C++异常

用户11029129

发布于 2024-10-18 09:47:41

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🚀异常概念

✈️C语言传统的错误处理方式

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。
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。
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。

✈️C++异常

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。

#include <iostream>

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* errmsg) {
        cout << errmsg << endl;
    }

    return 0;
}

如果没有出现异常，正常执行，不走catch，执行结束：

如果在检测块出现了异常，则直接由异常处返回到catch处，并输出报错信息。

catch会对throw出的异常进行匹配，如果throw没有对应类型的异常，那么将会报错：

#include <iostream>

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 test()
{
    int i;
    cin >> i;
    if (i % 2 == 0)
        throw i;
}

void Func()
{
    int len, time;
    cin >> len >> time;
    cout << Division(len, time) << endl;
    test();
}

int main()
{
    try
    {
        Func();
    }
    catch (const char* errmsg) {
        cout << errmsg << endl;
    }

    return 0;
}

throw的类型没有对应的catch相匹配，那么就会报错。这里的调用链逻辑就是：main -> func -> devision -> test -> catch。如果采用传统C语言错误码返回的方式这里需要返回的层数就会过多。

🚀异常的使用与安全

✈️异常使用

异常的抛出和匹配原则：

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。
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。
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）
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。
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。

在函数调用链中异常栈展开匹配原则:

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。
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。
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。
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。

当然，C++这种异常的处理方式大概率会打乱我们原本的执行流，所以一般在项目当中不会让异常跳出既定执行流，通常是将异常放入日志，以后通过日志分析异常出现原因。

而catch(…)保证了程序的健壮性，如果一个大型项目里面，有一个程序出现了异常并且抛出了异常，但是没有匹配的类型，所以这个程序就会挂，为了不让程序挂，通常我们写程序的时候会加上catch(…)，可以用来接收所有的异常，如果有特殊的异常没有匹配的类型，就会被catch(…)捕获，就不至于挂了，因为不知道具体是哪种异常，所以catch(…)内无法判断异常类型，保证程序的健壮性是其意义 所在。

✈️异常规范与开发常用异常体系

异常规范：

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。
函数的后面接throw()，表示函数不抛异常。
若无异常接口声明，则此函数可以抛掷任何类型的异常。

// 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();

这里可以在函数后声明此函数存在哪些异常，但是这个规范的漏洞很多，例如以下代码实际上是存在异常的：

#include <iostream>

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!";
	}
	return (double)a / (double)b;
}

void func() throw()
{
	int len, int time;
	cin >> len >> time;
	cout << Division(len, time);
}

int main()
{
	try
	{
		func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	return 0;
}

这个时候给人的误导性很强，而且这个语法因为要兼容C语言所以并不是强制实现的，所以可能有些人按照规范走，有些人不按照规范走。而C++11有一个新语法：

// C++11中新增的 noexcept 表示不会抛异常
thread() noexcept;
thread(thread && x) noexcept;

所以，不需要在函数前面声明了，如果函数体内有异常的话，不要在函数声明后面加上任何东西，如果确定没有异常抛出的话，就加上 noexcept，不过这些语法也防不住有心的人。这个地方的设计个人觉得不是很好。

工程实例中常用的异常体系如下：

class Exception
{
public:
	Exception(const string& errmsg, int id) :
		_errmsg(errmsg)
		, _id(id)
	{}

	virtual string what() const// 子类对虚函数重写
	{
		return _errmsg;
	}

protected:
	string _errmsg; // 错误描述
	int _id;		// 错误编号
};

而子类继承父类，每一个服务模块都需要继承Exception基类，并且在子类中重写what()函数，这样我们在main函数中就不需要设置多个catch来捕获不同类型的异常了。

只需要在main函数中创建父类对象的引用，当子类中有错误抛出的时候，会返回到main函数的父类，父类指向子类，就完成了一次多态调用，调用子类重写的what()函数。下面是一个简单的示例调用：

#include <iostream>
#include <string>
#include <windows.h>
#include <cstdlib>
#include <ctime>

using namespace std;

class Exception
{
public:
	Exception(const string& errmsg, int id) :
		_errmsg(errmsg)
		, _id(id)
	{}

	virtual string what() const// 子类对虚函数重写
	{
		return _errmsg;
	}

protected:
	string _errmsg; // 错误描述
	int _id;		// 错误编号
};

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 = "SqlExcption:";
		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 waht() 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'");
	}

	cout << "_________________________执行结束_________________________" << endl;
}

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("权限不足", 100, "get");
	}
	else if (rand() % 4 == 0)
	{
		throw HttpServerException("数据不存在", 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
		{
			// 这里走了一个多态, 父类指针指向子类的对象，指向谁调用谁
			cout << e.what() << endl;
		}
		catch (...)
		{
			cout << "Unkown Exception" << endl;
		}
	}
	return 0;
}

✈️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我们智能指针这节进行讲解。

构造函数与析构函数内抛异常是一件很严重的事情，如果构造函数有两个指针需要初始化，当第一个指针进行初始化的时候却抛异常了，这个时候就会跳出构造，导致对象创建不完整，除了作用域会调用析构函数，而类构造函数中有一个指针没有初始化，也就是说有一个空指针，这个时候调用析构函数就会导致delete空指针，导致内存泄漏。

还有一种情况，当new/malloc对象之后，在free/delete之前发生了异常，并且是未知异常，这样就会被catch(…)捕获，但是由于是未知异常，不会释放资源，导致内存泄漏问题。如果编写线程demo在临界区内抛异常可能会导致死锁问题，当临界区异常为未知异常时，被catch(…)捕获，也没办法解锁。

所以大部分的时候我们不要在程序中间捕获异常，解决方法可以使用 异常的重新抛出：

#include <iostrem>

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!";
	}
	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 (...)// 如果没有二次抛出异常这里的delete就不会被执行，导致内存泄漏
	{
		cout << "delete []" << array << endl;
		delete[] array;
		throw;
	}

	cout << "delete []" << array << endl;
	delete[] array;
}

int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "this is a unknown abnormal" << endl;
	}
	return 0;
}

如果func内部抛异常了，这个时候就会跳出delete的代码，导致资源没释放，所以我们可以选择二次抛出异常，在catch内先清理资源，再把异常抛出到下一级。在二次抛出的try代码块里的函数可能会有多层，可能会是不同的异常，这样异常出来之后就不能匹配了，或者被main函数内的catch(…)捕获，又会导致没法delete，实属治标不治本，但是我们二次抛出异常可以使用catch(…)抛出，不论try内检测了什么异常，都会被catch(…) 返回，也能保证一定会捕获异常，也就能清理资源了。

try {
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Division(len, time) << endl;
}
catch (...)// 如果没有二次抛出异常这里的delete就不会被执行，导致内存泄漏
{
	cout << "delete []" << array << endl;
	delete[] array;
	throw;
}

不也有一些极端的场景，处理起来让人很头疼：

void func()
{
	int* p1 = new int[10];
	int* p2, * p3;

	try {
		p2 = new int[30];
		try {
			p3 = new int[20];
		}
		catch (...)
		{
			delete[] p3;
			delete[] p2;
			throw;
		}
	}
	catch(...)
	{
		delete[] p1;
		throw;
	}

	delete[] p1;
	delete[] p2;
	delete[] p3;

}

int main()
{
	try
	{
		func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	return 0;
}

比如这里new了三个数组，如果要对这三个抛异常，那么我们只能像上述方式捕获异常，这样代码的观感不好，并且写起来也不好。我们后面学了智能指针之后，这个问题就会变得简单了。

🚀C++标准库的异常体系

C++ 提供了一系列标准的异常，定义在中，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：

说明：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。

上面这么多的异常看起来眼花缭乱的，我们依旧可以使用多态的方式，只需要在main函数内构建一个父类对象，当子类内部发生异常返回的main函数，此时父类指针指向子类，实现多态，完成对子类what()方法的调用：

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;
}

🚀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的信息，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，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;
}

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。
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。
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。

✈️异常缺点

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。
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。
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。
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。

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原始发表：2024-10-18，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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