全面理解-c++中的异常处理机制

news2025/2/11 15:25:04

C++ 的异常处理机制是一种用于处理程序运行时错误的结构化方法，通过分离正常逻辑与错误处理代码，提高代码的可读性和可维护性。以下是其核心组成部分和工作原理的详细说明：

1. 异常处理的三大关键字

1.1 `try` 块

作用：包裹可能抛出异常的代码段。

语法：

try {
    // 可能抛出异常的代码
}

1.2 `throw` 表达式

作用：抛出异常对象（可以是任意类型，但通常继承自 std::exception）。
语法：
```
throw exception_object;
```

1.3 `catch` 块

作用：捕获并处理特定类型的异常。

语法：

catch (ExceptionType1& e) {
    // 处理 ExceptionType1 异常
} catch (ExceptionType2& e) {
    // 处理 ExceptionType2 异常
} catch (...) { // 捕获所有异常
    // 处理未知异常
}

2. 异常处理流程

抛出异常：代码执行到 throw 时，立即停止当前函数，开始栈展开（Stack Unwinding）。
栈展开：
- 析构当前作用域的局部对象（按构造逆序）。
- 沿调用链向上查找匹配的 catch 块。
捕获异常：找到第一个匹配的 catch 块后执行其代码。
未捕获异常：若未找到匹配的 catch 块，调用 std::terminate() 终止程序。

3. 异常类型与捕获方式

3.1 标准异常类

C++ 标准库定义了一组异常类（位于 <stdexcept> 头文件），均继承自 std::exception：

std::logic_error：程序逻辑错误（如 std::invalid_argument）。
std::runtime_error：运行时错误（如 std::overflow_error）。

自定义异常通常继承自 std::exception：

class MyException : public std::exception {
public:
    const char* what() const noexcept override {
        return "My custom exception";
    }
};

3.2 捕获方式

按值捕获：拷贝异常对象（可能引发切片问题）。
按引用捕获：避免拷贝，保留多态性（推荐）。
按指针捕获：需手动管理内存（不推荐）。
捕获所有异常：catch (...)（通常用于日志记录或资源清理）。

4. 异常安全性

函数在抛出异常时需保证资源不泄漏，分为三个级别：

基本保证（Basic Guarantee）：异常发生后，程序处于合法状态。
强保证（Strong Guarantee）：操作要么完全成功，要么回滚到操作前的状态（事务语义）。
不抛保证（No-throw Guarantee）：承诺不抛出任何异常（用 noexcept 标记）。

5. 关键机制与注意事项

5.1 `noexcept` 关键字

作用：声明函数不会抛出异常，帮助编译器优化代码。
语法：
```
void func() noexcept; // C++11 起
```

5.2 栈展开与析构

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）：依赖对象的析构函数自动释放资源（如智能指针、文件句柄）。
避免在析构函数中抛出异常：可能导致程序终止。

5.3 性能影响

零开销原则：无异常时代码无额外开销。
抛出异常时开销较大：涉及栈展开和类型匹配，避免频繁使用异常处理常规逻辑。

6. 代码示例

6.1 基本用法

#include <iostream>
#include <stdexcept>

void riskyOperation(int value) {
    if (value < 0) {
        throw std::invalid_argument("Value cannot be negative");
    }
    // 其他操作
}

int main() {
    try {
        riskyOperation(-5);
    } catch (const std::invalid_argument& e) {
        std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;
    } catch (...) {
        std::cerr << "Unknown error occurred" << std::endl;
    }
    return 0;
}

6.2 自定义异常

#include <exception>
#include <string>

class NetworkError : public std::exception {
private:
    std::string message;
public:
    NetworkError(const std::string& msg) : message(msg) {}
    const char* what() const noexcept override {
        return message.c_str();
    }
};

void connectToServer() {
    throw NetworkError("Connection timeout");
}