24.c++异常(异常的抛出和捕获、异常的重新抛出、抛出异常对象、抛出派生类对象、异常规范)

1.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。

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: 当问题出现时，程序会抛出一个异常。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。

​ 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
}
  • 演示
double Division(int a, int b) 
{// 当b 为 0时,会发生除0错误，所以要抛出异常// 此时，throw抛出的必须是一个对象// 此处，throw抛出的是一个常量字符串，是不可以被修改的，必须有 const char* 类型来接收if (b == 0)throw "Division by zero condition!";  // 个常量字符串elsereturn ((double)a / (double)b);
}void Func()
{int len, time;cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl;
}int main()
{try {// 被保护代码Func();}catch (const char* errmsg){// catch块：用来捕获异常cout << errmsg << endl;}return 0;
}
// 如果程序可以正常运行，那么是不会进入catch的// 当我们输入：10 0  
// 此时会发生除0错误
// 打印结果为：Division by zero condition!

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

  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，本文后面会详细说明这个。

  • 场景一：
// 如果有两个ctach，应该由哪个catch来捕获异常呢
double Division(int a, int b) 
{// 当b == 0时,会发生除0错误，所以要抛出异常// 此处，throw抛出的必须是一个对象if (b == 0)// 这里抛出的是一个常量字符串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){// 根据匹配原则，匹配到与该对象类型匹配且离抛出异常位置最近的那一个cout << errmsg << endl;}catch (int errid){cout << errid << endl;}return 0;
}
// 当我们输入：10 0  
// 此时会发生除0错误
// 根据匹配原则，匹配到与该对象类型匹配且离抛出异常位置最近的那一个
// 打印结果为：Division by zero condition!
  • 场景二：
// 如果没有catch的参数类型，与throw抛出对象的类型相匹配，那么会发生什么呢？
double Division(int a, int b) 
{// 此处抛出对象的类型为 const char*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 (char* errmsg){cout << errmsg << endl;}catch (int errid){cout << errid << endl;}return 0;
}
// 经过运行，我们发现这种情况，程序会终止运行

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。
  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。

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double Division(int a, int b) 
{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 (char* errmsg){cout << errmsg << endl;}catch (int errid){cout << errid << endl;}catch (...) {// 如果抛出的异常，以上的catch都不匹配就会被catch (...) // catch (...) 可以捕获任意类型的异常，防止程序终止cout << "unkown exception" << endl;}return 0;
}

3.2 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。

  • 演示
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()
{int* p1 = new int[10];int len, time;cin >> len >> time;// 如果Division()中出现异常// 那么就会直接跳转到main()函数中对应的catch()中// 但是Func函数中还有对应的堆的资源p1还没有被释放，因此就会造成内存泄漏cout << Division(len, time) << endl;cout << "delete []" << p1 << endl;delete[] p1;
}int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}return 0;
}
// 我们输入：10 0
// 打印结果为：Division by zero condition!
  • 解决方案1：
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()
{int* p1 = new int[10];try {int len, time;cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl;}catch (const char* errmsg){// 如果函数Division抛出异常，此处捕获异常并进行处理// 那么就会继续执行Func函数的后续代码// 这样就不会造成内存泄漏了cout << errmsg << endl;}cout << "delete []" << p1 << endl;delete[] p1;
}int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}return 0;
}
  • 解决方案2：
// 我们不仅要解决内存泄漏的问题，（记录日志）还需要对异常进行统一处理
// 这就需要我们对异常重新抛出
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()
{int* p1 = new int[10];try {int len, time;cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl;}catch (const char* errmsg){// 重新抛出异常前，已经将Func()的后续代码执行了，将p1进行了释放，因此就不会造成内存泄漏cout << "delete []" << p1 << endl;delete[] p1;// 重新抛出异常throw errmsg;   }cout << "delete []" << p1 << endl;delete[] p1;
}int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;// 记录日志，统一处理}return 0;
}
// 输入：10 0
// 输出：delete []012DB418
//    	Division by zero condition!
  • 对解决方案二的改良
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()
{int* p1 = new int[10];try {int len, time;cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl;// func()// 假设此处还存在一个函数 func(),也会抛出异常，如果按照解决方案二的方法// 那就需要写多个catch，那样就会十分的麻烦，因此我们使用catch (...) 可以捕获任意的异常// 这样func()和Division() 抛出的异常都可以被catch (...)捕获，并重新抛出}catch (...) // catch (...) 可以捕获任意的异常{cout << "delete []" << p1 << endl;delete[] p1;// 重新抛出异常,再重新抛出异常之前，需要将后续的代码全部执行throw;   // 重新抛出，这块没有抛出对象，表示捕获到什么就抛出什么}cout << "delete []" << p1 << endl;delete[] p1;
}int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;// 记录日志，统一处理}return 0;
}

抛出异常对象

​ 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）

ouble Division(int a, int b) 
{// 当b == 0时抛出异常if (b == 0){string s("Division by zero condition!");// 抛出的不是对象s本身，而是s的一个临时对象// s会先拷贝到临时对象中，const string&引用拷贝的这个临时对象// const string&, const左值可以引用左值，也可以引用右值// 系统会将s识别为将亡值（也就是右值）throw s;}return (double)a / (double)b;
}void Func()
{int* p1 = new int[10];try {int len, time;cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl;}catch (...){cout << "delete []" << p1 << endl;delete[] p1;throw;   // 重新抛出异常，捕获到什么就抛出什么}cout << "delete []" << p1 << endl;delete[] p1;
}int main()
{try{Func();}catch (const string& err){cout << err << endl;}return 0;
}

抛出的派生类对象

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​ 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。

  • 基类和派生类
#include<iostream>
#include<string>
#include<windows.h>
using namespace std;// 基类
class Exception
{
public:// errmsg 是错误信息Exception(const string& errmsg, int id):_errmsg(errmsg), _id(id){}// 虚函数virtual string what() const{return _errmsg;}protected:string _errmsg;int _id;
};// 基类Exception的派生类SqlException
class SqlException : public Exception
{
public:SqlException(const string& errmsg, int id, const string& sql):Exception(errmsg, id), _sql(sql){}// 对基类的虚函数进行了重写virtual string what() const{string str = "SqlException:";str += _errmsg;str += "->";str += _sql;return str;}private:const string _sql;
};// 基类Exception的派生类CacheException
class CacheException : public Exception
{
public:CacheException(const string& errmsg, int id):Exception(errmsg, id){}// 对基类的虚函数进行了重写virtual string what() const{string str = "CacheException:";str += _errmsg;return str;}
};// 基类Exception的派生类HttpServerException
class HttpServerException : public Exception
{
public:HttpServerException(const string& errmsg, int id, const string& type):Exception(errmsg, id), _type(type){}// 对基类虚函数的重写virtual string what() const{string str = "HttpServerException:";str += _type;str += ":";str += _errmsg;return str;}
private:const string _type;
};
  • 捕获派生类对象的异常演示
void SQLMgr()
{srand(time(0));if (rand() % 7 == 0){throw SqlException("权限不足", 100, "select * from name = '张三'");}cout << "调用成功" << endl;
}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){// HttpServerException()的三个参数分别为// HttpServerException(const string& errmsg, int id, const string& type)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(1000);try{HttpServer();}catch (const Exception& e) // 这里捕获派生类对象就可以{// 虚函数的重写(覆盖)：// 三同：函数名、参数、返回值相同（重写的条件）// 也就是派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数(即派生类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表完全相同)，称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。// 多态的条件：// 1、虚函数重写// 2、基类的指针或者引用去调用虚函数（也就是将派生类的对象传引用给基类的对象）cout << e.what() << endl;}catch (...){// 防止有未知异常，导致程序终止，因此必须要在末尾设置catch (...)用来捕获未知异常cout << "Unkown Exception" << endl;}}return 0;
}

打印结果：

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3.3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。（如构造了一半，然后抛异常就会跳出构造函数，那样对象就不会被完全构造）

  • 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将在智能指针章节进行阐述。

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.C++**标准库的异常体系

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说明：实际中我们可以去继承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。

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) // 这里捕获派生类对象就可以{cout << e.what() << endl;}catch (...){cout << "Unkown Exception" << endl;}return 0;
}// 可以自己运行来查看，报出的错误

5.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。

  • 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。
  • 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。

  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：

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 noexcept、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。
Start()
{
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。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：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 `noexcept、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。**

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