第14天：C++异常处理实战指南 - 构建安全的文件解析系统

一、今日学习目标

1. 🎯 掌握C++异常处理的核心语法与流程
2. 🛡️ 理解RAII在资源管理中的关键作用
3. 📦 创建自定义文件解析异常体系
4. 🚀 实现安全的文件解析器原型

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二、C++异常处理核心机制

1. 异常处理基础语法

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <stdexcept>

void parseConfiguration(const std::string& path) {
    std::ifstream file(path);
    if (!file) {
        throw std::runtime_error("配置文件打开失败: " + path);
    }
    
    // 解析操作...
    throw std::invalid_argument("无效的配置格式");
}

int main() {
    try {
        parseConfiguration("config.cfg");
    }
    catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "[错误] " << e.what() << std::endl;
        return EXIT_FAILURE;
    }
    return EXIT_SUCCESS;
}

2. 异常传播与嵌套处理

void loadFileContent(const std::string& path) {
    try {
        // 可能抛出异常的读取操作
    }
    catch (...) {
        std::throw_with_nested(
            std::runtime_error("加载文件失败: " + path)
        );
    }
}

int main() {
    try {
        loadFileContent("data.bin");
    }
    catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "主错误: " << e.what() << "\n";
        try {
            std::rethrow_if_nested(e);
        }
        catch (const std::ios_base::failure& ioErr) {
            std::cerr << "底层IO错误: " << ioErr.what() << "\n";
        }
    }
}

三、构建安全的文件解析器

1. 自定义异常体系设计

#include <stdexcept>
#include <string>

class FileParseException : public std::runtime_error {
public:
    enum class ErrorCode {
        FILE_NOT_FOUND,
        INVALID_FORMAT,
        DATA_OVERFLOW
    };

    FileParseException(ErrorCode code, const std::string& details)
        : std::runtime_error(makeMessage(code, details)),
          code_(code) {}

    ErrorCode code() const { return code_; }

private:
    static std::string makeMessage(ErrorCode code, const std::string& details) {
        std::string msg;
        switch(code) {
            case ErrorCode::FILE_NOT_FOUND: 
                msg = "文件未找到"; break;
            case ErrorCode::INVALID_FORMAT: 
                msg = "格式错误"; break;
            case ErrorCode::DATA_OVERFLOW: 
                msg = "数据溢出"; break;
        }
        return msg + " - " + details;
    }

    ErrorCode code_;
};

2. RAII文件处理器实现

class SafeFileHandler {
public:
    explicit SafeFileHandler(const std::string& path) 
        : file_(path, std::ios::binary) 
    {
        if (!file_) {
            throw FileParseException(
                FileParseException::ErrorCode::FILE_NOT_FOUND,
                "路径: " + path
            );
        }
    }

    std::ifstream& stream() { return file_; }

    ~SafeFileHandler() {
        if (file_.is_open()) {
            file_.close();
        }
    }

private:
    std::ifstream file_;
};

3. 解析器核心逻辑

struct ConfigData {
    int maxConnections;
    double timeoutSec;
};

ConfigData parseConfig(const std::string& path) {
    SafeFileHandler file(path);
    ConfigData data;
    
    try {
        file.stream() >> data.maxConnections;
        file.stream() >> data.timeoutSec;

        if (data.maxConnections > 1000) {
            throw FileParseException(
                FileParseException::ErrorCode::DATA_OVERFLOW,
                "最大连接数超过限制"
            );
        }
    }
    catch (const std::ios_base::failure&) {
        throw FileParseException(
            FileParseException::ErrorCode::INVALID_FORMAT,
            "文件读取失败"
        );
    }

    return data;
}

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四、异常安全等级实践

1. 异常安全等级实现

安全等级	实现策略	示例场景
基本保证	保证资源不泄漏	文件句柄自动关闭
强保证	事务性操作（要么全做，要么不做）	配置文件原子性更新
无抛出保证	noexcept声明+静态断言	数学计算工具函数

// 强保证示例：临时文件替换
void updateConfig(const std::string& path, const ConfigData& newData) {
    std::string tempPath = path + ".tmp";
    
    { // 事务性写入
        std::ofstream tempFile(tempPath);
        tempFile << newData.maxConnections << "\n" << newData.timeoutSec;
        if (!tempFile) throw std::runtime_error("临时文件写入失败");
    }
    
    if (std::rename(tempPath.c_str(), path.c_str()) != 0) {
        throw std::runtime_error("文件替换失败");
    }
}

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五、性能优化与最佳实践

1. 异常处理性能对比

// 高频调用场景使用错误码
ErrorCode safeParse(int& output) noexcept {
    if (invalidCondition) return ErrorCode::INVALID_INPUT;
    // ... 安全计算 ...
    return ErrorCode::SUCCESS;
}

// 低频场景使用异常
void parseUserInput(const std::string& input) {
    if (input.empty()) throw std::invalid_argument("空输入");
    // ... 复杂解析 ...
}

2. 异常使用准则

• ✅ 适合：不可恢复错误、构造函数失败、跨多层调用错误
• ❌ 避免：常规控制流、高频执行路径、析构函数

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六、调试技巧与工具

1. GDB调试异常流程

# 捕获异常抛出点
(gdb) catch throw

# 查看异常栈帧
(gdb) bt

# 检查异常对象
(gdb) p *(std::exception*) $ex

七、常见问题解答

Q：如何处理第三方库的异常？

• 封装C风格API：将错误码转换为异常
• 使用异常翻译层：捕获底层异常并重新抛出

Q：多线程中的异常如何处理？

• 每个线程单独处理自己的异常
• 使用std::promise传递异常到主线程

Q：异常处理影响程序性能吗？

• 正常流程无额外开销
• 实际抛出异常时成本较高（约万条指令周期）

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八、今日总结

✅ 掌握要点：

• 🛡️ RAII保障资源安全
• 🎯 自定义异常精准定位问题
• ⚖️ 异常安全等级实现策略
• ⚡ 异常处理的性能权衡