret;int fd = socket()if（fd < 0）return errno;
}int main()
{if(ServerStart()<0)//...return 0;
}

3. 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。
4. 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++异常的缺点:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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(异常类型)/noexception; 的方式规范化.