【C++】你了解异常的用法吗？

news2025/1/8 13:38:15

文章目录

  • Ⅰ. C语言传统的处理错误的方式
  • Ⅱ. C++异常概念
  • Ⅲ. 异常的使用
    • 1、异常的抛出和匹配原则
    • 2、在函数调用链中异常栈展开匹配原则
    • 3、异常的重新抛出
    • 4、异常安全
    • 5、异常规范
  • Ⅳ. 自定义异常体系
  • Ⅴ. C++标准库的异常体系
  • Ⅵ. 异常的优缺点
    • 1、异常的优点
    • 2、异常的缺点
    • 3、总结

Ⅰ. C语言传统的处理错误的方式

传统的错误处理机制：

  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。

  3. C 标准库中 setjmp 和 longjmp 组合。这个不是很常用，了解一下。

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。

Ⅱ. 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
}

Ⅲ. 异常的使用

1、异常的抛出和匹配原则

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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）

  4. 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。

  5. 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，我们后面会详细讲解这个。

  6. 在同一个作用域中，不允许捕捉异常的时候捕捉同种类型的异常；而在不同的作用域中则可以存在同种类型的异常捕捉。

2、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。

在这里插入图片描述

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* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (...)  // 用于捕捉任意异常，一般每个捕捉的最后都要加，防止程序未处理一些异常而退出程序
	{
		cout << "unkown exception" << endl;
	}

	cout << "catch done, exit!" << endl;
	return 0;
}

// 运行结果：
10 0
Division by zero condition!
catch done, exit!

​ 可以看到上述程序中因为我们输入的被除数是 0，所以在 Division 函数中直接抛出异常，而抛出的类型是 const char* 类型，注意我们无法用 char* 类型去接收它，因为会出现权限的放大而导致不匹配而无法捕捉到该异常。

​ 而最后我们为了防止出现其它的异常，我们直接用 catch(...) 表示捕获任意异常，防止程序未处理一些异常而导致退出。

​ 除此之外，我们也可以看到我们 调用完 catch 语句之后，程序还是依旧会从当前的函数中继续往下走直到程序结束，这就不会说导致我们直接退出程序，因为我们并不希望一遇到异常就让我们的程序退出，这是不可靠的做法！

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。

​ 简单地说，就是如果我们在一个函数 func1 中调用了一个可能会抛出异常的函数 func2，并且我们在 func1 中需要执行一些操作比如释放动态内存等，那么此时我们就需要在 func1 中对调用 func2 那段代码进行捕捉，在捕捉体中将动态内存释放，然后重新抛出给上一层的调用链函数，否则的话我们在 func1 中遇到异常就直接跳到上一层的调用链函数了，这样子就 没有释放动态内存，导致内存泄露！ 这其实也是我们会讲的异常安全问题！

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()
{
    // 这里可以看到如果发生除0错误抛出异常后，如果不接收异常的话会直接跳到main中的catch
    // 那么另外上面的array没有得到释放。所以这里捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外面那层函数也就是main去处理，这里捕获了再重新抛出去。
    int* array = new int[10];
	try {
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl;
	}
    catch (...) {
        cout << "delete []" << array << endl; // 捕捉过程中释放上面的动态内存
 		delete[] array;
		throw; // 代表抛出接收到的任意未知异常
	}
    
    // 如果上面没有捕捉异常的话，那么这里就不会被执行到，就会内存泄漏
    cout << "delete []" << array << endl;
    delete[] array;
}
int main()
{
	try {
		Func();
	}
    catch (const char* errmsg) {
		cout << errmsg << endl;
	}

	cout << "catch done, exit!" << endl;
	return 0;
}

// 运行结果：
10 0
delete []000002944DD0C2F0
Division by zero condition!
catch done, exit!

4、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，关于 RAII 我们会学智能指针进行讲解。

​ 句柄（handle）是C++程序设计中经常提及的一个术语。 它并不是一种具体的、固定不变的数据类型或实体，而是代表了程序设计中的一个广义的概念。 句柄一般是指获取另一个对象的方法——一个广义的指针，它的具体形式可能是一个整数、一个对象或就是一个真实的指针，而它的目的就是建立起与被访问对象之间的唯一的联系 。

5、异常规范

  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。

// 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 new (std::size_t size, void* ptr) throw();

​ C++11 引入了 noexcept 关键字，用于 指示函数不会抛出任何异常，如果抛出异常， 那么程序就会异常终止。使用 noexcept 关键字可以帮助编译器进行一些优化，同时也可以提高代码的可靠性。

​ C++11 使用 noexcept 替代 throw() 。

void foo() noexcept 
{
    // do something
    throw 1; // 若抛出异常则程序会终止
}

int main() 
{
    try {
        foo();  // 调用不会抛出异常的函数
    } 
    catch (...) {
        // 如果foo抛异常，则会处理异常
    }
    return 0;
}

在这里插入图片描述

Ⅳ. 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。

在这里插入图片描述

#include <iostream>
#include <Windows.h>
using namespace std;

// 服务器开发中通常使用的异常继承体系
class Exception
{
public:
	Exception(const string& errmsg, int id)
		:_errmsg(errmsg)
		, _id(id)
	{}
	virtual string what() const // 获取错误信息
	{
		return _errmsg;
	}
protected:
	string _errmsg; // 错误描述
	int _id; // 错误id
};

// 数据库异常
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;
};

// 缓存异常
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;
	}
};

// 协议服务异常
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'");
	}
}

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)
	{
		Sleep(1000);
		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;
}

Ⅴ. C++标准库的异常体系

​ C++ 提供了一系列标准的异常，定义在头文件 <exception> 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：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

std::exception官方文档

​ 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;
}

// 运行结果：
invalid vector subscript

​ 一般来说，我们除了使用自定义异常体系，我们还会在自定义的 catch 下面使用 C++ 的这套异常体系：

int main()
{
	while (1)
	{
		Sleep(1000);
		try {
			HttpServer();
		}
		catch (const Exception& e) // 自定义的
		{
			cout << e.what() << endl;
		}
		catch (const exception& e) // 标准库内的
		{
			cout << e.what() << endl;
		}
		catch (...)
		{
			cout << "Unkown Exception" << endl;
		}
	}
	return 0;
}

Ⅵ. 异常的优缺点

1、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[](size_t pos) 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。

  5. 很多测试框架都使用异常，这样能更好的使用单元测试等进行白盒的测试。

2、异常的缺点

  1. 异常会导致程序的执行流乱跳，类似于 goto，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：

    • 抛出异常类型都继承自一个基类
    • 函数是否抛异常、抛什么异常，都使用 func() noexcept; 的方式规范化。

3、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。
在这里插入图片描述

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