【C++】一文带你深入理解C++异常机制

前言

C++异常是C++编程语言中用于处理运行时错误的一种机制。它允许程序在检测到无法处理的错误条件时，通过抛出异常（使用throw关键字）来跳出正常的执行流程，并立即跳转到与该异常类型相匹配的catch代码块中进行处理。

一、C语言处理错误的方式

1. 终止程序：如assert，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：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

比如在C语言中我们学过​strerror函数可以把参数部分错误码对应的错误信息的字符串地址返回来。 C语言程序启动的时候就会使用一个全局的变量errno来记录程序当前的错误码，只不过程序启动的时候errno是0，表示没有错误，当我们在使用标准库中的函数的时候发生了某种错误，就会将对应的错误码存放在errno中，而一个错误码的数字是整数很难理解是什么意思，所以每一个错误码都是有对应的错误信息的，strerror函数就可以将错误码对应的错误信息字符串的地址返回来。整数0~10对应的错误信息如下：

二、C++异常

C语言中获取错误信息需要单独调相关的函数，C++期望能直接获得一个错误对象，这个对象中包含比较全面的错误信息。异常是一种处理错误的方式，当一个函数出现自己无法处理的错误时抛出这个异常，让函数的直接或间接调用者处理这个错误。

• throw：当问题出现时，程序通过throw抛出一个异常，这个异常可以是任意类型
• catch：在需要处理异常的地方用catch捕获异常，catch可以有多个
• try：标记一段代码，被称为保护代码，这段代码可能会抛出异常，抛出异常时，程序会立即跳转到与该异常类型相匹配的catch块，后面通常跟着一个或多个catch块

异常处理机制提供了一种处理运行时错误的方法，使得程序能够在遇到错误时优雅地恢复或终止，而不是直接崩溃。

三、异常的使用

3.1 异常的抛出和捕获

| 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匹配哪个catch的处理代码，该对象在匹配catch的过程中不会有任何隐式类型转换
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匹配catch以后销毁
4. catch(...)可以捕获任意类型的异常，只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

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
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，也就是说catch语句正常流不会进去
3. 如果到达main函数的栈，依旧没有匹配的，则终止程序，实际中我们最后都要加catch(...)来捕获任意类型的异常
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

函数调用链展开过程中捕获异常看似是从抛出到捕获直接跳到匹配的catch语句，实际经过的函数都会正常结束，如果函数中有对象等也会正常调用析构处理干净。

3.2 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。 比如：有时在处理异常前有资源需要释放，那就要先释放掉资源再将异常重新抛出：

//...
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;//异常重新抛出，捕到什么抛什么
	}

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

• 其中catch(...)不是为了处理异常，而是释放资源，捕到什么抛什么

如果new了多个对象如何处理？

我们知道new在出现错误时也会抛异常，在上面的情况中，如果在new第二个对象时抛出异常，那么第一个对象就得不到释放，所以当需要new多个对象时，后面的new代码都要放到try块中进行保护。

//...
int* array1 = new int[10];
try
{
	int* array2 = new int[10];
}
//...

这样比较麻烦，不过不用担心，对于类似这种情况更好的解决方案是下篇文章介绍的智能指针。

3.3 异常安全

• 最好不要在构造函数中抛异常，否则可能导致对象不完整或没有完全初始化
• 最好不要在析构函数内抛异常，否则可能导致资源泄漏
• 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在下篇智能指针中介绍

3.4 异常规范

1. 异常规范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出的所有异常类型
2. 函数的后面接throw()，表示函数不抛异常，C++11中新增关键字noexcept，表示不抛异常
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. noexcept会影响异常的正常捕获，因此确定不会抛异常才能加noexcept

// 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、自定义异常体系

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。继承基类，在派生类中重写包含错误信息的相关虚函数实现多态，哪个派生类抛出异常，最后由基类接收，指向谁调用谁。

1. 定义基础异常类：定义一个基础异常类，并添加一些自定义的功能
2. 定义具体的异常类：根据实际需要，定义具体的异常类，继承基础异常类，在派生类中包含所需要的异常信息
3. 抛出和捕获异常：在需要的地方抛出这些自定义异常，并在适当的位置捕获和处理它们

例如：

// 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
	{
		return _errmsg;
	}
protected:
	string _errmsg;//错误信息
	int _id;//错误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;
}

五、C++标准库异常体系

C++ 提供了一系列标准的异常，定义在std::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。

六、异常的优缺点

| 优点：

1. 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，在函数调用链中，深层的函数得层层返回错误，最外层才能拿到
3. 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

| 缺点：

1. 运行时出错抛异常就会乱跳，增加我们跟踪调试以及分析程序的困难
2. 异常会有一些性能的开销，不过现代硬件速度比较快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
4. C++标准库异常体系定义得不好，导致大家各自定义各自的异常体系，有点混乱
5. 尽量规范使用异常，随意抛异常，外层捕获的用户会很难受。异常规范有两点：(1)抛出异常类型都继承自一个基类，(2)函数是否抛异常、抛什么异常，都使用func() throw();的方式规范化

总体来说异常还是利大于弊，合理地使用异常处理可以提高代码的健壮性和可读性，但滥用或不当使用则可能导致代码变得复杂且难以维护。

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