C++中的异常处理

2023-07-27 19:23:46

本文主要内容有：

异常的相关概念
C++异常的处理
C++标准库异常体系
使用自定义的异常类型
异常的优缺点

1. 异常的相关概念

异常
异常是指存在于运行时的反常行为，这些行为超出了函数正常功能的范围。在函数发现了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调用者来处理错误。
异常处理机制
异常处理机制允许程序中独立开发的部分能够在运行时就出现的问题进行通信并做出相应的处理。异常处理机制为程序中异常检测和异常处理这两部分的协作提供支持。
异常处理
throw表达式：
异常检测部分使用 throw 表达式来表示遇到了无法处理的问题。当问题出现时，程序会抛出一个异常，即 throw 引发了异常。throw 表达式包含关键字 throw 和紧随其后的一个表达式，其中表达式的类型就是抛出异常的类型。
try语句块:
异常处理部分使用 try 语句块处理异常。以关键字try开始，以一个或多个catch子句结束。
语法形式为：

            try
            {  // 保护的标识代码 }
            catch( exception-declaration ) 
            {  // catch 块 }
            catch( exception-declaration )
            {  // catch 块 }
            catch( exception-declaration ) 
            {  // catch 块 }

2. C++异常的处理

2.1 抛出异常

在C++中，通过抛出一条表达式来引发一个异常，被抛出的表达式的类型以及当前的调用链共同决定了哪段处理代码将被用来处理该异常。
被选中的处理代码是在调用链中与抛出对象类型匹配的最近的处理代码。
当执行一个 throw 时，跟在 throw 后面的语句将不再被执行。程序的控制权从 throw 转移到与之匹配的 catch 模块。该 catch 可能是同一个函数中的局部 catch，也可能位于直接或间接调用了发生异常的函数的另一个函数中。控制权从一处转移到另一处，沿着调用链的函数可能会提早退出；一旦程序开始执行异常处理代码，则沿着调用链创建的对象将被销毁。
跟在throw后面的语句将不再被执行，所以 throw 语句的用法有点类似于 return 语句：通常作为条件语句的一部分或者作为某个函数的最后 (或者唯一)一条语句。

栈展开

当抛出一个异常后，程序暂停当前函数的执行过程并立即开始寻找与异常匹配的 catch 子句。当throw出现在一个try语句块内时，检查与该try块关联的catch子句。如果找到了匹配的 catch ,就使用该 catch 处理异常。如果这一步没找到匹配的 catch 且该 try 语句嵌套在其他 try 块中，则继续检查与外层 try 匹配的 catch 子句。如果还是找不到匹配的 catch, 则退出当前的函数，在调用当前函数的外层函数中继续寻找。
如果对抛出异常的函数的调用语句位于一个 try 语句块内，则检查与该try块关联的catch子句。如果找到了匹配的 catch,就使用该 catch 处理异常。否则，如果该 try 语句嵌套在其他try块中，则继续检查与外层 try 匹配的 catch 子句。如果仍然没有找到匹配的 catch，则退出当前这个主调函数，继续在调用了刚刚退出的这个函数的其他函数中寻找，以此类推。
栈展开过程沿着嵌套函数的调用链不断查找，直到找到了与异常匹配的catch子句为止；或者也可能一直没找到匹配的 catch，则退出主函数后查找过程终止。
假设找到了一个匹配的 catch 子句，则程序进入该子句并执行其中的代码。当执行完这个 catch 子句后，找到与 try 块关联的最后一个 catch 子句之后的点，并从这里继续执行。
如果没找到匹配的 catch 子句，程序将退出。实际中最后都要加一个catch(…)捕获任意类型的异常，否则当有异常没被捕获，程序就会直接终止。

2.2 捕获异常

catch 子句中的异常声明看起来像是只包含一个形参的函数形参列表。像在形参列表中一样，如果 catch 无须访问抛出的表达式的话，则我们可以忽略捕获形参的名字。
声明的类型决定了处理代码所能捕获的异常类型。这个类型必须是完全类型，它可以是左值引用，但不能是右值引用。
当进入一个 catch 语句后，通过异常对象初始化异常声明中的参数。和函数的参数类似，如果 catch 的参数类型是非引用类型，则该参数是异常对象的一个副本，在 catch 语句内改变该参数实际上改变的是局部副本而非异常对象本身；如果参数是引用类型，则和其他引用参数一样，该参数是异常对象的一个别名，此时改变参数也就是改变异常对象。
catch 的参数还有一个特性也与函数的参数非常类似；如果 catch 的参数是基类类型，则可以使用其派生类类型的异常对象对其进行初始化。此时，如果 catch 的参数是非引用类型，则异常对象将被切掉一部分，这与将派生类对象以值传递的方式传给一个普通函数差不多。如果 catch 的参数是基类的引用，则该参数将以常规方式绑定到异常对象上。
异常声明的静态类型将决定 catch 语句所能执行的操作。如果 catch 的参数是基类类型，则 catch 无法使用派生类特有的任何成员。
如果 catch 接受的异常与某个继承体系有关，则最好将该 catch 的参数定义成引用类型。
catch(…)可以捕获任意类型的异常，但并不知道具体的异常错误是什么。
实际中抛出和捕获的匹配原则有个例外，可以抛出的派生类对象，使用基类捕获。
找到匹配的 catch 语句并处理后，会继续执行 catch 语句后面的程序。

double Division(int a, int b)
{    // 当b == 0时抛出异常    
    if (b == 0)        
        throw "Division by zero condition!";    
    else         
        return ((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;    }    
    catch(...)
    {        cout<<"unkown exception"<<endl;       }        
    return 0;
}

2.3 重新抛出

异常的重新抛出：解决异常导致的安全问题，本身并不处理异常，重新抛出，交给上层函数处理。

有时，一个单独的 catch 语句不能完整的处理某个异常，在执行了某些校正操作之后，当前的catch可能会决定由调用链更上一层的函数接着处理异常。catch 则可以通过重新抛出的操作将异常传递给更上层的函数进行处理。

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

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;
}

2.4 异常安全

异常安全：可能导致内存泄漏，线程死锁。

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。
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) 。
在 new 和 delete 中抛出异常，导致内存泄漏。
在 lock 和 unlock 之间抛出异常，导致死锁。

2.5 异常规范

异常规格说明的目的是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。
函数的后面接throw()，表示函数不抛异常。
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 new (std::size_t size, void* ptr) throw();

3. C++标准库异常体系

C++ 标准库定义了一组类，用于报告标准库函数遇到的问题，这些异常类也可以在用户编写的程序中使用，分别定义在4个头文件中：

exception 头文件定义了最通用的异常类 exception。它只报告异常的发生，不提供任何额外信息。
stdexcep 头文件定义了几种常用的异常类，详细信息在下表中列出。
new 头文件定义了 bad_alloc 异常类型。
type _info 头文件定义了 bad_cast 异常类型。

stdexcept 定义的异常类

异常	说明
runtime_error	只有在运行时才能检测出的问题
range_error	运行时错误:生成的结果超出了有意义的值域范围
overflow_error	运行时错误:计算上溢
underflow_error	运行对错误:计算下溢
logic_error	程序逻辑错误
domain_error	逻辑错误:参数对应的结果值不存在
invalid_argument	逻辑错误:无效参数
length__error	逻辑错误:试图创建一个超出该类型最大长度的对象
out_of_range	逻辑错误:使用个超出有效范围的值

标准库异常类只定义了几种运算，包括创建或拷贝异常类型的对象，以及为异常类型的对象赋值。
只能以默认初始化的方式初始化 exception、bad_ alloc 和 bad_cast 对象，不允许为这些对象提供初始值。
异常类型只定义了一个名为 what 的成员函数，该函数没有任何参数，返回值是一个指向C风格字符串的const char*。该字符串的目的是提供关于异常一些文本信息。
what 函数返回的c风格字符串的内容与异常对象的类型有关，如果异常类型有一个字符串初始值，则 what 返回该字符串。对于其他无初始值的异常类型来说，what 返回的内容由编译器决定。

4. 使用自定义的异常类型

自定义异常：
基类异常：只声明不实现
所有异常继承基类异常：覆写基类接口，实现多态

实际使用中经常会自定义异常体系进行规范的异常管理，一个项目中如果大家随意抛异常，那么外层的调用者就会很麻烦，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。

// 服务器开发中通常使用的异常继承体系 
class Exception 
{ 
protected:    
    string _errmsg;    
    int _id;    
    //list<StackInfo> _traceStack;    // ...
};
 
class SqlException : public Exception {};
 
class CacheException : public Exception {};
 
class HttpServerException : public Exception {};
 
int main() 
{    
    try
    {        
         // server.Start();        
         // 抛出对象都是派生类对象    
    }    
    catch (const Exception& e)  // 这里捕获父类对象就可以   
    {}    
    catch (...)    
    {        cout << "Unkown Exception" << endl;    }
    return 0; 
}

5. 异常的优缺点

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，我们需要层层返回错误，最外层才能拿到错误。
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。
很多测试框架都使用异常，这样能更好的使用单元测试等进行白盒的测试。
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。

缺点：

异常会导致程序的执行流乱跳，非常混乱，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以及分析程序时，比较困难。
异常会有一些性能的开销，但在现代硬件速度很快的情况下，这个影响可以忽略不计。
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。
C++标准库的异常体系定义的不够好，导致大家各自定义各自的异常体系，非常混乱。
如果不规范使用异常，后果不堪设想，随意抛异常，外层捕获的用户苦不堪言。

异常规范有两点：

抛出异常类型都继承自一个基类。
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，在工程中还是被鼓励使用的。同时，面向对象的语言基本都是用异常处理错误，是大势所趋。

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