【C++———异常】

试着留盏灯，假装陪伴失眠的我..............................................................................................

文章目录

前言

一、【异常的引入】

1、【C语言处理错误的方式】

2、【C++异常概念】

二、【异常的用法】

1、【异常的抛出和捕获】

2、【异常的重新抛出】

3、【异常安全】

4、【异常规范】

三、【两种异常体系】

1、【自定义异常体系】

2、【C++标准库异常体系】

四、【异常的优缺点】

【异常的优点】

【异常的缺点】

总结

前言

本篇文章着重讲解C++异常处理的方式,三个关键字,tyr,catch,throw,并且介绍异常的用法和自定体系的异常以及智能指针在异常处理中的使用场景.其中,会复习C语言异常处理的方式，还请耐心观看！

一、【异常的引入】

其实所谓异常，就是一种错误，就是指程序在运行过程中遇到了某种问题，那么还记得C语言中是如何处理异常或者说错误的吗？

1、【C语言处理错误的方式】

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，如果在代码中使用assert,则只在debug模式下有效,在release模式下会失效.并且只要有错误就会直接终止程序,这明显不符合实际,比如说在使用微信时,由于网络问题
信息没发出去,这时直接将微信程序终止了,这样做会被乱棍打死!
返回错误码errno。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。
C标准库中setjmp和longjmp组合。（不常用）

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。

那么C++中的异常又该如何处理呢？

2、【C++异常概念】

C++有一套独立的异常处理机制,相信大家一定听说过try,catch这两个词,下面就来做详细的介绍，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通过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块中定义对应异常处理需要执行的代码块。

使用try/catch语句的语法如下所示：
try
{//被保护的代码
}
catch (ExceptionName e1)
{//catch块
}
catch (ExceptionName e2)
{//catch块
}
catch (ExceptionName eN)
{//catch块
}

二、【异常的用法】

1、【异常的抛出和捕获】

异常的抛出和捕获的匹配原则：

异常是通过抛出对象而引发的，异常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。比如、如果你在throw时抛出一个字符串,但是在catch捕获异常时的参数却写的是整数
那么这个抛出的异常就不会去这个catch。
throw和catch遵循就近原则，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，在公司写大工程的时候,会和很多同事合作写代码,大家都会抛出异常,但是你不能确定是不是所有人抛出的类型你都有相应的catch可以接收,若抛出一个异常没有被捕获会直接报错,所以…的作用很明显,用来兜底!一般用于接收一些未知异常。
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：

当异常被抛出后，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。

比如下面的代码中main函数中调用了func3，func3中调用了func2，func2中调用了func1，在func1中抛出了一个string类型的异常对象。
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 << "错误描述：" << s << endl;}catch (...){cout << "未知异常" << endl;}return 0;
}
结果如下：

当func1中的异常被抛出后：

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。
这时就会跳到main函数中对应的catch块中执行对应的代码块，执行完后继续执行该代码块后续的代码。

如下图所示：

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。在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时，程序就会直接终止。

2、【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。比如：
void func1()
{throw string("这是一个异常");
}
void func2()
{int* array = new int[10];func1();//do something...delete[] array;
}
int main()
{try{func2();}catch (const string& s){cout << s << endl;}catch (...){cout << "未知异常" << endl;}return 0;
}
结果如下：

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;
}
结果如下：

说明一下：

func2中的new和delete之间可能还会抛出其他类型的异常，因此在fun2中最好以catch(...)的方式进行捕获，将申请到的内存delete后再通过throw重新抛出。
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（正好也不知道以catch(...)的方式捕获到的具体是什么异常对象）。

3、【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（是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、互斥量等等）的简单技术。）的方式来解决以上问题，比如当在堆上申请空间,或者打开某个问题时，常容易出问题,因为堆上开辟的空间要显示调用delete处理而打开的文件也要显示调用fclose关闭所以一旦发生异常就会直接跳转到catch的位置,有可能直接忽略了释放函数这也就是导致了资源并没有被释放!因此我们在异常体系中最好使用RAII思想申请资源即使抛出异常后直接跳到catch也没问题当出了对象作用域会自动调用析构释放!

4、【异常规范】

为了让函数使用者知道某个函数可能抛出哪些类型的异常，C++标准规定：

在函数的后面接throw(type1, type2, ...)，列出这个函数可能抛掷的所有异常类型。
在函数的后面接throw()或noexcept（C++11），表示该函数不抛异常。
若无异常接口声明，则此函数可以抛掷任何类型的异常。（异常接口声明不是强制的）

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();

三、【两种异常体系】

1、【自定义异常体系】

实际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。

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，如果不对抛异常这件事进行规范，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，因为异常语法规定可以用基类捕获抛出的派生类对象，因此最外层就只需捕获基类就行了。
不同的部分可以抛出不同的异常,然后在总的main函数中使用基类捕获所有的异常再来进行特殊的处理

如下图：

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){}int GetErrid() const{return _errid;}virtual string what() const{return _errmsg;}
protected:int _errid;     //错误编号string _errmsg; //错误描述//...
};
其他模块如果要对这个异常类进行扩展，必须继承这个基础的异常类，可以在继承后的异常类中按需添加某些成员变量，或是对继承下来的虚函数what进行重写，使其能告知程序员更多的异常信息。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 = "CacheException: ";msg += _errmsg;msg += "sql语句: ";msg += _sql;return msg;}
protected:string _sql; //导致异常的SQL语句//...
};
说明一下：

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。

2、【C++标准库异常体系】

C++标准库当中的异常也是一个基础体系，其中exception就是各个异常类的基类，我们可以在程序中使用这些标准的异常，它们之间的继承关系如下：

下表是对上面继承体系中出现的每个异常的说明：

说明一下：

exception类的what成员函数和析构函数都定义成了虚函数，方便子类对其进行重写，从而达到多态的效果。
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。

四、【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。
很多测试框架也都使用异常，因此使用异常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。
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。
异常接口声明不是强制的，对于没有声明异常类型的函数，无法预知该函数是否会抛出异常。

但总体而言，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OO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。