Java 异常基础详解

2022-10-21 16:08:29

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1. Java 中的异常

前言：Java 中的异常处理是处理程序运行错误时的强大机制之一，它可以保证应用程序的正常流程。

首先我们将了解java异常、异常的类型以及受查和非受查异常之间的区别。

1.1 什么是异常？

字面意义：异常是一种不正常的情况。

在 java 中，异常是扰乱程序正常流程的事件，它是在程序运行时抛出的对象。

1.2 什么是异常处理？

异常处理一种在运行时解决程序错误的机制，例如 ClassNotFound、IO、SQL、Remote 等。

1.2.1 异常处理的优势

异常通常会干扰程序的正常流程，而异常处理的核心优势是维护程序的正常流程。现在让我们假设一下：

statement 1;

statement 2;

statement 3;

statement 4;

statement 5;//发生异常

statement 6;

statement 7;

statement 8;

statement 9;

statement 10;

假设你的程序中有10条语句，如果在第5条中出现了一个异常，那么语句6-10将不会继续执行。如果你使用了异常处理，那么语句6-10的部分将正常执行，这就是我们为什么需要在程序中使用异常处理的原因。

你知道吗？

  • 受查和非受查异常之间的区别是什么?
  • 代码int data=50/0;后面发生了什么？
  • 为什么需要使用多个catch块？
  • finally块是否有可能不执行？
  • 什么是异常传递？
  • throw和throws关键字之间的区别？
  • 对方法重写使用异常处理的4条规则是什么？

现在让我们带着以上问题继续下面的学习。

1.3 Java 异常类的层次结构

Java 异常基础详解

1.4 异常类型

主要有两种类型的异常：受查和非受查异常，Error被视为非受查异常。Sun公司认为有三种异常类型：

  • 受查异常（Checked Exception）
  • 非受查异常（UnChecked Exception）
  • 错误（Error）

1.5 受查和非受查异常之间的区别

1）受查异常

除了RuntimeException和Error外，继承自Throwable类的类称为受查异常，例如：IOException、SQLException 等。受查异常在编译时进行检查。

常见的有以下几个方面：

  • 试图在文件尾部后面读取数据
  • 试图打开一个不存在的文件
  • 试图根据给定的字符串查找Class对象，而这个字符串表示的类并不存在

2）非受查异常

继承自RuntimeException类的异常被称为非受查异常，例如：ArithmeticException、 NullPointerException、 ArrayIndexOutOfBoundsException 等。非受查异常不会在编译时检查，而是在运行时进行检查。

常见的有以下几个方面：

  • 错误的类型转换
  • 数组访问越界
  • 访问null指针

“如果出现了RuntimeException异常，那么一定是你自身的问题”，是一条相当有道理的规则。

3）错误（Error）

错误是一种无法恢复的异常类型，通常是在java运行时系统的内部错误和资源耗尽错误。应用程序不应该抛出这种类型的对象。如果出现了这样的内部错误，除了通告给用户，并尽力的使得程序安全的终止之外，再也无能为力了。这种情况很少出现。

1.6 可能出现异常的常见场景

在某些情况下，可能出现未检查的异常，它们如下：

1）发生ArithmeticException的场景

如果我们将任何数字除以0，就会出现一个 ArithmeticException 异常。

int a = 50/0;//ArithmeticException

2）发生NullPointerException的场景

如果变量的值为null，那么调用此变量将会出现 NullPointerException 异常。

String s = null;

System.out.println(s.length());//NullPointerException

3）发生NumberFormatException的场景

任何值的格式错误，都有肯能发生 NumberFormatException 异常。假设一个字符串变量，其中包含了字符，若将此变量转换为数字类型，将会发生 NumberFormatException 异常。

String s = "abc";

int i = Integer.parseInt(s);//NumberFormatException

4）发生ArrayIndexOutOfBoundsException的场景

如果你在一个不存在的的数组索引中插入任何值，则会导致 ArrayIndexOutOfBoundsException 异常。

int a[] = new int[5];

a[10] = 50; //ArrayIndexOutOfBoundsException

1.7 Java 异常处理关键字

下面是 Java 异常处理中的5个关键字：

try、catch、finally、throw、throws

1.8 创建自定义异常类

在程序中，可能会遇到任何标准异常类都没有能够充分地描述清楚的问题。在这种情况下，创建自己的异常类就是一件顺理成章的事情了。我们需要做的只是定义一个派生于 Exception 的类，或者派生于 Exception 子类的类。例如，定义一个派生于 IOException 的类。

习惯上，定义的类应该包含两个构造器，一个是默认构造器，一个是描述详细信息的的构造器（超类 Throwable 的 toString 方法将会打印出这些详细信息，这在调试中非常有用。）

示例如下：

class FileFormatException extends IOException {

    public FileFormatException() {}

    public FileFormatException(String gripe) {

        super(gripe);

    }

}

现在，就可以抛出自己定义的异常类型了。

String readData(BufferedReader in) throws FileFormatException {

    ...

    while (...) {

        // EOF encountered

        if (ch == -1) {

            if (n < len)

                throw new FileFormatException();

        }

        ...

    }

    return s;

}

2. Java try-catch

将可能发生异常的代码放在try块中，且必须在方法中才能使用。try 块后必须使用catch块或finally块。

2.1 Java try 块

1）try-catch 语法

try{

// 可能抛出异常的代码

}catch(Exception_class_Name ref){}

2）try-finally 语法

try{

// 可能抛出异常的代码

}finally{}

2.2 Java catch 块

Java catch块被用于处理异常，必须在try块后使用。

你可以在一个try块后使用多个catch块

2.3 未使用异常处理的问题

如果我们不使用try-catch处理异常，看看会发生什么。

public class Testtrycatch1 {

    public static void main(String args[]) {

        int data=50/0;// 可能抛出异常

        System.out.println("代码的其余部分...");

    }

}

输出：

Exception in thread main java.lang.ArithmeticException:/ by zero

如上面的示例所示，代码的其余部分并没有执行。（"代码的其余部分..."未打印）

2.4 使用异常处理解决问题

让我们通过try-catch块来查看上述问题的解决方案。

public class Testtrycatch2 {

    public static void main(String args[]) {  

        try {

            int data = 50/0;

        }

        catch(ArithmeticException e) {

            System.out.println(e);

        }  

        System.out.println("代码的其余部分...");

    }

}

输出：

Exception in thread main java.lang.ArithmeticException:/ by zero

代码的其余部分...

现在，正如上面的示例所示，代码的其余部分执行了.（也就是"代码的其余部分..."被打印）

2.5 Java try-catch 内部工作原理

Java 异常基础详解

Java 虚拟机首先检查异常是否被处理，如果异常未处理，则执行的一个默认的异常处理程序：

  • 打印异常描述
  • 打印堆栈跟踪（异常发生方法的层次结构）
  • 终止程序

如果程序员处理了异常，则应用程序按照正常流程执行。

3. 使用多个 catch 块

如果需要在发生不同异常时执行不同的任务，则需要使用多个 catch 块。

查看下面一个简单的多 catch 块示例。

public class TestMultipleCatchBlock{

    public static void main(String args[]) {  

        try{

            int a[] = new int[5];

            a[5] = 30/0;

        }

        catch(ArithmeticException e) {

            System.out.println("任务1已完成");

        }

        catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {

            System.out.println("任务2已完成");

        }

        catch(Exception e) {

            System.out.println("已完成通用任务");

        }

        System.out.println("代码的其余部分...");  

    }

}

输出：

任务1已完成

代码的其余部分...

规则：一次只有一个异常发生，并且一次只执行一个catch块。

规则： 所有异常必须从最具体到最通用的顺序排序，即捕获ArithmeticException必须在捕获Exception之前发生。

class TestMultipleCatchBlock1 {

public static void main(String args[]) {  

        try{

            int a[]=new int[5];

            a[5]=30/0;

        }

        catch(Exception e) {

            System.out.println("已完成通用任务");

        }

        catch(ArithmeticException e) {

            System.out.println("任务1已完成");

        }

        catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {

            System.out.println("任务2已完成");

        }  

        System.out.println("代码的其余部分...");  

    }

}

输出：

Compile-time error

4. Java 嵌套 try 块

Java try块中的try块被称为try嵌套块。

4.1 为什么使用 try 嵌套块？

有时可能会出现一种情况，一个块的某个部分可能导致一个错误，而整个块的本身可能会导致另一个错误。在这种情况下，必须使用嵌套异常处理程序。

语法:

....

try

{

    statement 1;

    statement 2;

    try

    {

        statement 1;

        statement 2;

    }

    catch(Exception e)

    {

        ...

    }

}

catch(Exception e) {...}

....

4.2 Java try 嵌套块示例

class Excep6 {

    public static void main(String args[]) {

        try {

            // try 嵌套块1

            try {

                System.out.println("try 嵌套块1");

                int b = 39 / 0;

            }

            catch(ArithmeticException e) {

                System.out.println(e);

            }

            // try 嵌套块2

            try {

                int a[] = new int[5];

                a[5] = 4;

            }

            catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {

                System.out.println(e);

            }

            System.out.println("try外部块其他语句...");

        }

        catch(Exception e) {

            System.out.println("handeled");

        }

        System.out.println("正常流...");

    }

}

输出：

try 嵌套块1

java.lang.ArithmeticException: / by zero

java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 5

try外部块其他语句...

正常流...

5. Java finally 块

Java finally 块是用来执行重要代码的块（如关闭连接、流等）。

无论是否处理异常，最终都会执行 finally 块。

finally 块紧跟 try 或 catch 块后：

Java 异常基础详解

注意：无论你是否处理异常，在终止程序之前，JVM都将执行finally块（如果存在的话）

5.1 为什么要使用 finally 块

finally 块可以用于放置"clear"代码，例如关闭文件，关闭连接等。

5.2 使用 finally 块案例

接下来让我们来看看在不同情况下使用 finally 块。

1）案例1

当前没有发生异常：

class TestFinallyBlock {

    public static void main(String[] args) {

        try {

            int data = 25 / 5;

            System.out.println(data);

        }

        catch (NullPointerException e) {

            System.out.println(e);

        }

        finally {

            System.out.println("finally 块总是执行");

        }

        System.out.println("代码的其余部分...");

    }

}

输出：

5

finally 块总是执行

代码的其余部分...

2）案例2

发生异常但未处理：

class TestFinallyBlock1 {

    public static void main(String[] args) {

        try {

            int data = 25 / 0;

            System.out.println(data);

        }

        catch (NullPointerException e) {

            System.out.println(e);

        }

        finally {

            System.out.println("finally 块总是执行");

        }

        System.out.println("代码的其余部分...");

    }

}

输出：

finally 块总是执行

Exception in thread main java.lang.ArithmeticException:/ by zero

3）案例3

发生异常并处理异常：

public class TestFinallyBlock2 {

    public static void main(String args[]) {

        try {

            int data = 25 / 0;

            System.out.println(data);

        }

        catch(ArithmeticException e) {

            System.out.println(e);

        }

        finally {

            System.out.println("finally 块总是执行");

        }

        System.out.println("代码的其余部分...");

    }

}

输出：

Exception in thread main java.lang.ArithmeticException:/ by zero

finally 块总是执行

代码的其余部分...

规则：对于 try 块可以有0个或多个 catch 块，但仅仅只能有一个 finally 块。

规则：如果程序退出（通过调用 System.exit() 或通过导致进程中止的致命错误），finally块将不会被执行。

6. Java 抛出异常

6.1 Java throw 关键字

Java throw 关键字用于显示的抛出异常。

我们可以使用 throw 关键字在 Java 中抛出检查(Checked)或未检查(UnChecked)异常。throw 关键字主要用于抛出自定义异常。

Java throw 语法如下：

throw exception;

抛出IOException异常的例子：

throw new IOException("sorry device error");

6.2 Java throw 示例

在本例中，我们创建了一个将整数值作为参数的 validate 方法。如果年龄小于18岁，我们将抛出一个ArithmeticException异常，否则打印一条消息"欢迎投票"。

public class TestThrow1 {

    static void validate(int age) {

        if(age < 18)

            throw new ArithmeticException("无效");

        else

            System.out.println("欢迎投票");

    }

    public static void main(String args[]) {

        validate(13);

        System.out.println("代码的其余部分...");

    }

}

输出：

Exception in thread main java.lang.ArithmeticException:无效

7. Java 异常传递

异常首先从堆栈顶部抛出，如果未捕获，则将调用堆栈下降到前一个方法，如果没有捕获，则将异常再次下降到先前的方法，以此类推，知道它们被捕获或到达调用堆栈底部为止。以上称为异常传递。

规则：默认情况下，非受查异常在调用链中（传递）转发。

异常传递示例：

class TestExceptionPropagation1 {

    void m(){

        int data = 50 / 0;

    }

    void n() {

        m();

    }

    void p() {

        try{

            n();

        }

        catch(Exception e) {

            System.out.println("异常处理器");

        }

    }

    public static void main(String args[]) {

        TestExceptionPropagation1 obj = new TestExceptionPropagation1();

        obj.p();

        System.out.println("正常流...");

    }

}

输出：

异常处理器

正常流...

Java 异常基础详解

在上面的示例中。异常发生在 m() 方法中，如果未对其进行处理，则将其传递到未处理它的前 n() 方法，再次将其传递到处理异常的 p() 方法。

可以在 main()、p()、n()、p()、 m() 中的任何方法中处理异常。

规则：默认情况下，受查异常不会在调用链中（传递）转发。

用于描述受查异常不会在程序中传递的示例：

class TestExceptionPropagation2{

    void m(){

        throw new java.io.IOException("设备异常"); // 受查异常

    }

    void n(){

        m();

    }

    void p(){

        try{

            n();

        }

        catch(Exception e){

            System.out.println("异常处理器");

        }

    }

    public static void main(String args[]){

        TestExceptionPropagation2 obj=new TestExceptionPropagation2();

        obj.p();

        System.out.println("正常流...");

    }

}

输出：

Compile Time Error

编译时发生一个错误，证明受查异常并不会在程序中进行传递。

8. Java throws 关键字

Java throws 关键字被用于声明一个异常。它给程序员提供了一个信息，说明可能会发生异常，所以程序员最好提供异常处理代码，以保证程序正常的流程。

异常处理主要用于处理受查异常，如果出现任何非受查异常，如"NullPointerException"，都是程序员自身的错误，请认真检查你的代码。

8.1 Java throws 语法

return_type method_name() throws exception_class_name {

    // method code

}

8.2 应该声明哪个异常？

仅仅声明受查异常，因为：

  • 非受查异常：程序员应该更正代码以确保代码正确无误。
  • Error：无法控制，如果出现了 VirtualMachineError 或 *Error等异常，将无法进行任何操作。

8.3 Java throws 优势

使用 throws 声明受查异常后，使得受查异常可以在调用堆栈中进行（传递）转发。它向处理该异常的方法提供异常信息。

8.4 Java throws 示例

下面的示例描述了受查异常可以通过throws关键字进行传递：

import java.io.IOException;

class Testthrows1{

    void m() throws IOException{

        throw new IOException("设备异常"); // 受查异常

    }

    void n()throws IOException{

        m();

    }

    void p(){

        try{

            n();

        }

        catch(Exception e){

            System.out.println("异常处理器");

        }

    }

    public static void main(String args[]){

        Testthrows1 obj=new Testthrows1();

        obj.p();

        System.out.println("正常流...");

    }

}

输出：

异常处理器

正常流...

规则：如果你正在调用一个声明了异常的方法，则必须捕获或声明异常。

现在有两种情况：

  • 情况1：你遇到了一个异常，使用 try-catch 处理了异常。
  • 情况2：你声明了异常，使用方法指定抛出。

1) 情况1：处理了异常

  • 在这种情况下，如果你处理了异常，则不管程序是否出现了异常，程序都将继续执行。
import java.io.*;

class M{

    void method() throws IOException{

        throw new IOException("设备异常");

    }

}

public class Testthrows2{

    public static void main(String args[]){

        try{

            M m = new M();

            m.method();

        }

        catch(Exception e){

            System.out.println("异常处理器");

        }

        System.out.println("正常流...");

    }

}

输出：

异常处理器

正常流...

2) 情况2：声明了异常

  • A）如果声明了异常，但代码未出现异常，程序将正常执行。
  • B）如果声明了异常且发生了异常，则在运行时抛出异常，因为程序会抛出不处理的异常。

A）声明了异常但未发生异常：

import java.io.*;

class M{

    void method()throws IOException{

        System.out.println("执行设备操作");

    }

}

class Testthrows3{

    public static void main(String args[])throws IOException{

        // 声明了异常

        M m=new M();

        m.method();

        System.out.println("正常流...");

    }

}

输出：

执行设备操作

正常流...

B）声明了异常且发生了异常：

import java.io.*;

class M{

    void method()throws IOException{

        throw new IOException("设备错误");

    }

}

class Testthrows4{

    public static void main(String args[])throws IOException{

        // 声明了异常

        M m=new M();

        m.method();

        System.out.println("正常流...");

    }

}

输出：

Runtime Exception

程序编译时将直接出现了一个编译错误。

8.5 throw 与 throws 区别

No. throw throws
1) Java throw 关键字用于显示的抛出异常 Java throws 关键字用于声明一个异常
2) 受查异常不能只使用 throw 进行传递 受查异常可以通过 throws 进行传递
3) Throw 后面跟着一个异常实例 Throws 后面跟着一个异常类
4) 在方法中使用 Throw Throws 与方法签名一起使用
5) 你不能抛出多个异常 你可以声明多个异常，例如public void method() throws IOException,SQLException

1）Java throw 示例：

void m(){

    throw new ArithmeticException("sorry");

}

2）Java throws 示例：

void m()throws ArithmeticException{

    // method code

}

3）Java throw 和 throws 示例：

void m()throws ArithmeticException{

    throw new ArithmeticException("sorry");

}

8.6 思考：可以重新抛出一个异常吗？

答案当然是可以的，可以在 catch 块中抛出相同的异常。这种方法通常用于只想记录一个异常，但不做任何改变。

代码示例：

try {

    // access the database

}

catch (Exceptiom e) {

    logger.log(level, message, e);

    throw e;

}

在 Java SE7 之前，这种方法存在一个问题，假设这段代码在以下方法中：

public void updateRecord() throws SQLException

Java 编译器查看 catch 块中的 throw 语句，然后查看 e 的类型，会指出这个方法可以抛出任何 Exception 而不仅仅是 SQLException。现在这个问题已经有所改进，编译器会追踪到 e 来自 try 块。假设这个 try 块仅有的受查异常是 SQLException 实例，另外，假设 e 在 catch 块中未改变，将外围方法声明为 throws SQLException 是合法的。

9. Final 和 Finally 和 Finalize 对比

Final 和 Finally 和 Finalize 三者之间的差异如下：

No. final finally finalize
1) final 用于对类、方法和变量加以限制，final 类不能被继承，final 方法不能被重写，final 变量不能被更改 finally 用于放置重要的代码，无论异常是否被处理它都会执行 finalize 用于在对象被垃圾回收之前执行清理操作
2) final 是一个关键字 finally 是一个块 finalize 是一个方法

1）Java final 示例：

class FinalExample{

    public static void main(String[] args){

        final int x = 100;

        x = 200; // final 修饰的变量不能被更改

        // 编译时将出错

    }

}

2）Java finally 示例：

class FinallyExample{

    public static void main(String[] args){

        try{

            int x = 300;

        }

        catch(Exception e){

            System.out.println(e);

        }

        finally{

            System.out.println("finally 块始终被执行");

        }

    }

}

3）Java finalize 示例：

class FinalizeExample{

    public void finalize(){

        System.out.println("finalize called");

    }

    public static void main(String[] args){

        FinalizeExample f1 = new FinalizeExample();

        FinalizeExample f2 = new FinalizeExample();

        f1 = null;

        f2 = null;

        System.gc();

    }

}

10. 异常处理方法的重写

关于重写异常处理方法的规则如下：

  • 超类方法没有声明异常：

    如果超类方法没有声明异常，则子类重写方法不能声明受查异常，但可以声明非受查异常。
  • 超类方法声明了异常：

    如果超类方法声明了异常，则子类重写方法可以声明与超类方法相同的异常，也可以不声明异常。若父类方法声明父类异常，子类重写方法声明子类异常也可以，反之不可以。

1）如果超类方法没有声明异常

超类方法未声明异常，子类重写方法声明受查异常的示例：

import java.io.*;

class Parent{

    void msg(){

        System.out.println("parent");

    }

}

class TestExceptionChild extends Parent{

    void msg() throws IOException{

        System.out.println("Child");

    }

    public static void main(String args[]){

        Parent p = new TestExceptionChild();

        p.msg();

    }

}

输出：

Compile Time Error

超类方法未声明异常，子类重写方法声明非受查异常的示例：

import java.io.*;

class Parent{

    void msg(){

        System.out.println("parent");

    }

}

class TestExceptionChild1 extends Parent{

    void msg() throws ArithmeticException{

        System.out.println("child");

    }

    public static void main(String args[]){

        Parent p = new TestExceptionChild1();

        p.msg();

    }

}

输出：

child

2）如果超类方法声明了异常

A）超类方法声明了异常，子类重写方法声明不相同父类异常的示例：

import java.io.*;

class Parent{

    // 声明了子类异常

    void msg() throws ArithmeticException{

        System.out.println("parent");

    }

}

class TestExceptionChild2 extends Parent{

    // 声明了父类异常

    void msg() throws Exception{

        System.out.println("child");

    }

    public static void main(String args[]){

        Parent p = new TestExceptionChild2();

        try{

            p.msg();

        }

        catch(Exception e){

        }

    }

}

输出：

Compile Time Error

B）超类方法声明了异常，子类重写方法声明相同异常的示例：

import java.io.*;

class Parent{

    void msg()throws Exception{

        System.out.println("parent");

    }

}

class TestExceptionChild3 extends Parent{

    void msg()throws Exception{

        System.out.println("child");

    }

    public static void main(String args[]){

        Parent p=new TestExceptionChild3();

        try{

            p.msg();

        }

        catch(Exception e){

        }

    }

}

输出：

child

C）超类方法声明了异常，子类重写方法声明不相同子类异常的示例：

import java.io.*;

class Parent{

    // 声明了父类异常

    void msg()throws Exception{

        System.out.println("parent");

    }

}

class TestExceptionChild4 extends Parent{

    // 声明了子类异常

    void msg()throws ArithmeticException{

        System.out.println("child");

    }

    public static void main(String args[]){

        Parent p=new TestExceptionChild4();

        try{

            p.msg();

        }

        catch(Exception e){

        }

    }

}

输出：

child

D）超类方法声明了异常，子类重写方法未声明异常的示例：

import java.io.*;

class Parent{

    void msg()throws Exception{

        System.out.println("parent");

    }

}

class TestExceptionChild5 extends Parent{

    void msg(){

        System.out.println("child");

    }

    public static void main(String args[]){

        Parent p=new TestExceptionChild5();

        try{

            p.msg();

        }

        catch(Exception e){

        }

    }

}

输出：

child

参考文章：https://www.javatpoint.com/exception-handling-in-java

参考书籍：《Java核心技术 卷1》

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