【C++进阶】异常

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一、C语言传统的处理错误的方式

C语言传统的处理错误的方式主要是通过返回值或者全局变量来表示函数执行的状态，但是这种方式存在以下缺陷：

1. 终止程序。常见的方法就是写一个assert函数或exit函数。缺陷：终止程序的执行，导致程序的崩溃。但是一个程序在运行时需要保持稳定性。举一个例子：大家在使用计算器时，当除数为0时，程序会崩溃吗？显然是不会的，而是会报以下错误信息

2. 返回错误码。缺陷：需要程序员自己去查找对应的错误，比较麻烦。

C++针对上面的不足，引入了 异常 的概念，不会终止程序，并且会将错误信息详细介绍。

二、C++异常概念

异常是面向对象语言处理错误的一种方式。当一个函数出现自己无法处理的错误时，可以抛出异常，然后直接或者间接的调用者处理这个错误。

因此C++提供了以下异常相关的关键字

• 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：用于捕获异常，可以有多个catch进行捕获
• try：try块中一般是可能出现异常的代码，它后面通常跟着一个或多个catch块。

注意：可以抛出任意类型的对象。抛出的异常必须捕获。try要和catch匹配使用，catch里的内容抛出异常时才执行，没有异常，不执行。

举一个除数为0的例子：

#include 
using namespace std;

int test()
{
    int a, b;
    cin >> a >> b;
    if (b == 0)
    {
        // throw用来抛出异常,异常的描述
        throw "除数不能为0";
    }
    return a / b;
}

int main()
{
    try
    {
        // try里放会可能出现异常的代码
        cout << test() << endl;
    }
    // catch用来捕获异常
    catch (const char* a)
    {
        cout << a << endl;
    }

    return 0;
}

【运行结果】

三、异常的抛出和匹配规则

3.1 异常的抛出和捕获

1. 异常是通过抛出(throw)对象而引发的，并且抛出的对象可以是任意类型，其对象的类型决定了应该激活哪个catch的处理代码。

#include 
using namespace std;

int test()
{
    int a, b;
    cin >> a >> b;
    if (b == 0)
    {
        // throw用来抛出异常,异常的描述
        throw "除数不能为0";
    }
    return a / b;
}

int main()
{
    try
    {
        // try里放会可能出现异常的代码
        cout << test() << endl;
    }
    // catch用来捕获异常
    catch (const char* a)
    {
        cout << a << endl;
    }
	catch (int a)
	{
		cout << a << endl;
	}

    return 0;
}

就比如以上代码：throw的对象是字符串类型，因此当出现异常是，它激活的是第一个catch的处理代码，最后一定会输出"除数不能为0"

注意：如果catch类型和throw对象类型不匹配，会导致捕获失败，编译器就会报错。因此，C++规定：出现异常就必须被捕获

2. 被选中的处理代码(throw)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

【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，如果是就查找匹配的catch语句。如果有匹配的，则调到catch的地方进行处理；如果没有匹配的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，并报错。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。

• 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。

4. 写代码的时候不可能把所有的异常考虑全面，而如果有异常就会导致程序终止。而程序终止又会影响用户体验。因此， catch(...)可以捕获任意类型的异常(三个点代表可以是任意异常)，缺陷是：不知道异常错误是什么。（程序终止的最后一道防线）

但是，catch(...)对书写的顺序有要求，必须写在最后

5. 抛出异常的对象可以是string这种类型吗？而我们知道，string对象出了作用域就会调用析构函数。那么catch还能捕获异常吗？答案是能！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）

6. 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，这个在实际中非常实用，我们后面会详细讲解这个。

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。

例如以下代码样例：

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* a = new int[10];
	try {
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl;
	}

	catch (...)
	{
		cout << "delete []" << a << endl;
		delete[] a;
		throw;
	}
	cout << "delete []" << a << endl;
	delete[] a;
}

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

这里可以看到如果发生除0错误抛出异常，在【函数调用链中异常栈展开匹配原则】 中，异常抛出后，首先会在自己的作用域找catch，找不到再返回上一层。因此，以上异常就在main函数被捕获，那么Func动态申请的资源就没有得到释放。

因此还得修改如下：

#include 
using namespace std;

double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "除0错误";
	}
	return a / b;
}
void Func()
{

	int* a = new int[10];
	try 
	{
		int x, y;
		cin >> x >> y;
		cout << Division(x, y) << endl;
	}

	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << "delete []" << a << endl;
		delete[] a;
		throw errmsg;
	}

	cout << "delete []" << a << endl;
	delete[] a;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* e)
	{
		cout << e << endl;
	}
	return 0;
}

这里捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外面处理，这里捕获了再重新抛出去。

3.3 异常规范

在实际中，异常也有它的缺陷，那就是会导致执行流乱跳。是想一下，假如某个异常被套了好几层函数，一旦抛了异常，就会出现很大的问题

1. 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。
2. 函数的后面接throw()，表示函数不抛异常。
3. 若无异常接口声明，则此函数可以抛掷任何类型的异常。

不过这个规范并不强制。

// 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) noexcep

四、自定义异常体系

在我们实际应用中，单纯的抛出一个数字或者字符串并没有什么大的意义。我们一般都会抛出一个自定义类型。这个类型一般有一个id(通常表示错误编号)和一个详细的错误信息。

class Exception
{
public:
	Exception(const string& errmsg, int id)
		:_errmsg(errmsg)
		, _id(id)
	{}
	virtual string what() const
	{
		return _errmsg;
	}
protected:
	string _errmsg;
	int _id;
};

比如说，我们的1号错误是没有权限、2号错误是服务器故障、3号错误是网络错误等等。

比如下面的就是我们要发送一个消息，我们如果发送失败的话，看一下是不是网络错误，如果是的话，continue重新发送一次，如果不是那么记录日志然后结束。

void seed()
{
	while (n--)
	{
		try
		{
			SeedMsg(msg);
		}
		catch (const Exception& e)
		{
			if (e.getid == 3)
			{
				continue;
			}
			else
			{
				//记录日志
				logging();
				break;
			}
		}
	}
}

不过实践中要比上面的远远复杂。因为需要很多模块的问题：如网络模块、缓存模块、数据库模块等等。

而我们每个模块都有每个模块的异常的方式。我们不可能就只使用一个结构体，这样太大了。所以我们就会使用抛出派生类对象，使用基类捕获。

如下是一个简易的服务器中的异常实现

class Exception
{
public:
	Exception(const string& errmsg, int id)
		:_errmsg(errmsg)
		, _id(id)
	{}
	virtual string what() const
	{
		return _errmsg;
	}
protected:
	string _errmsg;
	int _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'");
	}
	cout << "执行成功" << 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("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)
	{
		Sleep(500);
		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、异常的优缺点

C++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。

3. 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。

4. 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。

C++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，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。

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。

4. 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。

5. 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。