【C++】异常

[!Abstract] C++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
• 自定义异常体系
• 标准库异常体系
• 异常的优缺点

一、C语言传统的处理错误的方式

• 详见：【C语言】异常处理 | assert函数 | errno错误码

二、C++异常的语法

异常是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，让函数的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。
• 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。
• 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。

语法如下所示：

try
{
// 保护的标识代码
}catch( ExceptionName e1 )
{
// catch 块
}catch( ExceptionName e2 )
{
// catch 块
}catch( ExceptionName eN )
{
// catch 块
}

三、异常的使用

3.1 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）应当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。

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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，如果是再查找当前try下匹配的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。

2. 如果到达main函数的栈，依旧没有匹配的，则终止程序。

   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。所以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，程序就会直接终止。

3. 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。

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

class A
{
public:
	A()
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
};

void func3()
{
	A a3;
	try
	{
		// ...
		throw("I am an exception!");
	}
	catch (char ch)
	{
		cout << ch << endl;
	}
}

void func2()
{
	A a2;
	try
	{
		func3();
	}
	catch (const char* str)
	{
		cout << str << endl;
	}
}

void func1()
{
	A a1;
	try
	{
		func2();
	}
	catch (int intagernum)
	{
		cout << intagernum << endl;
	}
}

int main()
{
	try
	{
		func1();
	}
	catch (const char* str)
	{
		cout << str << endl;
	}
	return 0;
}

下面是运行结果：

A() 
A() 
A() 
~A() 
I am an exception! 
~A() 
~A()

可以看到：当函数执行完成或者发生异常时，系统会销毁当前函数的栈帧，释放相关资源。在这个例子中，每次退出函数时，都会调用 A 对象的析构函数。

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。

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：

#include 
#include 
using namespace std;

void func1()
{
	throw string("这是一个异常");
}
void func2()
{
	int* array = new int[10];
	func1();

	// ...

	delete[] array; // 这里不会执行，所以会内存泄露
}
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main的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，这样就避免了内存泄露。修改func2：

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;
}

[!Quote] 说明：

• 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后再将异常对象通过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，因为这个对象是当前catch块通过try块得到的，将异常对象抛给上层调用者的catch来处理。

3.3 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. 析构函数主要完成资源的清理，最好不要在析构函数内抛出异常，否则可能导致资源泄漏(内存泄漏、句柄未关闭等)
3. C++中异常经常会导致资源泄漏的问题，比如
   • 在new和delete之间抛出了异常，导致没有delete，进而导致内存泄漏
   • 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。

3.4 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. 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1, 类型2, ... )，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()或noexcept（C++11），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。

// 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;

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四、自定义异常体系

实际使用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，因为一个项目中如果大家随意抛异常，那么外层的调用者基本就没办法玩了，所以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。

模拟服务器开发中使用的异常继承体系：

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

class Exception
{
public:
	Exception(const string& errmsg, int id)
		:_errmsg(errmsg)
		, _id(id)
	{}
	virtual string what() const
	{
		return _errmsg;
	}
protected:
	string _errmsg; // 错误描述
	int _id;        // 错误编号
};

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 override
	{
		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'");
	}
}

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;
}

SqlException、CacheException和HttpServerException都是从Exception基类派生而来。每个类都有自己的特定成员变量和覆盖了基类的虚函数what()。这种继承体系使得在捕获异常时可以按照基类的引用来处理不同类型的异常，实现多态的效果。继承体系如下：

Exception

string _errmsg; // 错误描述

int _id; // 错误编号

virtual string what()

SqlException

const string _sql;

写父类what()

CacheException

写父类what()

HttpServerException

const string _type;

写父类what()

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五、C++标准库的异常体系

C++ 提供了一系列标准的异常类，定义在命名空间std中。它们是以继承体系组织起来的，其中exception类就是各个异常类的基类，如下所示：

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定义域时，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。

[!Quote]

• 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。

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六、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。具体看下面的详细解释。

[!Tip]

1. 下面这段伪代码我们可以看到ConnnectSql中出错了，先返回给ServerStart，
   ServerStart再返回给main函数，main函数再针对问题处理具体的错误。
2. 如果是异常体系，不管是ConnnectSql还是ServerStart及调用函数出错，都不用检查，因为抛出的异常异常会直接跳到main函数中catch捕获的地方，main函数直接处理错误。

int ConnnectSql()
{
	// 用户名密码错误
	if (...)
		return 1;
	// 权限不足
	if (...)
		return 2;
}
int ServerStart() 
{
	if (int ret = ConnnectSql() < 0)
		return ret;
	int fd = socket()
		if（fd < 0）
			return errno;
}
int main()
{
	if (ServerStart() < 0)
		...
		return 0;
}

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。

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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OOP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。