Java基础系列5：深入理解Java异常体系

Posted 2020-11-23 说故事的五公子

该系列博文会告诉你如何从入门到进阶，一步步地学习Java基础知识，并上手进行实战，接着了解每个Java知识点背后的实现原理，更完整地了解整个Java技术体系，形成自己的知识框架。

 

前言：

Java的基本理念是“结构不佳的代码不能运行”。

“异常”这个词有“我对此感到意外”的意思。问题出现了，你也许不清楚该如何处理，但你的确知道不应该置之不理；你要停下来，看看是不是有别人或在别的地方，能够处理这个问题。只是在当前的环境中还没有足够的信息来解决这个问题，所以就把这个问题提交到一个更高级别的环境中，在这里将作出正确的决定。

使用异常所带来的另一个相当明显的好处是，它往往能够降低错误处理代码的复杂度。如果不使用异常，那么就必须检查特定的错误，并在程序中的许多地方去处理它。而如果使用异常，那就不必在方法调用处进行检查，因为异常机制将保证能够捕获这个错误。并且，只需在一个地方处理错误，即所谓的异常处理程序中。这种方式不仅节省代码，而且把“描述在正常执行过程中做什么事”的代码和“出了问题怎么办”的代码相分离。总之，与以前的错误处理方法相比，异常机制使代码的阅读、编写和调试工作更加井井有条。

 

异常概述：

现在我们需要编写一个五子棋程序，当用户输入下期坐标时，程序要判断用户输入是否合法，如果保证程序有较好的容错性，将会有如下的代码（伪代码）：

if(用户输入包含除逗号之外的其他非数字字符)
{
	alert 坐标只能是数值
	goto retry
}
else if(用户输入不包含逗号) {
	alert 应使用逗号分隔两个坐标值
	goto retry
}

else if(用户输入坐标值超出了有效范围) {
	alert 用户输入坐标应位于棋盘坐标之内
	goto retry
}

else if(用户输入的坐标已有棋子)
{
	alert 只能在没有棋子的地方下棋
	goto retry
}
else {
	.....
}

　　

上面代码还未涉及任何有效处理，只是考虑了4种可能的错误，代码就已经急剧增加了。但实际上，上面考虑的4种情形还远未考虑到所有的可能情形（事实上，世界上的意外是不可穷举的），程序可能发生的异常情况总是大于程序员所能考虑的意外情况。

对于上面的错误处理机制，主要有以下两个缺点：

• 无法穷举所有的异常情况。因为人类知识的限制，异常情况总比可以考虑到的情况多，总有“漏网之鱼”的异常情况，所以程序总是不够健壮。
• 错误处理代码和业务实现代码混杂。这种错误处理和业务实现混杂的代码严重影响程序的可读性，会增加程序维护的难度。

我们希望有这样一种处理机制：

if(用户输入的数据不合法){
    .....
}else{
   处理逻辑
   .....  
}

　　

上面伪码提供了一个非常强大的“if块”——程序不管输入错误的原因是什么，只要用户输入不满足要求，程序就一次处理所有的错误。这种处理方法的好处是，使得错误处理代码变得更有条理，只需在一个地方处理错误。

这就需要用到java异常了。

 

异常是程序中的一些错误，但并不是所有的错误都是异常，并且错误有时候是可以避免的。

比如说，你的代码少了一个分号，那么运行出来结果是提示是错误java.lang.Error；如果你用System.out.println(11/0)，那么你是因为你用0做了除数，会抛出java.lang.ArithmeticException的异常。

异常发生的原因有很多，通常包含以下几大类：

• 用户输入了非法数据。
• 要打开的文件不存在。
• 网络通信时连接中断，或者JVM内存溢出。

 

Java中的异常有以下三种类型：

检查异常：最具代表的检查性异常是用户错误或问题引起的异常，这是程序员无法预见的。例如要打开一个不存在文件时，一个异常就发生了，这些异常在编译时不能被简单地忽略。

运行异常：运行时异常是可能被程序员避免的异常。与检查性异常相反，运行时异常可以在编译时被忽略。

错误：错误不是异常，而是脱离程序员控制的问题。错误在代码中通常被忽略。例如，当栈溢出时，一个错误就发生了，它们在编译也检查不到的。

 

异常的体系结构：

我们先来统观以下Java的异常体系结构图：

 

 

Java的异常被分为两大类：Checked异常和Runtime异常（运行时异常）。所有的RuntimeException类及其子类的实例被称为Runtime异常；不是RuntimeException类及其子类的异常实例则被称为Checked异常。

只有Java语言提供了Checked异常，其他语言都没有提供Checked异常。Java认为Checked异常都是可以被处理（修复）的异常，所以Java程序必须显式处理Checked异常。如果程序没有处理Checked异常，该程序在编译时就会发生错误，无法通过编译。

 

Throwable：

Java异常的顶级类，所有的类都继承自Throwable

Error：

Error错误，一般是指与虚拟机相关的问题，如系统崩溃、虚拟机错误、动态链接失败等，这种错误无法恢复或不可能捕获，将导致应用程序中断。通常应用程序无法处理这些错误，因此应用程序不应该试图使用catch 块来捕获Error对象。
在定义该方法时，也无须在其throws子句中声明该方法可能抛出Error及其任何子类。

 

Exception：

Exception中异常主要分为两大类，运行时异常和检查异常。常见的运行时异常有ArrayIndexOutOfBoundsException（数组下标越界）、NullPointerException（空指针异常）、ArithmeticException（算术异常）、ClassNotFoundException（类型找不到），这些异常时非检查异常，程序可以选择处理，也可以不处理，编译器编译时期并不会报错。这些异常一般是由于程序逻辑错误引起的，所以建议程序员还是处理一下。除运行时异常外的所有异常我们都称为非运行时异常，也是必须处理的异常，如果不出来，程序编译会报错。

 

Error和Exception的区别：

Error和Exception的区别：Error通常是灾难性的致命的错误，是程序无法控制和处理的，当出现这些异常时，Java虚拟机（JVM）一般会选择终止线程；Exception通常情况下是可以被程序处理的，并且在程序中应该尽可能的去处理这些异常。

 

检查异常：必须处理的异常

除了RuntimeException及其子类以外，其他的Exception类及其子类都属于检查异常，当程序中可能出现这类异常，要么使用try-catch语句进行捕获，要么用throws子句抛出，否则编译无法通过。

 

非检查异常：可以不处理

包括RuntimeException及其子类和Error。

不受检查异常为编译器不要求强制处理的异常，检查异常则是编译器要求必须处置的异常。

 

异常处理机制：

Java的异常处理机制可以让程序具有极好的容错性，让程序更加健壮。当程序运行出现意外情形时，系统会自动生成一个Exception对象来通知程序，从而实现将“业务功能实现代码”和“错误处理代码”分离，提供更好的可读性。

java异常关键字：

• try – 用于监听。try后紧跟一个花括号括起来的代码块（花括号不可省略），简称try块，它里面放置可能引发异常的代码，当try语句块内发生异常时，异常就被抛出。【监控区域】
• catch – 用于捕获异常。catch后对应异常类型和一个代码块，用于处理try块发生对应类型的异常。【异常处理程序】
• finally – 用于清理资源，finally语句块总是会被执行。 多个catch块后还可以跟一个finally块，finally块用于回收在try块里打开的物理资源（如数据库连接、网络连接和磁盘文件）。只有finally块执行完成之后，才会回来执行try或者catch块中的return或者throw语句，如果finally中使用了return或者throw等终止方法的语句，则就不会跳回执行，直接停止。【使用finally进行清理】
• throw – 用于抛出一个实际的异常。throw可以单独作为语句使用，抛出一个具体的异常对象。【抛出异常】
• throws --用在方法签名中，用于声明该方法可能抛出的异常。【异常说明】

 

1、使用try...catch捕获异常：

语法格式：

try{
   //业务实现代码
   ...
}catch(Exception e){
  //异常处理代码
  ...
}

　　

如果执行try块里的业务逻辑代码时出现异常，系统自动生成一个异常对象，该异常对象被提交给Java运行时环境，这个过程被称为抛出（throw）异常。

当Java运行时环境收到异常对象时，会寻找能处理该异常对象的catch块，如果找到合适的catch块，则把该异常对象交给该catch块处理，这个过程被称为捕获（catch）异常；如果Java运行时环境找不到捕获异常的catch块，则运行时环境终止Java程序也将退出。

下面看几个简单的异常捕获的例子：

例1：

public class DivTest {
	
	public static void main(String[] args) {
		try {
			int a=Integer.parseInt(args[0]);
			int b=Integer.parseInt(args[1]);
			int c=a/b;
			System.out.println("您输入的两个数相除的结果是"+c);
		}catch(IndexOutOfBoundsException e) {
			System.out.println("数组越界，运行时参数不够");
		}catch(NumberFormatException e) {
			System.out.println("数字格式异常");
		}catch(ArithmeticException e) {
			System.out.println("算术异常");
		}catch(Exception e) {
			System.out.println("未知异常");
		}
	}

}

　　

• 如果运行该程序时输入的参数不够，将会发生数组越界异常，Java运行时将调用IndexOutOfBoundsException对应的catch块处理该异常。
• 如果运行该程序时输入的参数不是数字，而是字母，将发生数字格式异常，Java运行时将调用NumberFormatException 对应的catch块处理该异常。
• 如果运行该程序时输入的第二个参数是0，将发生除0异常，Java运行时将调用ArithmeticException对应的catch块处理该异常。
• 如果程序运行时出现其他异常，该异常对象总是Exception类或其子类的实例，Java运行时将调用Exception对应的catch块处理该异常。

上面程序中的三种异常是我们在编程中经常遇见的，读者应该掌握这些异常。

例2：

import java.util.Date;


public class Test {
	
	public static void main(String[] args) {
		Date d=null;
		try {
			System.out.println(d.after(new Date()));
		}catch(NullPointerException e) {
			System.out.println("空指针异常");
		}catch(Exception e) {
			System.out.println("未知异常");
		}
	}

}

　　

上面程序针对NullPointerException异常提供了专门的异常处理块。上面程序调用一个null对象的after0方法，这将引发NullPointerException异常（当试图调用一个null对象的实例方法或实例变量时，就会引发NullPointerException异常），Java 运行时将会调用NullPointerException对应的catch块来处理该异常；如果程序遇到其他异常，Java运行时将会调用最后的catch块来处理异常。

catch块处理异常遵循着：先小后大，即先子类后父类。正如在前面程序所看到的，程序总是把对应Exception类的catch块放在最后，这是为什么呢？读者可能明白原因：如果把Exception类对应的catch块排在其他catch块的前面，Java运行时将直接进入该catch块（因为所有的异常对象都是Exception或其子类的实例），而排在它后面的catch块将永远也不会获得执行的机会。

 

多异常捕获：

在Java7之前，每个catch块只能捕获一个异常，Java7之后，每个catch块可以捕获多种类型的异常。

上面的例1可以改成如下代码实现：

public class Test {
	
	public static void main(String[] args) {
		try {
			int a=Integer.parseInt(args[0]);
			int b=Integer.parseInt(args[1]);
			int c=a/b;
			System.out.println("您输入的两个数相除的结果是"+c);
		}catch(IndexOutOfBoundsException|NumberFormatException|ArithmeticException e) {
			System.out.println("数组越界，数字格式异常，算术异常");
		}catch(Exception e) {
			System.out.println("未知异常");
		}
	}

}

　　

2、使用throws声明抛出异常：

使用throws声明抛出异常的思路是，当前方法不知道如何处理这种类型的异常，该异常应该由上一级调用者处理；如果main方法也不知道如何处理这种类型的异常，也可以使用throws声明抛出异常，该异常将交给JVM处理。JVM对异常的处理方法是，打印异常的跟踪栈信息，并中止程序运行，这就是前面程序在遇到异常后自动结束的原因。

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;

public class Test {
	
	public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException {
		FileInputStream fis=new FileInputStream("a.txt");
	}

}

　　

上面程序声明不处理IOException异常，将该异常交给JVM处理，所以程序一旦遇到该异常，JVM就会打印该异常的跟踪栈信息，并结束程序。运行上面程序，会看到如下图所示的运行结果。

3、使用throw抛出异常：

public class Test {
	
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		try {
			int a=Integer.parseInt(args[0]);
			int b=Integer.parseInt(args[1]);
			int c=a/b;
			if(b==0) {
				throw new Exception("除数不能为0");
			}
			System.out.println("您输入的两个数相除的结果是"+c);
		}catch(Exception e) {
			System.out.println("未知异常");
		}
	}

}

　　

上面程序中粗体字代码使用throw语句来自行抛出异常。当Java运行时接收到开发者自行抛出的异常时，同样会中止当前的执行流，跳到该异常对应的catch块，由该catch块来处理该异常。也就是说，不管是系统自动抛出的异常，还是程序员手动抛出的异常，Java运行时环境对异常的处理没有任何差别。

 

4、访问异常信息：

如果程序需要在catch块中访问异常对象的相关信息，则可以通过访问catch块的后异常形参来获得。当Java运行时决定调用某个catch块来处理该异常对象时，会将异常对象赋给catch块后的异常参数，程序即可通过该参数来获得异常的相关信息。

所有的异常对象都包括如下几个常用的方法：

getMessage()：返回该异常信息的跟踪栈信息输出到标准错误输出

printStackTrace()：将该异常的跟踪栈信息输出到标准错误输出。

printStackTrace(PrintStream s)：将该异常的跟踪栈信息输出到指定输出流。

getStackTrace()：返回该异常的跟踪栈信息。

 

5、使用finally回收资源：

有些时候，程序在try块里打开了一些物理资源（例如数据库连接、网络连接和磁盘文件），这些物理资源都必须显示回收。

在哪里回收这些物理资源呢？在try块里回收？还是在catch块中进行回收？假设程序在try块里进行资源回收，根据图10.1所示的异常捕获流程—一如果try块的某条语句引起了异常，该语句后的其他语句通常不会获得执行的机会，这将导致位于该语句之后的资源回收语句得不到执行。如果在catch块里进行资源回收，但catch块完全有可能得不到执行，这将导致不能及时回收这些物理资源。

为了保证一定能回收try块中打开的物理资源，异常处理机制提供了finally块。不管try块中的代码是否出现异常，也不管哪一个catch块被执行，甚至在try块或catch块中执行了return语句，finally块总会被执行。完整的Java异常处理语法结构如下：

try{
  //业务实现代码
  ...
}catch(SubException e){
  //异常处理块
  ...
}catch(SubException e2){
   //异常处理块
   ...
}finally{
   //资源回收
   ...
}

　　

例如：

public class Test {
	
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		try {
			int a=10;
			int b=0;
			int c=a/b;
		}catch(Exception e) {
			System.out.println("未知异常");
		}finally {
			System.out.println("资源回收");
		}
	}

}

　　

结果：

未知异常
资源回收

　　

 

总结：