C++异常详解
详细介绍了C++的异常处理机制和使用场景，以及详细的代码举例。
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深入理解C++异常处理机制：语法、用法与使用场景
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1. C语言传统的处理错误的方式
传统的错误处理机制：
- 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。
- 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
}
注意：只要放到try里面的代码出现异常时才能被捕获。
int main()
{
try
{
throw("这里是一个错误请捕获");
}
catch (const char* str)
{
cout << "捕获到异常：" << str << endl;
}
}
`
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：
- 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。
- 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。
- 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）
- 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。
- 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。
double Division(int a, int b)
{
//当b == 0时抛出异常
if (b == 0)
{
//直接跳到最近类型匹配的catch,会把函数栈帧空间里面的对象销毁
throw "Division by zero condition!";
}
else
{
return (double)a / (double)b;
}
}
void Func()
{
int len = 0, time = 0;
cin >> len >> time;
//匹配类型匹配而且位置最近的
try
{
cout << Division(len, time) << endl;
}
catch (const char* s)
{
//执行完catch会继续往后执行
cout << s << endl;
}
cout << "Func()" << endl;
}
int main()
{
//如果异常,没有被捕获就会报错
//Func();
//一般异常最外部进行统一处理
try
{
//没有抛错直接跳过catch
Func();
}
catch (const char* s)
{
cout << s << endl;
}
catch (...) //放到最后,捕获任意类型的异常,防止有一些异常没捕获,导致程序终止
{
cout << "unkown err" << endl;
}
//到main函数还没找到匹配的就会报错
}
当抛出异常的时候，会调到类型匹配且离它位置最近的catch语句里面处理异常。中间省略的语句不会执行，但是实际上会清除到中间跳过的函数栈帧空间，里面的对象也会被销毁，但是catch后面的语句会正常执行。
在函数调用链中异常栈展开匹配原则：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
void func1()
{
throw string("这是一个异常");
}
void func2()
{
func1();
}
void func3()
{
func2();
}
int main()
{
try
{
func3();
}
catch (const string& s)
{
cout << "捕获异常：" << s << endl;
}
catch (...)
{
cout << "未知异常" << endl;
}
return 0;
}
3.2. 异常的实际使用
但是实际当中我们并不会这样像这样处理异常，因为抛出一个字符串内容太简单了，实际当中我们通常会定义一个类这个类型至少两个信息，错误码和异常信息。
class Exception
{
public:
Exception(int Errid, const string& Errmsg)
:_Errid(Errid)
,_Errmsg(Errmsg)
{}
int GetErrid() const
{
return _Errid;
}
const string& GetErrmsg() const
{
return _Errmsg;
}
private:
int _Errid;
string _Errmsg;
};
我们在抛出错误的时候就可以抛出一个对象就可以。
double Division(int a, int b)
{
//当b == 0时抛出异常
if (b == 0)
{
Exception e(1, "Division by zero condition!");
//throw e;
throw Exception(1,"Division by zero condition!");
}
else
{
return (double)a / (double)b;
}
}
void Func()
{
int len = 0, time = 0;
cin >> len >> time;
//匹配类型匹配而且位置最近的
try
{
cout << Division(len, time) << endl;
}
catch (const char* s)
{
//执行完catch会继续往后执行
cout << s << endl;
}
cout << "Func()" << endl;
}
int main()
{
//如果异常,没有被捕获就会报错
//Func();
//一般最外部进行处理
try
{
//没有抛错直接跳过catch
Func();
throw (1);
}
catch (const char* s)
{
cout << s << endl;
}
catch (int)
{
cout << "1错误" << endl;
}
catch (const Exception& e)//返回的throw的临时对象
{
cout << e.GetErrid() << " : " << e.GetErrmsg() << endl;
}
catch (...) //放到最后,捕获任意类型的异常,防止有一些异常没捕获,导致程序终止
{
cout << "unkown err" << endl;
}
//到main函数还没找到匹配的就会报错
}
如果每增加一种异常就要增加一种匹配类型进行对应，因为异常的捕获要求类型完全匹配，但是有一个例外，可以抛出的派生类对象，使用基类捕获，因为派生对象赋给基类对象是一种切片，天然的行为，不存在类型转换的问题。
所以，我们可以定义一个基类这个类型包含异常的基本信息包括错误码和错误信息，然后分成几个模块，不同模块只要继承这个基类就可以拿到异常的基本信息。捕获的时候只要捕获基类和未知异常就可以。
class Exception
{
public:
Exception(int errid, const string& errmsg)
:_errid(errid)
, _errmsg(errmsg)
{}
int GetErrid() const
{
return _errid;
}
virtual string what() const
{
return _errmsg;
}
protected:
int _errid; //错误码
string _errmsg; //错误描述
};
class SqlException : public Exception
{
public:
SqlException(int Errid,const string& mesg,const string& sql)
:Exception(Errid,mesg)
,_sql(sql)
{}
virtual string what() const
{
string msg = "SqlException: ";
msg += _errmsg;
msg += "->";
msg += _sql;
return msg;
}
protected:
string _sql;
};
class CacheException : public Exception
{
public:
CacheException(const string& messg, int id)
:Exception(id, messg)
{}
virtual string what() const
{
string msg = "ChcheException";
msg += _errmsg;
return msg;
}
};
class HttpServerException : public Exception
{
public:
HttpServerException(const string& errmsg,int id,const string& type)
:Exception(id,errmsg)
,_type(type)
{}
virtual string what() const
{
string msg = "HttpServerException: ";
msg += _errmsg;
msg += "->";
msg += _type;
return msg;
}
private:
const string _type;
};
void SQLMgr()
{
//模拟数据库出错
if (rand() % 7 == 0)
{
throw SqlException(100,"权限不足","select * from name = 张三");
}
cout << "调用成功" << endl;
}
void CachMgr()
{
//模拟缓存出错
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();
}
//模拟发送消息
void seedmsg(const string& s)
{
if (rand() % 5 == 0)
{
throw HttpServerException("网络不稳定", 102, "put");
}
else if (rand() % 3 == 0)
{
throw HttpServerException("你已经不是对象好友", 103, "put");
}
else
{
cout << "发送成功" << endl;
}
}
void HttpServer()
{
//模拟服务出错
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");
}
//seedmsg("今天一起去看电影吧");
for (size_t i = 0; i < 4; i++)
{
try
{
seedmsg("今天一起去看电影吧");
break;
}
catch (const Exception& e)
{
if (e.GetErrid() == 102)
{
if (i == 3)
throw e;
cout << "开始第" << i + 1 << "重试" << endl;
}
else
{
throw e;
}
}
}
CachMgr();
}
using std::chrono::system_clock;
int main()
{
srand((unsigned(time(nullptr))));
while (1)
{
this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
try
{
HttpServer();
}
catch (const Exception& e) //这里捕获父类对象就可以
{
system_clock::time_point today = system_clock::now();
std::time_t tt;
tt = system_clock::to_time_t(today);
//多态
cout << e.what() << " 时间: " << ctime(&tt) << endl;
}
catch (...)
{
cout << "unkown err" << endl;
}
}
}
运行结果截图：
3.3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。
方式一：直接处理异常
double Division(int len,int time)
{
if (time == 0)
{
throw "Division by zero condition!";
}
return (double)len / (double)time;
}
void Func()
{
int* array = new int[10];
int len, time;
cin >> len >> time;
//1.可以直接捕获异常,进行处理
try
{
cout << Division(len, time) << endl;
}
catch (const char* errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
cout << "delete [] " << array << endl;
delete[] array;
}
void Func()
{
int* array = new int[10];
int len, time;
cin >> len >> time;
int main()
{
//在外层捕获异常可以统一记录日志
try
{
Func();
}
catch (const char* errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
return 0;
}
方式二：在外面统一处理异常,异常的重新抛出异常
这里并不是直接处理异常，而是解决资源未被释放的问题。
//2.期望在外面统一处理异常,异常的重新抛出异常
try
{
cout << Division(len, time) << endl;
}
catch (const char* errmsg)
{
cout << "delete [] " << array << endl;
delete[] array;
throw errmsg;
}
cout << "delete [] " << array << endl;
delete[] array;
}
方式三：接受什么异常抛出什么异常
void Func()
{
int* array = new int[10];
int len, time;
cin >> len >> time;
//3.期望在外面统一处理异常,异常的重新抛出异常,可能有多种异常
try
{
cout << Division(len, time) << endl;
}
catch (...)
{
cout << "delete [] " << array << endl;
delete[] array;
throw; //补到什么抛什么
}
cout << "delete [] " << array << endl;
delete[] array;
}
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
- 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。
3.4 异常规范
- 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。
- 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 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.自定义异常体系
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。
5.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：
| 异常 | 描述 |
|---|---|
std::exception | 该异常是所有标准C++异常的父类。 |
std::bad_alloc | 当new操作符无法分配内存时，会抛出该异常。 |
std::bad_cast | 当dynamic_cast无法进行安全的类型转换时，会抛出该异常。 |
std::bad_exception | 当程序中出现无法预期的异常时使用，通常在unexpected()调用中处理。 |
std::bad_typeid | 当对typeid运算符使用了空指针类型时，会抛出该异常。 |
std::logic_error | 表示程序逻辑错误的异常，理论上可以通过检查代码发现。 |
std::domain_error | 当数学运算使用了无效域（如sqrt的负数）时会抛出该异常。 |
std::invalid_argument | 当函数接收到无效参数时，会抛出该异常。 |
std::length_error | 当试图创建超出容器允许大小的对象（如std::string过长）时，会抛出该异常。 |
std::out_of_range | 当容器使用非法索引访问元素时（如std::vector::at()），会抛出该异常。 |
std::runtime_error | 表示运行时无法预料的异常，无法通过代码检查发现。 |
std::overflow_error | 当算术运算发生上溢时（如整数加法超出最大范围），会抛出该异常。 |
std::range_error | 当试图存储超出合法范围的值时，会抛出该异常。 |
std::underflow_error | 当算术运算发生下溢时（如浮点数接近零但为负），会抛出该异常。 |
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。
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) // 这里捕获父类对象就可以
{
cout << e.what() << endl;
}
catch (...)
{
cout << "Unkown Exception" << endl;
}
return 0;
}
6.异常的优缺点
C++异常的优点：
- 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，那么我们得层层返回错误，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。 - 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：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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();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。另外OO的语言基本都是用异常处理错误，这也可以看出这是大势所趋。
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