【C++】异常

异常

  • 前言
  • 正式开始
    • C语言传统的处理错误的方式
    • C++异常概念
    • 异常的使用
      • 异常的抛出和捕获
      • 自定义异常体系
      • 实际中的应用
      • 异常的重新抛出
    • 异常安全
    • 异常规范
    • C++标准库的异常体系
    • 异常的优缺点

在这里插入图片描述

前言

从这篇开始，我后面的几篇可以算是C++的收尾了。

本篇讲异常。

正式开始

先说说C++为何搞异常。

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。
  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。

上面这点我在前面的博客中也讲过的，不了解的同学可以点传送门：【Linux】进程控制（就看进程终止就行）。

C中的方法用起来很不方便，如果出错了，就返回个错误码，如果你不知道该错误码对应的错误信息，还得去查一查。而且可能你写的程序本来前面运行的好好的，出现了内存错误或除零错误这种会直接让程序崩掉，但是这时你还想让其他代码继续跑着，不想让错误的地方影响到整个程序，这就很难受。

所以像C++、Java、python这些较为高级一点的语言中都搞了异常这样的东西。

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。

三个关键字：try、catch、throw。

throw: 当问题出现时，程序会抛出一个异常，抛的是一个对象。

catch: 是捕获异常的类型（异常可能有很多类型），可同时有多个catch块来捕捉不同类型。

try: 是捕获哪段区域的异常，它后面通常跟着一个或多个 catch 块。

给出如下代码：

double Division(int a, int b) // 写了一个进行除法的函数
{// 当b == 0时抛出异常if (b == 0)throw "Division by zero condition!"; // 若异常，则抛出一个字符串elsereturn ((double)a / (double)b);
}void Func() // 函数中调用除法函数
{int len, time;cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl;
}int main()
{try{ // try中尝试捕获Func中的异常Func();}catch (const char* errmsg) // 接收字符串{ // catch异常并打印cout << errmsg << endl;}return 0;
}

先来看一下猪跑：

正常情况，未抛异常，不会走catch语句。
在这里插入图片描述

除零错误，走catch语句。
在这里插入图片描述
程序不会直接崩掉。

不信的话，我们可以再套一层循环一直走：
在这里插入图片描述

程序是一直在跑着的。不会出现直接崩掉的情况，这就很舒服，各干个的，互不影响。

异常的使用

异常的抛出和捕获

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。
  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。
  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）
  4. 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。
  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，我后面会详细讲解这个。

讲一下1、2、4。3不用讲，5后面再将。

第一点：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。

前面介绍概念的时候也说了，catch可以有多个，看：
在这里插入图片描述
这里又多写了两个catch的对象。当Func中有异常抛出时，会找最匹配的类型：
3
也就是：
1、抛异常可以抛任意类型对象
2、捕获时，要求类型匹配

第二点：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。

先说什么是调用链：
在这里插入图片描述
上面的图看起来可能不是那么准确，我们来写代码看看，我这里把Func中再添加一下try，catch
在这里插入图片描述
现在如果抛了异常，会直接走Func中的：
在这里插入图片描述
而且Func中的走完之后，再回到main函数中调用Func的地方就不会再走main中的其他catch了。
.
这里的调用链就是main -> Func -> Division。当Division中异常抛出时，Division中没有和抛出的异常相匹配的catch语句，所以就会继续往前一个调用的函数中找，Func中有，就走Func中的catch。
.
.
如果我在Division中也加上catch语句，那么就会直接走Division中的：
在这里插入图片描述
只要在调用链中有对应的catch就会走，而且会走最近的，这里main、Func、Division中都有，而Division中的最近，所以就走的是Division中的catch。
.
上面main、Func中有而Division中没有，最近的就是Func中的，所以就走的是Func中的catch。

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。

catch(…)能够捕获任意类型的异常，这个通常情况下都要加，因为当抛出了一个我们catch中并没有写的对应类型而且也没写catch(…)时，就会导致程序崩溃：

在这里插入图片描述
此时抛出异常会导致程序直接崩掉：
在这里插入图片描述
但如果加上catch(…)之后：
在这里插入图片描述
程序还能正常运行。

catch主要是用来捕获一些未知的异常的。当抛出的类型并不在我们所写的catch的类型的范围之内的时候，就算是未知的异常。此时用catch(…)接收就行了。不会导致程序崩掉就好。

自定义异常体系

虽然我们可以抛出任意类型的异常，但是标准情况下还是有规定的，我们应该抛一个对象。

我们可以专门定义一个类，一个异常类，类中的成员变量有错误信息 id 和 错误码 errmsg：

在这里插入图片描述

当出现错误的时候，直接抛出这个异常类的对象就行了。

代码和上面的大致相同，只是抛出的是一个类对象：
在这里插入图片描述

测试：

在这里插入图片描述

实际中的应用

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，那么外层的调用者基本就没办法玩了，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。

这里就能用到多态和继承的知识点，如果对这两点不熟悉的同学，点传送门：

【C++】继承知识点详解

【C++】多态

下面来一个简化版的例子：

// 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;}int getid() const{return _id;}protected:string _errmsg;   // 错误信息int _id;          // 错误码
};// 数据库异常
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;}
protected:const string _sql;
};// 缓冲区异常
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;}protected:stack<string> _stPath;
};// 网络异常
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;
};// 数据库管理
void SQLMgr()
{srand(time(0));if (rand() % 7 == 0){throw SqlException("权限不足", 100, "select * from name = '张三'");}cout << "本次请求成功" << endl;
}// 缓冲区管理
void CacheMgr()
{srand(time(0));if (rand() % 5 == 0){throw CacheException("权限不足", 200);}else if (rand() % 6 == 0){throw CacheException("数据不存在", 201);}SQLMgr();
}// 网络管理
void HttpServer()
{// 模拟srand(time(0));if (rand() % 3 == 0){throw HttpServerException("网络异常", 100, "get");}else if (rand() % 4 == 0){throw HttpServerException("权限不足", 101, "post");}CacheMgr();
}

用一个例子来表示上面的逻辑大概就是：你发送了一条信息，先去检查网络是否正常，如果正常再检查缓存，缓存没问题的话就看数据库层，再下来没问题的话就能成功发送了。

当某一层出现异常的时候抛出子类对象，然后用父类对象进行捕获就行：

在这里插入图片描述

测试：

在这里插入图片描述

可以看到是能够简单模拟一下的。

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。

还是上面的逻辑，当我给定一个条件：当网络异常时，要重新发送几次。

更改一下，上面的只留下一个HttpServerException和一个Exception就行：

void SendMsg(const string& s)
{// 要求出现网络错误重试三次srand(time(0));if (rand() % 3 == 0){throw HttpServerException("网络错误", 100, "get");}else if (rand() % 4 == 0){throw HttpServerException("权限不足", 101, "post");}cout << "发送成功:" << s << endl;
}void HttpServer()
{// 要求出现网络错误，重试3次string str = "今晚一起看电影怎么样？";int n = 3;while (n--){try{SendMsg(str);// 没有发生异常break;}catch (const Exception& e){// 网络错误 且  重试3次内if (e.getid() == 100 && n > 0){continue;}else{throw e; // 3次都失败，重新抛出}}}
}

测试：
在这里插入图片描述

再来个例子：

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;}// ...cout << "delete []" << array << endl;delete[] array;
}int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}return 0;
}

但是上面的问题并没有完全解决，比如说再添加一个在堆上开辟的数组，就又得在catch(…)中写释放。但这样就比较麻烦。有一种更好的解决方法，就是智能指针。但是我前面的博客中还没讲，下一篇博客再讲。

异常安全

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。

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)。

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。

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。
// C++98
// 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);
// 但是也存在写代码的人若没有想清楚而导致少写了一个异常E的情况// 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();
// 但是这种方法在函数内部还可能会抛，因为可能会间接调用了某个会抛异常的函数

// C++11 中新增的noexcept，表示不会抛异常
thread() noexcept;
thread (thread&& x) noexcept;// 只要函数后面写了noexcept就表示不抛异常，没写就表示会抛异常

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：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

比如：
在这里插入图片描述
new的太大了，就抛出bad allocation

再比如：
在这里插入图片描述
意思就是无效的vector下标。

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。

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，具体看下面的详细解释。


// 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;
}
  1. 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。
  2. 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。
    .
    比如说前面讲的调用链那里，如果链很深，而抛出异常时直接从深层跑到main那里，那么这样跳的就太厉害了。

  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。学习成本较高。

  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：
    a. 抛出异常类型都继承自一个基类。
    b. 函数是否抛异常、抛什么异常，都使用 func() throw();的方式规范化。

总结：异常总体而言，利大于弊，所以工程中我们还是鼓励使用异常的。

到此结束。。。

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