17.C++异常处理

17.异常处理

目录介绍

• 17.1 异常入门介绍
  • 17.1.1 异常概念解释
  • 17.1.2 运行时异常案例
  • 17.1.3 异常基本语法
  • 17.1.4 捕获异常
  • 17.1.5 发生异常位置
• 17.2 多级catch匹配
  • 17.2.1 多级catch使用
  • 17.2.2 匹配中类型转换
• 17.3 throw抛出异常
  • 17.3.1 异常抛出概念
  • 17.3.2 throw抛异常用法
  • 17.3.3 throw异常规范
• 17.4 exception异常
  • 17.4.1 exception类介绍
  • 17.4.2 exception派生类
  • 17.4.3 定义新的异常
  • 17.4.4 noexcept关键字
• 17.5 异常原理探索
  • 17.5.1 try工作原理
  • 17.5.2 catch工作原理
  • 17.5.3 throw工作原理

17.1 异常入门介绍

17.1.1 异常概念解释

程序的错误大致可以分为三种，分别是语法错误、逻辑错误和运行时错误：

1. 语法错误：在编译和链接阶段就能发现，只有 100% 符合语法规则的代码才能生成可执行程序。语法错误是最容易发现、最容易定位、最容易排除的错误，程序员最不需要担心的就是这种错误。
2. 逻辑错误：是说我们编写的代码思路有问题，不能够达到最终的目标，这种错误可以通过调试来解决。
3. 运行时错误：是指程序在运行期间发生的错误，例如除数为 0、内存分配失败、数组越界、文件不存在等。C++ 异常（Exception）机制就是为解决运行时错误而引入的。

运行时错误如果放任不管，系统就会执行默认的操作，终止程序运行，也就是我们常说的程序崩溃（Crash）。

C++ 提供了异常（Exception）机制，让我们能够捕获运行时错误，给程序一次“起死回生”的机会，或者至少告诉用户发生了什么再终止程序。

17.1.2 运行时异常案例

一个发生运行时错误的程序：

int main() {
    string str = "https://yccoding.com/";
    char ch1 = str[100];  //下标越界，ch1为垃圾值
    cout << ch1 << endl;
    char ch2 = str.at(100);  //下标越界，抛出异常
    cout << ch2 << endl;
    return 0;
}

运行代码后程序崩溃。崩溃日志如下所示：

ch1
libc++abi: terminating due to uncaught exception of type std::out_of_range: basic_string
Abort trap: 6

分析一下原因：

at() 是 string 类的一个成员函数，它会根据下标来返回字符串的一个字符。与[ ]不同，at() 会检查下标是否越界，如果越界就抛出一个异常；而[ ]不做检查，不管下标是多少都会照常访问。

所谓抛出异常，就是报告一个运行时错误，程序员可以根据错误信息来进一步处理。

at() 函数检测到下标越界会抛出一个异常，这个异常可以由程序员处理，但是我们在代码中并没有处理，所以系统只能执行默认的操作，也即终止程序执行。

17.1.3 异常基本语法

try {
    // 可能抛出异常的代码
} catch (exception_type &e) {
    // 处理异常
    std::cerr << "Exception caught: " << e.what() << std::endl;
}

1. try 中包含可能会抛出异常的语句，一旦有异常抛出就会被后面的 catch 捕获。从 try 的意思可以看出，它只是“检测”语句块有没有异常，如果没有发生异常，它就“检测”不到。
2. catch 是“抓住”的意思，用来捕获并处理 try 检测到的异常；如果 try 语句块没有检测到异常（没有异常抛出），那么就不会执行 catch 中的语句。

catch 关键字后面的 exceptionType variable 指明了当前 catch 可以处理的异常类型，以及具体的出错信息。

17.1.4 捕获异常

可以借助 C++ 异常机制来捕获上面的异常，避免程序崩溃。捕获异常的语法为：

int main() {
    string str = "https://yccoding.com/";
    try {
        char ch1 = str[100];  //下标越界，ch1为垃圾值
        cout << "ch1" << ch1 << endl;
    } catch (exception e) {
        cout << "exception1 " << e.what() << endl;
    }
    try {
        char ch2 = str.at(100);  //下标越界，抛出异常
        cout << "ch2" << ch2 << endl;
    } catch (exception e) {
        cout << "exception2 " << e.what() << endl;
    }
    return 0;
}

打印结果如下所示：

ch1
exception2 std::exception

结果分析，我们大概可以得出这样的结论：

第一个 try 没有捕获到异常，输出了一个没有意义的字符（垃圾值）。因为[ ]不会检查下标越界，不会抛出异常，所以即使有错误，try 也检测不到。换句话说，发生异常时必须将异常明确地抛出，try 才能检测到；如果不抛出来，即使有异常 try 也检测不到。所谓抛出异常，就是明确地告诉程序发生了什么错误。

第二个 try 检测到了异常，并交给 catch 处理，执行 catch 中的语句。需要说明的是，异常一旦抛出，会立刻被 try 检测到，并且不会再执行异常点（异常发生位置）后面的语句。本例中抛出异常的 at() 函数，它后面的 cout 语句就不会再被执行，所以看不到它的输出。

17.1.5 发生异常位置

异常可以发生在当前的 try 块中，也可以发生在 try 块所调用的某个函数中，或者是所调用的函数又调用了另外的一个函数，这个另外的函数中发生了异常。这些异常，都可以被 try 检测到。

1.下面的例子演示了 try 块中直接发生的异常：

void test1() {
    try{
        throw "Unknown Exception";  //抛出异常
        cout<<"This statement will not be executed."<<endl;
    }catch(const char* &e){
        cout<<e<<endl;
    }
}

throw关键字用来抛出一个异常，这个异常会被 try 检测到，进而被 catch 捕获。

2.下面的例子演示了 try 块中调用的某个函数中发生了异常：

void func() {
    throw "Unknown Exception";  //抛出异常
    cout << "[1]This statement will not be executed." << endl;
}

void test2() {
    try {
        func();
        cout << "[2]This statement will not be executed." << endl;
    } catch (const char *&e) {
        cout << e << endl;
    }
}

func() 在 try 块中被调用，它抛出的异常会被 try 检测到，进而被 catch 捕获。从运行结果可以看出，func() 中的 cout 和 try 中的 cout 都没有被执行。

3.try 块中调用了某个函数，该函数又调用了另外的一个函数，这个另外的函数抛出了异常：

void func_inner() {
    throw "Unknown Exception";  //抛出异常
    cout << "[1]This statement will not be executed." << endl;
}

void func_outer() {
    func_inner();
    cout << "[2]This statement will not be executed." << endl;
}

void test3() {
    try {
        func_outer();
        cout << "[3]This statement will not be executed." << endl;
    } catch (const char *&e) {
        cout << e << endl;
    }
}

发生异常后，程序的执行流会沿着函数的调用链往前回退，直到遇见 try 才停止。在这个回退过程中，调用链中剩下的代码（所有函数中未被执行的代码）都会被跳过，没有执行的机会了。

17.2 多级catch匹配

17.2.1 多级catch使用

一个 try 对应一个 catch，这只是最简单的形式。其实，一个 try 后面可以跟多个 catch：

try{
    //可能抛出异常的语句
}catch (exception_type_1 e){
    //处理异常的语句
}catch (exception_type_2 e){
    //处理异常的语句
}
//其他的catch
catch (exception_type_n e){
    //处理异常的语句
}

当异常发生时，程序会按照从上到下的顺序，将异常类型和 catch 所能接收的类型逐个匹配。一旦找到类型匹配的 catch 就停止检索，并将异常交给当前的 catch 处理（其他的 catch 不会被执行）。如果最终也没有找到匹配的 catch，就只能交给系统处理，终止程序的运行。

演示了多级 catch 的使用：

class Base {
};

class Derived : public Base {
};

int main() {
    try {
        throw Derived();  //抛出自己的异常类型，实际上是创建一个Derived类型的匿名对象
        cout << "This statement will not be executed." << endl;
    } catch (int) {
        cout << "Exception type: int" << endl;
    } catch (char *) {
        cout << "Exception type: cahr *" << endl;
    } catch (Base) {  //匹配成功（向上转型）
        cout << "Exception type: Base" << endl;
    } catch (Derived) {
        cout << "Exception type: Derived" << endl;
    }
    return 0;
}

在 catch 中，我们只给出了异常类型，没有给出接收异常信息的变量。

17.2.2 匹配中类型转换

C/C++ 中存在多种多样的类型转换，以普通函数（非模板函数）为例，发生函数调用时，如果实参和形参的类型不是严格匹配，那么会将实参的类型进行适当的转换，以适应形参的类型，这些转换包括：

1. 算数转换：例如 int 转换为 float，char 转换为 int，double 转换为 int 等。
2. 向上转型：也就是派生类向基类的转换。
3. const 转换：也即将非 const 类型转换为 const 类型，例如将 char * 转换为 const char *。
4. 数组或函数指针转换：如果函数形参不是引用类型，那么数组名会转换为数组指针，函数名也会转换为函数指针。
5. 用户自定的类型转换。

catch 在匹配异常类型的过程中，也会进行类型转换，但是这种转换受到了更多的限制，仅能进行「向上转型」、「const 转换」和「数组或函数指针转换」，其他的都不能应用于 catch。

演示了 const 转换以及数组和指针的转换：

int main(){
    int nums[] = {1, 2, 3};
    try {
        throw nums;
        cout << "This statement will not be executed." << endl;
    } catch (const int *) {
        cout << "Exception type: const int *" << endl;
    }
    return 0;
}

运行结果如下所示：

Exception type: const int *

17.3 throw抛出异常

17.3.1 异常抛出概念

C++ 异常处理的流程，具体为：抛出（Throw）--> 检测（Try） --> 捕获（Catch）

异常必须显式地抛出，才能被检测和捕获到；如果没有显式的抛出，即使有异常也检测不到。

17.3.2 throw抛异常用法

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。

抛出异常：使用throw关键字后跟一个表达式，将异常抛出。这个表达式可以是任何类型，通常是一个异常类的对象。

void func() {
    int num;
    cout << "请输入整型变量：" << endl;
    cin >> num;
    if (num == 0) {
        throw "抛出异常";
    }
}

int main(){
    try {
        func();
        cout << "看看这段代码是否执行"<< endl;
    } catch (exception e) {
        cout << "异常：" << e.what() << endl;
    }
    return 0;
}

测试如下所示：

0
libc++abi: terminating due to uncaught exception of type char const*
Abort trap: 6

17.3.3 throw异常规范

虚函数中的异常规范

C++ 规定，派生类虚函数的异常规范必须与基类虚函数的异常规范一样严格，或者更严格。

只有这样，当通过基类指针（或者引用）调用派生类虚函数时，才能保证不违背基类成员函数的异常规范。请看下面的例子：

class Base{
public:
    virtual int fun1(int) throw();
    virtual int fun2(int) throw(int);
    virtual string fun3() throw(int, string);
};
class Derived:public Base{
public:
    int fun1(int) throw(int);   //错！异常规范不如 throw() 严格
    int fun2(int) throw(int);   //对！有相同的异常规范
    string fun3() throw(string);  //对！异常规范比 throw(int,string) 更严格
}

异常规范与函数定义和函数声明

C++ 规定，异常规范在函数声明和函数定义中必须同时指明，并且要严格保持一致，不能更加严格或者更加宽松。

//错！定义中有异常规范，声明中没有
void func1();
void func1() throw(int) { }

//错！定义和声明中的异常规范不一致
void func2() throw(int);
void func2() throw(int, bool) { }

//对！定义和声明中的异常规范严格一致
void func3() throw(float, char*);
void func3() throw(float, char*) { }

17.4 exception异常

17.4.1 exception类介绍

exception 类位于 头文件中，它被声明为：

class exception{
public:
    exception () throw();  //构造函数
    exception (const exception&) throw();  //拷贝构造函数
    exception& operator= (const exception&) throw();  //运算符重载
    virtual ~exception() throw();  //虚析构函数
    virtual const char* what() const throw();  //虚函数
}

这里需要说明的是 what() 函数。what() 函数返回一个能识别异常的字符串，正如它的名字“what”一样，可以粗略地告诉你这是什么异常。不过C++标准并没有规定这个字符串的格式，各个编译器的实现也不同，所以 what() 的返回值仅供参考。

17.4.2 exception派生类

先来看一下 exception 类的直接派生类：

logic_error 逻辑错误。

1. runtime_error 运行时错误。
2. bad_alloc 使用 new 或 new[ ] 分配内存失败时抛出的异常。
3. bad_typeid 使用 typeid 操作一个 NULL 指针，而且该指针是带有虚函数的类，这时抛出 bad_typeid 异常。
4. bad_cast 使用 dynamic_cast 转换失败时抛出的异常。
5. ios_base::failure io 过程中出现的异常。
6. bad_exception 这是个特殊的异常，如果函数的异常列表里声明了 bad_exception 异常，当函数内部抛出了异常列表中没有的异常时，如果调用的 unexpected() 函数中抛出了异常，不论什么类型，都会被替换为 bad_exception 类型。

logic_error 的派生类：

1. length_error，试图生成一个超出该类型最大长度的对象时抛出该异常，例如 vector 的 resize 操作。
2. domain_error，参数的值域错误，主要用在数学函数中，例如使用一个负值调用只能操作非负数的函数。
3. out_of_range，超出有效范围。
4. invalid_argument，参数不合适。在标准库中，当利用string对象构造 bitset 时，而 string 中的字符不是 0 或1 的时候，抛出该异常

runtime_error 的派生类：

1. range_error，当尝试存储超出范围的值时，会抛出该异常。
2. overflow_error，当发生数学上溢时，会抛出该异常。
3. underflow_error，当发生数学下溢时，会抛出该异常。

17.4.3 定义新的异常

创建异常类：创建一个新的类来表示您的异常。通常，您的异常类应该继承自std::exception或其派生类，以符合C++异常处理的标准。

struct MyException : public exception {
    //const throw() 不是函数，这个东西叫异常规格说明，表示 what 函数可以抛出异常的类型，类型说明放到 () 里，
    //这里面没有类型，就是声明这个函数不抛出异常，通常函数不写后面的 throw() 就表示函数可以抛出任何类型的异常。
    const char *what() const throw() {
        return "custom c++ exception";
    }
};

然后使用自定义异常

//您可以通过继承和重载 exception 类来定义新的异常。下面的实例演示了如何使用 std::exception 类来实现自己的异常：
void test() {
    try {
        throw MyException();
    }
    catch (MyException &e) {
        std::cout << "MyException caught" << std::endl;
        std::cout << e.what() << std::endl;
    }
    catch (std::exception &e) {
        std::cout << "其他的错误" << std::endl;
    }
}

int main() {
    test();
    return 0;
}

17.4.4 noexcept关键字

noexcept 用于指示函数不会抛出异常。如果标记为 noexcept 的函数抛出了异常，程序会直接终止。

#include <iostream>

void safeFunction() noexcept {
    std::cout << "This function is safe!n";
}

int main() {
    safeFunction();
    return 0;
}