【C++】一文熟悉C++中的异常机制

1 C语言传统的异常机制

当程序的某部分检测一个无法处理的问题时，需要用到异常处理，此时检测出问题的部分应该发出某种信号已表明程序遇到了故障，无法继续下去了，给出的信号无序知道故障将在何处解决，一旦发出异常信号，检测异常部分就完成任务。

在C语言中，我们实现的很多项目中的异常机制是比较直接的。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

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

2 C 中的异常机制

C 的异常处理机制为程序中异常检测和异常处理两部分协作提供支持，在C 语言中，异常处理包括：

1. throw: 异常检测部分使用throw表达式来表示程序遇到了无法解决的问题。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。
2. catch: 在您想要处理问题的地方，通过异常处理程序捕获异常.catch 关键字用于捕获异常，可以有多个catch进行捕获。
3. try: 异常处理部分使用try语句块处理异常。 try 块中的代码标识将被激活的特定异常,它后面通常跟着一个或多个 catch 块异常处理。try可能会抛出很多种不同的异常！

我们来看个例子：除法计算中，分母不可以为0，为0就抛出错误！

代码语言：javascript复制

#include<iostream>

using namespace std;

double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
		//抛出异常错误
		throw "Division by zero condition!";
	else
		return ((double)a / (double)b);
}

void func()
{
	double a, b;
	cin >> a >> b;
	Division(a , b);
	return;
}

int main()
{
	try
	{
		func();
	}
	catch(const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	//捕获其他类型的错误
	catch(...)
	{
		cout << "未知错误！" << endl;
	}
	return 0;
}

运行一下：

很顺利的报出了异常错误！throw会抛出异常，销毁没有的catch语句的函数栈桢，直到匹配catch语句：

3 异常的使用

3.1 异常的抛出和捕获

异常的抛出和匹配原则

1. 异常是通过抛出对象(throw)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。
2. 被选中的处理代码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。（这里的处理类似于函数的传值返回）
4. catch(...)可以捕获任意类型的异常，问题是不知道异常错误是什么，用来避免出现未知错误！
5. 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

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，如果是再查找匹配的catch语句。如果有匹配的，则调到catch的地方进行处理。
2. 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。
3. 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。
4. 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。类似于弹窗一样，不妨碍主程序的运行！

程序发生异常事很正常的事情，发生异常如果就直接终止程序就太暴力了，所以抛异常要都要进行捕获，保证所有的异常类型都可以进行捕获。

假如今天小明和小刚在一个项目组中，小刚负责底层接口，小明负责上层负责调用。有一天小明小刚发生了不愉快，小刚就赌气在底层乱抛出异常。等到小明调用接口的时候，经常程序直接就进行了终止！因为小明并不知道小刚抛出了什么类型的异常，很难进行捕获。于是小明修修补补，罗列了几十条catch语句，终于把异常都可以进行捕获了，并且还对未知异常进行carch(...)进行捕获，防止小刚再度进行搞鬼。小明搞定这个问题，也写出来几千行代码，就去找leader邀功了。

小刚还是不服啊，想着这毛头小子会点技术就来显摆，心想着死磕到底。小刚看到小明git提交的信息，发现小明写了几千行的catch语句，乐了出来。后来就在公司会议上暗点小明代码如同屎山，还有脸去邀功！？并奉劝大家还是多研究研究技术！小明听着就来气了，大声斥责：“那你说怎么解决个问题？！”，小刚笑笑：技术不够就去学奥！给大家拿出了绝活，可以通过一个类来解决各种异常（SQL , 缓存，内存…）：异常类

小刚这里就是通过可以抛出的派生类对象，使用基类捕获。这样通过抛出对象的限定就可以通过一个基类获取到所有的异常！

代码语言：javascript复制

//异常基类
class Exception
{
public:
	Exception(const string errmsg, int id)
		: _errmsg(errmsg),
		_id(id)
	{}

	virtual string what()
	{
		return _errmsg;
	}
//protected可以保证子类可以获取去
protected:
	string _errmsg;
	int _id;
};

通过这个基类，我们可以扩展出很多派生类，派生类对基类进行继承，然后重写虚函数（派生类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表完全相同）。就可以通过不同的派生类获取到不同的错误信息了：

这样通过基类就可以获取到派生类，catch获取到抛出的派生类对象的引用！注意必须通过基类的指针或者引用调用虚函数（virtual修饰的类成员函数），才能构成多态！

类中的错误码id是为了区分处理方式，就比如如果是网络信号不稳定，就可以进行重试发送几次。次数用尽才抛出异常！

3.2 异常的重新抛出

什么时候需要进行异常的重新抛出呢？我们来看一个场景：

代码语言：javascript复制

void func()
{
	int* p1 = new int[10];

	double a, b;
	cin >> a >> b;
	Division(a, b);

	delete[] p1;
	return;
}

在这个函数中，如果没有发生异常，我们的程序会delete掉开辟的空间，但是如果出现了异常，会直接跳转到上层的catch,就没有进行内存的delete，造成内存泄漏！所以为了解决这个问题就要进行处理之后重新抛出异常：

代码语言：javascript复制

void func()
{
	int* p1 = new int[10];
	try
	{
		double a, b;
		cin >> a >> b;
		Division(a, b);
	}
	//所有异常都有进行捕获处理
	catch (...)
	{
		//delete开辟的内存再重新抛出异常
		delete[] p1;
		cout << "delete: p1" << endl;
		throw ;//捕获什么抛出什么
	}

	delete[] p1;
	cout << "delete: p1"  << endl;
	return;
}

在获取到异常的时候，先将该函数开辟的内存处理到，然后将异常再次抛出。也就是说这个catch不是为了获取异常，而是为了出现异常之后可以对函数内需要处理的空间进行处理。中途拦截一下异常，处理函数，再次传递异常！

这样异常的重新处理会出现很多复杂的情况：当我们new两个空间p1 , p2,如果new失败了抛出了异常，在进行delete的时候就会出错，所以还要进行try一次，保证delete不会出问题！为了解决这个问题就要使用智能指针，而不是使用这样很挫的代码，一点也不优雅！

总的来说：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！复杂的情况就是用指针指针！

3.3 异常安全

• 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
• 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)
• C 中异常经常会导致资源泄漏的问题，比如在new和delete中抛出了异常，导致内存泄漏，在lock和unlock之间抛出了异常导致死锁（lock_guard可以进行解决！）

总之：异常不能是想抛出就抛出，一定要考虑好，不能对其他代码程序产生影响！

3.4 异常规范

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。

代码语言：javascript复制

// 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) noexcept;

C 11之前是要求函数会出现什么种类的异常要写明白，但是这种用法的推广并不是很广。所以在C 11取消之前的异常说明方案，并新引入了noexcept关键字，表示该函数不会抛出异常。当然noexcept修饰的函数里是不能进行throw的！

noexcept异常说明可以有参数的，该说明符是可以接受一个可选的实参的，该实参必须可以转换为bool类型：

1. 如果实参为true，则函数不会抛出异常
2. 反之如果是fasle,函数可能会抛出异常！

所以noexcept有两层含义：当跟在函数参数列表之后时他是异常说明符；而当作为noexcept异常说明的bool实参出现时，他是一个运算符！

4 C 标准库的异常体系 *

C 提供了一系列标准的异常，定义在标准库中，我们可以在程序中使用这些标准的异常。它们是以父子类层次结构组织起来的，如下所示：

异常类型	意义描述
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。

5 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。而异常可以一步拿到异常信息，直接跳到错误的地方！
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。所以使用异常在一些项目中是很重要的！
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：
   • 抛出异常类型都继承自一个基类。
   • 函数是否抛异常、抛什么异常，都使用 func（） throw();的方式规范化。

总结：异常总体而言，利大于弊，所以工程中我们还是鼓励使用异常的。另外OO(面向对象)的语言基本都是用异常处理错误，这也可以看出这是大势所趋。

c++ 程序 对象 函数 异常

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