C++异常

Posted 2022-09-26 2021dragon

文章目录

• 异常
• • C语言传统的处理错误的方式
  • C++异常概念
  • 异常的用法
  • • 异常的抛出和捕获
    • 异常的重新抛出
    • 异常安全
    • 异常规范
  • 自定义异常体系
  • 标准库异常体系
  • 异常的优缺点

异常

C语言传统的处理错误的方式

传统的错误处理机制：

1. 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。
2. 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。
3. C标准库中setjmp和longjmp组合。（不常用）

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++异常概念

异常是面向对象语言常用的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，让函数直接或间接的调用者处理这个错误。

• throw：当程序出现问题时，可以通过throw关键字抛出一个异常。
• try：try块中放置的是可能抛出异常的代码，该代码块在执行时将进行异常错误检测，try块后面通常跟着一个或多个catch块。
• catch：如果try块中发生错误，则可以在catch块中定义对应要执行的代码块。

使用try/catch语句的语法如下所示：

try

	//被保护的代码

catch (ExceptionName e1)

	//catch块

catch (ExceptionName e2)

	//catch块

catch (ExceptionName eN)

	//catch块

异常的用法

异常的抛出和捕获

异常的抛出和捕获的匹配原则：

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激活哪个catch的处理代码，如果抛出的异常对象没有捕获，或是没有匹配类型的捕获，那么程序会终止报错。
2. 被选中的处理代码（catch块）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被catch以后销毁。（类似于函数的传值返回）
4. catch(...)可以捕获任意类型的异常，但捕获后无法知道异常错误是什么。
5. 实际异常的抛出和捕获的匹配原则有个例外，捕获和抛出的异常类型并不一定要完全匹配，可以抛出派生类对象，使用基类进行捕获，这个在实际中非常有用。

在函数调用链中异常栈展开的匹配原则：

1. 当异常被抛出后，首先检查throw本身是否在try块内部，如果在则查找匹配的catch语句，如果有匹配的，则跳到catch的地方进行处理。
2. 如果当前函数栈没有匹配的catch则退出当前函数栈，继续在上一个调用函数栈中进行查找匹配的catch。找到匹配的catch子句并处理以后，会沿着catch子句后面继续执行，而不会跳回到原来抛异常的地方。
3. 如果到达main函数的栈，依旧没有找到匹配的catch，则终止程序。

比如下面的代码中main函数中调用了func3，func3中调用了func2，func2中调用了func1，在func1中抛出了一个string类型的异常对象。

void func1()

	throw string("这是一个异常");

void func2()

	func1();

void func3()

	func2();

int main()

	try
	
		func3();
	
	catch (const string& s)
	
		cout << "错误描述：" << s << endl;
	
	catch (...)
	
		cout << "未知异常" << endl;
	
	return 0;

当func1中的异常被抛出后：

• 首先会检查throw本身是否在try块内部，这里由于throw不在try块内部，因此会退出func1所在的函数栈，继续在上一个调用函数栈中进行查找，即func2所在的函数栈。
• 由于func2中也没有匹配的catch，因此会继续在上一个调用函数栈中进行查找，即func3所在的函数栈。
• func3中也没有匹配的catch，于是就会在main所在的函数栈中进行查找，最终在main函数栈中找到了匹配的catch。
• 这时就会跳到main函数中对应的catch块中执行对应的代码块，执行完后继续执行该代码块后续的代码。

如下图所示：

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。在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时，程序就会直接终止。

异常的重新抛出

有时候单个的catch可能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，比如最外层可能需要拿到异常进行日志信息的记录，这时就需要通过重新抛出将异常传递给更上层的函数进行处理。

但如果直接让最外层捕获异常进行处理可能会引发一些问题。比如：

void func1()

	throw string("这是一个异常");

void func2()

	int* array = new int[10];
	func1();

	//do something...

	delete[] array;

int main()

	try
	
		func2();
	
	catch (const string& s)
	
		cout << s << endl;
	
	catch (...)
	
		cout << "未知异常" << endl;
	
	return 0;

其中func2中通过new操作符申请了一块内存空间，并且在func2最后通过delete对该空间进行了释放，但由于func2中途调用的func1内部抛出了一个异常，这时会直接跳转到main函数中的catch块执行对应的异常处理程序，并且在处理完后继续沿着catch块往后执行。

这时就导致func2中申请的内存块没有得到释放，造成了内存泄露。这时可以在func2中先对func1抛出的异常进行捕获，捕获后先将申请到的内存释放再将异常重新抛出，这时就避免了内存泄露。比如：

void func2()

	int* array = new int[10];
	try
	
		func1();
		//do something...
	
	catch (...)
	
		delete[] array;
		throw; //将捕获到的异常再次重新抛出
	
	delete[] array;

说明一下：

• func2中的new和delete之间可能还会抛出其他类型的异常，因此在fun2中最好以catch(...)的方式进行捕获，将申请到的内存delete后再通过throw重新抛出。
• 重新抛出异常对象时，throw后面可以不用指明要抛出的异常对象（正好也不知道以catch(...)的方式捕获到的具体是什么异常对象）。

异常安全

将抛异常导致的安全问题叫做异常安全问题，对于异常安全问题下面给出几点建议：

1. 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。
2. 析构函数主要完成对象资源的清理，最好不要在析构函数中抛出异常，否则可能导致资源泄露（内存泄露、句柄未关闭等）。
3. C++中异常经常会导致资源泄露的问题，比如在new和delete中抛出异常，导致内存泄露，在lock和unlock之间抛出异常导致死锁，C++经常使用RAII的方式来解决以上问题。

异常规范

为了让函数使用者知道某个函数可能抛出哪些类型的异常，C++标准规定：

1. 在函数的后面接throw(type1, type2, ...)，列出这个函数可能抛掷的所有异常类型。
2. 在函数的后面接throw()或noexcept（C++11），表示该函数不抛异常。
3. 若无异常接口声明，则此函数可以抛掷任何类型的异常。（异常接口声明不是强制的）

比如：

//表示func函数可能会抛出A/B/C/D类型的异常
void func() throw(A, B, C, D);
//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);
//表示这个函数不会抛出异常
void* operator new(std::size_t size, void* ptr) throw();

自定义异常体系

实际中很多公司都会自定义自己的异常体系进行规范的异常管理。

• 公司中的项目一般会进行模块划分，让不同的程序员或小组完成不同的模块，如果不对抛异常这件事进行规范，那么负责最外层捕获异常的程序员就非常难受了，因为他需要捕获大家抛出的各种类型的异常对象。
• 因此实际中都会定义一套继承的规范体系，先定义一个最基础的异常类，所有人抛出的异常对象都必须是继承于该异常类的派生类对象，因为异常语法规定可以用基类捕获抛出的派生类对象，因此最外层就只需捕获基类就行了。

如下图：

最基础的异常类至少需要包含错误编号和错误描述两个成员变量，甚至还可以包含当前函数栈帧的调用链等信息。该异常类中一般还会提供两个成员函数，分别用来获取错误编号和错误描述。比如：

class Exception

public:
	Exception(int errid, const char* errmsg)
		:_errid(errid)
		, _errmsg(errmsg)
	
	int GetErrid() const
	
		return _errid;
	
	virtual string what() const
	
		return _errmsg;
	
protected:
	int _errid;     //错误编号
	string _errmsg; //错误描述
	//...
;

其他模块如果要对这个异常类进行扩展，必须继承这个基础的异常类，可以在继承后的异常类中按需添加某些成员变量，或是对继承下来的虚函数what进行重写，使其能告知程序员更多的异常信息。比如：

class CacheException : public Exception

public:
	CacheException(int errid, const char* errmsg)
		:Exception(errid, errmsg)
	
	virtual string what() const
	
		string msg = "CacheException: ";
		msg += _errmsg;
		return msg;
	
protected:
	//...
;
class SqlException : public Exception

public:
	SqlException(int errid, const char* errmsg, const char* sql)
		:Exception(errid, errmsg)
		, _sql(sql)
	
	virtual string what() const
	
		string msg = "CacheException: ";
		msg += _errmsg;
		msg += "sql语句: ";
		msg += _sql;
		return msg;
	
protected:
	string _sql; //导致异常的SQL语句
	//...
;

说明一下：

• 异常类的成员变量不能设置为私有，因为私有成员在子类中是不可见的。
• 基类Exception中的what成员函数最好定义为虚函数，方便子类对其进行重写，从而达到多态的效果。

标准库异常体系

C++标准库当中的异常也是一个基础体系，其中exception就是各个异常类的基类，我们可以在程序中使用这些标准的异常，它们之间的继承关系如下：

下表是对上面继承体系中出现的每个异常的说明：

异常	描述
std::exception	该异常是所有标准C++异常的父类。
std::bad_alloc	该异常可以通过new抛出。
std::bad_cast	该异常可以通过dynamic_cast抛出。
std::bad_exception	这在处理C++程序中无法预期的异常时非常有用。
std::bad_typeid	该异常可以通过typeid抛出。
std::logic_error	理论上可以通过读取代码来检测到的异常。
std::domain_error	当使用了一个无效的数学域时，会抛出该异常。
std::invalid_argument	当使用了无效的参数时，会抛出该异常。
std::length_error	当创建了太长的std::string时，会抛出该异常。
std::out_of_range	该异常可以通过方法抛出，例如std::vector和std::bitset<>::operator。
std::runtime_error	理论上不可以通过读取代码来检测到的异常。
std::overflow_error	当发生数学上溢时，会抛出该异常。
std::range_error	当尝试存储超出范围的值时，会抛出该异常。
std::underflow_error	当发生数学下溢时，会抛出该异常。

说明一下：

• exception类的what成员函数和析构函数都定义成了虚函数，方便子类对其进行重写，从而达到多态的效果。
• 实际中我们也可以去继承exception类来实现自己的异常类，但实际中很多公司都会自己定义一套异常继承体系。

异常的优缺点

异常的优点：

1. 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等信息，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码，最终最外层才能拿到错误。
3. 很多的第三方库都会使用异常，比如boost、gtest、gmock等等常用的库，如果我们不用异常就不能很好的发挥这些库的作用。
4. 很多测试框架也都使用异常，因此使用异常能更好的使用单元测试等进行白盒的测试。
5. 部分函数使用异常更好处理，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。

异常的缺点：

1. 异常会导致程序的执行流乱跳，并且非常的混乱，这会导致我们跟踪调试以及分析程序时比较困难。
2. 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。
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露、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，学习成本比较高。
4. C++标准库的异常体系定义得不够好，导致大家各自定义自己的异常体系，非常的混乱。
5. 异常尽量规范使用，否则后果不堪设想，随意抛异常，也会让外层捕获的用户苦不堪言。
6. 异常接口声明不是强制的，对于没有声明异常类型的函数，无法预知该函数是否会抛出异常。

但总体而言，异常的利大于弊，所以工程中我们还是鼓励使用异常的，并且OO的语言基本都使用异常处理错误，这也可以看出这是大势所趋。