【C++】异常

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前言

C语言的错误处理机制

C++异常概念

异常的使用

异常的抛出与捕获

异常的重新抛出

异常安全

异常规范

自定义异常体系

异常体系搭建示例

C++标准库的异常体系

异常的优缺点

异常的优点

异常的缺点

总结

前言

C语言是如何处理错误的？C语言处理错误的机制实际上比较低级，比如直接终止程序assert或者返回错误码自行查表找错等，那C++作为一个面向对象的语言，对比C语言来说处理错误的方式有何优点呢？今天让我们一起来学习一下『异常处理』吧。

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C语言的错误处理机制

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。

C++异常概念

异常是面向对象语言常用的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，让函数直接或间接的调用者处理这个错误。

throw：当程序出现问题时，可以通过throw关键字抛出一个异常。
try：try块中放置的是可能抛出异常的代码，该代码块在执行时将进行异常错误检测，try块后面通常跟着一个或多个catch块。
catch：如果try块中发生错误，则可以在catch块中定义对应要执行的代码块。

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。

比如：

try
{
	//保护代码
}
catch (ExceptionName e1)
{
	//catch块
}
catch (ExceptionName e2)
{
	//catch块
}
catch (ExceptionName eN)
{
	//catch块
}

异常的使用

异常的抛出与捕获

异常的抛出与匹配原则

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，如果抛出的异常对象没有捕获，或是没有匹配类型的捕获，那么程序会终止报错。
被选中的处理代码（catch块）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。（类似于函数的传值返回）
catch(…)可以捕获任意类型的异常，但捕获后无法知道异常错误是什么。
实际异常的抛出和捕获的匹配原则有个例外，捕获和抛出的异常类型并不一定要完全匹配，可以抛出派生类对象，使用基类进行捕获，这个在实际中非常有用。

在函数调用链中异常『栈展开』的匹配原则：

首先检查throw本身是否在try块内部，如果在则查找匹配的catch语句，如果有匹配的，则跳到catch的地方进行处理。
如果当前函数栈没有匹配的catch则退出当前函数栈，继续在上一个调用函数栈中进行查找匹配的catch。找到匹配的catch子句并处理以后，会沿着catch子句后面继续执行，而不会跳回到原来抛异常的地方。
如果到达main函数的栈，依旧没有找到匹配的catch，则终止程序。

我们可以构建一个场景来解释一下异常『栈展开』的过程：

void func1()
{
	throw string("异常对象的类型是string类");
}
void func2()
{
	func1();
}
void func3()
{
	func2();
}
int main()
{
	try
	{
		func3();
	}
	catch (const string& s)
	{
		cout << "错误描述：" << s << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}
	return 0;
}

根据上述原则，我们可以推理整个过程：

首先会检查throw本身是否在try块内部，这里由于throw不在try块内部，因此会退出func1所在的函数栈，继续在上一个调用函数栈中进行查找，即func2所在的函数栈。
由于func2中也没有匹配的catch，因此会继续在上一个调用函数栈中进行查找，即func3所在的函数栈。
func3中也没有匹配的catch，于是就会在main所在的函数栈中进行查找，最终在main函数栈中找到了匹配的catch，并且该异常对象的类型是string类，所以会匹配到参数类型为string类的catch块中。
执行完catch块后继续执行该代码块后续的代码。

注意：在实际中我们最后都要加一个catch(…)确保捕获所有任意类型的异常，否则当有异常没捕获时，程序就会直接终止。

异常的重新抛出

有时候单个的catch可能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，比如最外层可能需要拿到异常进行日志信息的记录，这时就需要通过重新抛出将异常传递给更上层的函数进行处理。

但如果直接让最外层捕获异常进行处理可能会引发一些问题。

因为当捕获异常后catch后，会继续沿着catch块后续代码执行，就不会再返回到抛出异常的地方了。

比如：

void func1()
{
	throw string("异常的类型是string类");
}
void func2()
{
	int* array = new int[10];
	func1(); //栈展开，跳到main函数中找匹配的catch块

    //后续代码都不会执行了
	//do something...

	delete[] array;
}
int main()
{
	try
	{
		func2();
	}
	catch (const string& s)
	{
		cout << s << endl;//执行后继续执行catch块后续代码，不会跳回func2()
	}
	catch (...)
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}
	return 0;
}

其中func2中通过new操作符申请了一块内存空间，并且在func2最后通过delete对该空间进行了释放，但由于func2中途调用的func1内部抛出了一个异常，这时会直接跳转到main函数中的catch块执行对应的异常处理程序，并且在处理完后继续沿着catch块往后执行。

这时就导致func2中申请的内存块没有得到释放，造成了内存泄露。

这时可以在func2中先对func1抛出的异常进行捕获，捕获后先将申请到的内存释放再将异常重新抛出，这时就避免了内存泄露。

比如：

void func2()
{
	int* array = new int[10];
	try
	{
		func1();
		//do something...
	}
	catch (...)
	{
		delete[] array;
		throw; //将捕获到的异常再次重新抛出
	}
	delete[] array;
}

注意：

你无法预知try中可能会抛出哪些异常，尤其是当函数调用关系复杂时，所以在fun2中最好以catch(…)的方式进行捕获。

重新抛出异常对象时，throw后面可以不用指明要抛出的异常对象。

异常安全

将抛异常导致的安全问题叫做异常安全问题，对于异常安全问题下面给出几点建议：

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。
析构函数主要完成对象资源的清理，最好不要在析构函数中抛出异常，否则可能导致资源泄露（内存泄露、句柄未关闭等）。
C++中异常经常会导致资源泄露的问题，比如在new和delete中抛出异常，导致内存泄露；在lock和unlock之间抛出异常导致死锁，C++经常使用RAII（智能指针）的方式来解决以上问题，下篇文章会讲解『智能指针』。

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。

比如：

//表示func函数可能会抛出A/B/C/D类型的异常
void func() throw(A, B, C, D);
//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);
//表示这个函数不会抛出异常
void* operator new(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;

注意：异常规范实际上只是一种建议，并不是强制要求的语法，因为要考虑向下兼容的问题。

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。

因为公司中的项目一般会进行模块划分，让不同的程序员或小组完成不同的模块，如果不对抛异常进行规范，那么负责最外层捕获异常的程序员就非常难受了，因为他需要捕获大家抛出的各种类型的异常对象。

因此实际中都会定义一套继承的规范体系，先定义一个最基础的异常类，所有人抛出的异常对象都必须是继承于该异常类的派生类对象，因此最外层就只需捕获基类就行了。

前面我们提到过：实际异常的抛出和捕获的匹配原则有个例外，捕获和抛出的异常类型并不一定要完全匹配，可以抛出派生类对象，使用基类进行捕获，这个在实际中非常有用。

异常体系搭建示例

最基础的异常类至少需要包含错误编号和错误描述两个成员变量，甚至还可以包含当前函数栈帧的调用链等信息。该异常类中一般还会提供两个成员函数，分别用来获取错误编号和错误描述。

比如：

class Exception
{
public:
	Exception(int errid, const char* errmsg)
		:_errid(errid)
		, _errmsg(errmsg)
	{}

    //获取错误编号的方法
	int GetErrid() const
	{
		return _errid;
	}

    //获取错误描述的方法
	virtual string what() const
	{
		return _errmsg;
	}
protected:
	int _errid;     //错误编号
	string _errmsg; //错误描述
	//...
};

那么利用『继承』和『多态』，我们就可以实现自定义异常体系了。

比如：

class CacheException : public Exception
{
public:
	CacheException(int errid, const char* errmsg)
		:Exception(errid, errmsg)
	{}
	virtual string what() const
	{
		string msg = "CacheException: ";
		msg += _errmsg;
		return msg;
	}
protected:
	//...
};
class SqlException : public Exception
{
public:
	SqlException(int errid, const char* errmsg, const char* sql)
		:Exception(errid, errmsg)
		, _sql(sql)
	{}
	virtual string what() const
	{
		string msg = "SqlException: ";
		msg += _errmsg;
		msg += "->";
		msg += _sql;
		return msg;
	}
protected:
	string _sql; //导致异常的SQL语句
	//...
};

为了实现多态你需要注意以下几点：

异常类的成员变量不能设置为私有，因为私有成员在子类中是不可见的。
基类Exception中的what成员函数最好定义为虚函数，方便子类对其进行重写，从而达到多态的效果。

C++标准库的异常体系

C++ 提供了一系列标准的异常，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：

实际中我们也可以去继承exception类来实现自己的异常类，但实际中很多公司都会自己定义一套异常继承体系。

异常的优缺点

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等信息，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码，最终最外层才能拿到错误。
很多的第三方库都会使用异常，比如boost、gtest、gmock等等常用的库，如果我们不用异常就不能很好的发挥这些库的作用。
部分函数使用异常更好处理，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。

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，这会导致我们跟踪调试以及分析程序时比较困难（但相应的我们通过查看异常信息直接了解到错误信息，也从另一方面减小了调试代价）。
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露、死锁等异常安全问题。这个需要使用RAII（智能指针）来处理资源的管理问题，学习成本比较高。
C++标准库的异常体系定义得不够好，导致大家各自定义自己的异常体系，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，也会让外层捕获的用户苦不堪言。

总结

总体而言，异常的利大于弊，所以工程中我们还是鼓励使用异常的，并且面向对象的语言基本都使用异常处理错误，这也可以看出这是大势所趋。

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原文链接：https://blog.csdn.net/2301_77112634/article/details/137419469

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异常的使用

异常的抛出与捕获

异常的重新抛出

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异常的优缺点

异常的优点

异常的缺点

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