Java 的异常处理机制

Posted 2022-07-19 真正的飞鱼

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java 的异常处理机制相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

Java 语言在设计之初就提供了相对完善的异常处理机制。
我们首先介绍一下 Java 中的异常。

介绍 Java 中的异常

异常是程序在运行过程中出现的程序异常事件，异常会中断正在执行的正常指令流。
Java 中的异常分为两大类：Exception 和 Error。

下面是 Exception 和 Error 的类定义

public class Exception extends Throwable 
public class Error extends Throwable

Exception 和 Error 都继承了 Throwable 类，在 Java 中只有 Throwable 类型的实例才可以被抛出（throw）或者被捕获（catch）。
Exception 和 Error 体现了 Java 平台设计者对不同异常情况的分类。
下面我们逐一介绍 Error 和 Exception。

介绍 Error

Error 类对象一般是由虚拟机生成并抛出，绝大部分的 Error 都会导致虚拟机自身处于不可恢复的状态，是程序无法控制和处理的。当出现 Error 时，一般会选择终止线程。
Error 中最常见的是虚拟机运行错误（VirtualMachineError 抽象类）。
虚拟机运行错误中最常见的有：

内存溢出（OutOfMemoryError）：由于内存不足，虚拟机没有可分配的内存了，垃圾回收器也不能释放更多的内存，那么虚拟机抛出 OutOfMemoryError
栈溢出（StackOverflowError）：如果一个线程已用的栈大小超过配置的允许最大的栈大小，那么虚拟机抛出 StackOverflowError

介绍 Exception

Exception 有两种类型「编译时异常」和「运行时异常」
「编译时异常」对应 Java 的 Exception 类
「运行时异常」对应 Java 的 RuntimeException 类（RuntimeException 类继承 Exception 类）

下面是 Exception、RuntimeException 类的定义

public class Exception extends Throwable 
public class RuntimeException extends Exception

对于「运行时异常」，我们在编写代码的时候，可以不用主动去 try-catch 捕获（不强制要求），编译器在编译代码的时候，并不会检查代码是否有对运行时异常做了处理。
相反，对于「编译时异常」，我们在编写代码的时候，必须主动去 try-catch 获取或者在函数定义中声明向上抛出异常（throws），否则编译就会报错。
所以：

「运行时异常」也叫作非受检异常（Unchecked Exception）
「编译时异常」也叫作受检异常（Checked Exception）

常见的编译时异常有：

FileNotFoundException：当尝试打开由指定路径表示的文件失败时抛出
ClassNotFoundException：当应用程序尝试通过其字符串名称加载类时抛出，以下三种方法加载
- Class.forName(java.lang.String)
- ClassLoader.findSystemClass(java.lang.String)
- ClassLoader.loadClass(java.lang.String, boolean)

常见的运行时异常有：

非法参数异常（IllegalArgumentException）：当传入了非法或不正确的参数时抛出
空指针异常（NullPointerException）：当在需要对象的情况下使用了 null 时抛出。
下标访问越界异常（IndexOutOfBoundsException）：当某种索引（例如数组，字符串或向量）的索引超出范围时抛出。
类型转换异常（ClassCastException）：当尝试将对象转换为不是实例的子类时抛出。
运算异常（ArithmeticException）：运算条件出现异常时抛出。例如，“除以零”的整数。
Java 异常类的结构

如何处理函数抛出的异常

吞掉 or 抛出

总结一下，在函数抛出异常的时候，一般有下面三种处理方法。

直接吞掉
原封不动地 re-throw
包装成新的异常 re-throw

直接吞掉。具体的代码示例如下所示：

public void func1() throws Exception1 
    // ...


public void func2() 
    //...
    try 
        func1();
     catch (Exception1 e) 
        //吐掉：try-catch打印日志
        log.warn("...", e);
    
    //...

原封不动地 re-throw。具体的代码示例如下所示：

public void func1() throws Exception1 
    // ...


//原封不动的re-throw Exception1
public void func2() throws Exception1 
    //...
    func1();
    //...

包装成新的异常 re-throw。具体的代码示例如下所示：

public void func1() throws Exception1 
    // ...


public void func2() throws Exception2 
    //...
    try 
        func1();
     catch (Exception1 e) 
        // wrap成新的Exception2然后re-throw
        throw new Exception2("...", e);
    
    //...

当我们面对函数抛出异常的时候，应该选择上面的哪种处理方式呢？我总结了下面三个参考原则：

如果 func1() 抛出的异常是可以恢复，且 func2() 的调用方并不关心此异常，我们完全可以在 func2() 内将 func1() 抛出的异常吞掉；
如果 func1() 抛出的异常对 func2() 的调用方来说，也是可以理解的、关心的，并且在业务概念上有一定的相关性，我们可以选择直接将 func1 抛出的异常 re-throw；
如果 func1() 抛出的异常太底层，对 func2() 的调用方来说，缺乏背景去理解、且业务概念上无关，我们可以将它重新包装成调用方可以理解的新异常，然后 re-throw。

总之，是否往上继续抛出，要看上层代码是否关心这个异常。关心就将它抛出，否则就直接吞掉。
是否需要包装成新的异常抛出，看上层代码是否能理解这个异常、是否业务相关。如果能理解、业务相关就可以直接抛出，否则就封装成新的异常抛出。

对于处理函数抛出的异常，我们需要注意：

如果选择吞掉函数抛出的异常的话，我们必须把异常输出到日志系统，方便后续诊断。
如果把异常输出到日志系统时，我们在保证诊断信息足够的同时，也要考虑避免包含敏感信息，因为那样可能导致潜在的安全问题。

如果我们看 Java 的标准类库，你可能注意到类似 java.net.ConnectException，出错信息是类似“ Connection refused (Connection refused)”，而不包含具体的机器名、IP、端口等，一个重要考量就是信息安全。
类似的情况在日志中也有，比如，用户数据一般是不可以输出到日志里面的。

受检异常 or 非受检异常

对于代码 bug（比如下标访问越界、空指针）以及不可恢复的异常（比如数据库连接失败），即便我们捕获了，也做不了太多事情，我们希望程序能 fail-fast，所以，我们倾向于使用非受检异常，将程序终止掉。
对于可恢复异常、业务异常，比如提现金额大于余额的异常，我们更倾向于使用受检异常，明确告知调用者需要捕获处理。

处理异常的原则

尽量不要捕获通用异常

尽量不要捕获类似 Exception 这样的通用异常，而应该捕获特定异常（尽量缩小捕获的异常范围）。
下面举例说明，实例代码如下：

try 
    // 业务代码
    // …
    Thread.sleep(1000L);
 catch (Exception e) 
    // Ignore it

对于 Thread.sleep() 函数抛出的 InterruptedException，我们不应该捕获 Exception 通用异常，而应该捕获 InterruptedException 这样的特定异常。

这是因为我们要保证程序不会捕获到我们不希望捕获的异常。比如，我们更希望 RuntimeException 导致线程终止，而不是被捕获。

不要生吞异常

不要生吞（swallow）异常，尽量把异常信息记录到日志系统中。
这是异常处理中要特别注意的事情，因为生吞异常很可能会导致难以诊断的诡异情况。
如果我们没有把异常抛出，也没有把异常记录到日志系统，程序可能会在后续出现难以排查的 bug。没人能够轻易判断究竟是哪里抛出了异常，以及是什么原因产生了异常。

再来看一段代码

try 
    // 业务代码
    // …
 catch (IOException e) 
    e.printStackTrace();

这段代码作为一段实验代码，是没有任何问题的，但是在产品代码中，通常都不允许这样处理。
你先思考一下这是为什么呢？
我们先来看看 printStackTrace() 的文档，开头就是“Prints this throwable and its backtrace to the standard error stream”。问题就在这里，在稍微复杂一点的生产系统中，标准出错（STERR）不是个合适的输出选项，因为你很难判到底输出到哪里去了。尤其是对于分布式系统，如果发生异常，但是无法找到堆栈轨迹（stacktrace），这纯属是为诊断设置障碍。
所以，最好使用产品日志，详细地将异常记录到日志系统里。

异常处理时，性能开销大的地方

我们从性能角度来审视一下 Java 的异常处理机制，这里有两个性能开销相对大的地方：

try-catch 代码段会产生额外的性能开销，或者换个角度说，它往往会影响 JVM 对代码进行优化，所以建议仅捕获有必要的代码段，尽量不要一个大的 try 包住整段的代码；
Java 每实例化一个 Exception，都会对当时的栈进行快照，这是一个相对比较重的操作。如果实例化 Exception 发生的非常频繁，这个开销可就不能被忽略了。

当我们的服务出现反应变慢、吞吐量下降的时候，检查发生最频繁的 Exception 也是一种思路。