【C++】异常处理详解

  本篇文章重点将会对C++中的异常的相关处理操作进行详解。希望本篇文章的内容会对你有所帮助。

目录

一、C语言的异常处理

二、C++异常

2、1 异常概念

2、2 异常的使用

2、3 异常类

2、4 异常的重新抛出

三、异常的安全与规范

3、1 异常的安全

3、2 异常的规范

四、异常的优缺点

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🙋‍♂️ 作者：@Ggggggtm 🙋‍♂️

👀 专栏：C++ 👀

💥 标题：C++异常处理 💥

❣️ 寄语：与其忙着诉苦，不如低头赶路，奋路前行，终将遇到一番好风景 ❣️ 

一、C语言的异常处理

  在我们写C语言程序时，似乎并没有很多的专门对异常情况进行处理的方式。其中最为常用就是使用 assert 函数进行断言判断。下面我们看看C语言的错误处理机制：

1. 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。
2. 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。

  其实我们也不难发现，C语言在异常处理方面的不足主要体现在缺乏内置的异常机制、依赖错误码、缺乏自动资源管理和异常处理代码的复杂性。这些问题可能导致错误难以捕获和处理，增加了程序出错的风险。于是在C++中就引入了自已的一套异常处理机制。接下来我们将要学习C++的异常处理相关操作。

二、C++异常

2、1 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。

以下是C++中异常的概念和使用方法的详细解释：

1. 引发异常（Throw）：在C++中，可以使用throw关键字来引发异常。throw后面通常跟着一个表达式，该表达式的类型可以是任意类型，但通常建议使用内置类型或自定义异常类。例如：

   void divide(int a, int b) 
   {
       if (b == 0) {
           throw "Divide by zero error";  // 抛出一个C风格字符串异常
       }
       int result = a / b;
   }
   

2. 捕获异常（Catch）：捕获异常是指在代码中通过使用try-catch块来捕获并处理异常。try块用于包含可能引发异常的代码，而catch块用于捕获和处理特定类型的异常。例如：

   int main() 
   {
       try 
       {
           divide(10, 0); // 尝试调用divide函数并捕获可能抛出的异常
       } catch(const char* error) 
       {
           cout << "Exception caught: " << error << endl;  // 处理异常
       }
       return 0;
   }
   

     在上面的例子中，try块包含了调用divide(10, 0)函数的代码。由于该函数会抛出一个字符串异常，因此在catch块中捕获并处理该异常。

  总结：

1. 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；
2. 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。
3. 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。

   一般情况下，try后面都会跟多个catch块的。具体例子如下：

try
{
    // 保护的标识代码
}catch( ExceptionName e1 )
{
    // catch 块
}catch( ExceptionName e2 )
{
    // catch 块
}catch( ExceptionName eN )
{
    // 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。

2、2 异常的使用

  上述了解异常的概念后， 我们再来看一下异常的具体使用。异常的使用中会有很多细节问题，接下来会结合实际的例子跟大家详细解释。

  我们先看如下代码：

#include
 
using namespace std;
 
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* emsser)
	{
		cout << emsser << endl;
	}
	catch (int a)
	{
		cout << a << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "未知错误" << endl;
	}
	return 0;
}

  首先，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。就上述代码的例子来讲，我们 throw 抛出的是一个字符串，那么 catch 将会匹配 char*的。并不会匹配 int 类型的。

  上述Func（）中调用了Division（）函数。当在Division（）函数中抛出异常后，并不会先返回到Func（）函数，再返回到main（）函数中的catch进行匹配。而是直接从Division（）函数跳转到匹配的 catch 处。

  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。有时后调用的函数可能比较多，也比较深。例如下述情况：

  去找catch匹配的前提：throw 本身再try內部。如下情况是不会寻找catch匹配的，代码如下：

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 Sum(int a,int b)
{
    if(a<0 || b<0)
        throw "Sum error";
    return a+b;
}
 
int main()
{
    Func();
	try {
		Sum(1,2);
	}
	catch (const char* emsser)
	{
		cout << emsser << endl;
	}
	catch (int a)
	{
		cout << a << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "未知错误" << endl;
	}
	return 0;
}

  即使Division（）函数中有 throw ，但是并没有在try块内部。反而 Sum 会进行匹配寻找catch。

  其次，如果多个函数中都有 catch 且均在try块內部，那么会找最近的匹配的哪一个。

  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）。

  细心的同学发现了，最后的 catch 后括号内跟的是 ... 。这个是什么意思呢？ throw 所抛出的对象我们的所有 catch 可能都不会很好的匹配。catch(...)可以捕获任意类型的异常，但是不知道异常错误是什么。

  在函数调用链中异常栈展开匹配原则：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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

  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。下面我们看看是怎么进行抛出派生类对象，用基类来接受的。

2、3 异常类

  异常类是C++中处理异常的一种机制，它允许程序在运行时通过抛出和捕获异常来处理错误情况。异常类是从std::exception类派生而来，它允许程序员定义自己的异常类型，并根据不同的错误情况进行相应的处理。

  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。

  下面我们结合一个例子来理解一下。我们看如下代码：

class Exception
{
public:
	Exception(const string& errmsg, int id)
		:_errmsg(errmsg)
		, _id(id)
	{}
	virtual string what() const
	{
		return _errmsg;
	}
protected:
	string _errmsg;
	int _id;
};
class SqlException : public Exception
{
public:
	SqlException(const string& errmsg, int id, const string& sql)
		:Exception(errmsg, id)
		, _sql(sql)
	{}
	virtual string what() const
	{
		string str = "SqlException:";
		str += _errmsg;
		str += "->";
		str += _sql;
		return str;
	}
private:
	const string _sql;
};
class CacheException : public Exception
{
public:
	CacheException(const string& errmsg, int id)
		:Exception(errmsg, id)
	{}
	virtual string what() const
	{
		string str = "CacheException:";
		str += _errmsg;
		return str;
	}
};
class HttpServerException : public Exception
{
public:
	HttpServerException(const string& errmsg, int id, const string& type)
		:Exception(errmsg, id)
		, _type(type)
	{}
	virtual string what() const
	{
		string str = "HttpServerException:";
		str += _type;
		str += ":";
		str += _errmsg;
		return str;
	}
private:
	const string _type;
};
void SQLMgr()
{
	srand(time(0));
	if (rand() % 7 == 0)
	{
		throw SqlException("权限不足", 100, "select * from name = '张三'");
	}
	//throw "xxxxxx";
}
void CacheMgr()
{
	srand(time(0));
	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();
}
void HttpServer()
{
	srand(time(0));
	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");
	}
	CacheMgr();
}
int main()
{
	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
		{
			// 多态
			cout << e.what() << endl;
		}
		catch (...)
		{
			cout << "Unkown Exception" << endl;
		}
	}
	return 0;
}

  上述代码包含了几个自定义异常类（SqlException、CacheException和HttpServerException），并在主函数中模拟了一些异常情况。以下是对代码的解释：

  其中异常基类是 Exception。派生类 SqlException、派生类 CacheException、派生类 HttpServerException 都有重写了 what（）函数，并且返回所对应的错误信息。

  我们通过调用函数 SQLMgr()、函数 CacheMgr()、函数 HttpServer()，在对应的情况下都会抛出异常。在main（）中进行业务处理。使用 const Exception& 基类的引用来捕获异常，这样可以处理基类及其派生类的异常。如果捕获到异常，输出异常的信息（使用了多态性，通过调用虚函数 what() 获取异常的完整信息）。如果未捕获到任何异常，则打印 "Unknown Exception"。

  该代码示例展示了异常处理的基本用法，包括自定义异常类和异常的派生关系。通过捕获基类引用，可以捕获并处理派生类的异常，并根据需要输出异常信息。

2、4 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。我们看如下情况：

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()
{
	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;
}

  我们看上述情况：如果不对Fucn（）函数中的Division（）函数用 try 块进行异常检查，俺么在Division（）函数中抛出了异常就会直接到main（）函数中进行匹配catch。确实能匹配上，但是我们在Func（）函数中申请的资源还没有释放！！！

  所以我们这里需要对Fucn（）函数中的Division（）函数进行异常检查。然后在Fucn（）函数中匹配上的catch进行异常重新抛出（这里的 throw 就是异常重新抛出，所抛出的异常与前次的异常相同）。

三、异常的安全与规范

3、1 异常的安全

  通过上面的学习，我们发现异常也会带来一些潜在的危害。比如：内存泄漏。还有哪些常见异常安全的问题呢？如下：

1. 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。
2. 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)。
3. 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。

  下篇文章会对RAII进行详解。

3、2 异常的规范

  为了减少因为异常而导致程序出现问题，C++也对异常设置了一个期望遵守的规范。具体如下：

1. 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。
2. 函数的后面接throw()，表示函数不抛异常。
3. 若无异常接口声明，则此函数可以抛掷任何类型的异常。
4. 函数后接 noexcept 来表示函数不可能抛出异常。

  我们可结合如下代码理解，代码如下：

// 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;

四、异常的优缺点

  C++异常的优点：

1. 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。
2. 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，具体看下面的详细解释。

   // 1.下面这段伪代码我们可以看到ConnnectSql中出错了，先返回给ServerStart，
   //   ServerStart再返回给main函数，main函数再针对问题处理具体的错误。
   // 2.如果是异常体系，不管是ConnnectSql还是ServerStart及调用函数出错，都不用检查，因
   //   为抛出的异常异常会直接跳到main函数中catch捕获的地方，main函数直接处理错误。
   int ConnnectSql()
   {
   	// 用户名密码错误
   	if (...)
   		return 1;
   	// 权限不足
   	if (...)
   		return 2;
   }
   int ServerStart() {
   	if (int ret = ConnnectSql() < 0)
   		return ret;
   	int fd = socket()
   		if（fd < 0）
   		return errno;
   }
   int main()
   {
   	if (ServerStart() < 0)
   		...
   		return 0;
   }
   

3. 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。
4. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

  总体而言，C++的异常处理机制提供了一种强大的错误处理方式，可以增强程序的健壮性和可读性。然而，在使用异常处理时，需要注意避免过度使用以及正确处理相关的资源管理和异常安全性问题，以确保程序的正确性和性能。 总的来说，异常还是比较推荐使用的。因为异常所带来的利远远大于弊。