【C++】一文全解C++中的异常：标准库异常体系＆自定义异常体系（含代码演示）

前言

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主要内容含：
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目录

  • 一.C语言传统的处理错误的方式
  • 二.C++异常概念
    • 1）异常简述
    • 2）异常的抛出和捕获
      • 【1】异常的抛出和匹配原则
      • 【2】在函数调用链中异常栈展开匹配原则
      • 【3】异常的重新抛出的场景
  • 三.服务器开发中通常使用的异常继承体系
    • 【1】基本形式
    • 【2】基本形式的使用场景
    • 【3】C++标准库的异常体系
    • 【4】自定义异常体系：抛出的派生类对象， 使用基类捕获
    • 【5】自定义异常经典场景：抛出的派生类对象， 使用基类捕获
  • 四.异常常见不安全场景&"智能指针引入解决内存泄漏"传送门
  • 五.异常规范
  • 六.异常的优缺点＆总结

一.C语言传统的处理错误的方式

  • 传统的错误处理机制：
  1. 终止程序，超级暴力，如 assert(断言) ——用户难以接受。如发生内存错误，就会终止程序(除0错误时)
  2. 返回错误码（普遍）——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

二.C++异常概念

1）异常简述

  • 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。
  • try: 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。
  • 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。
  • 如果有一个块抛出一个异常，捕获异常的方法 会使用 try 和 catch 关键字。 try 块中放置可能抛
    出异常的代码     ，try 块中的代码被称为保护代码。使用 try/catch 语句的语法如下所示：
 try
{
  // 保护的标识代码
}
 catch( ExceptionName e1 )
{
  // catch 块
}
 catch( ExceptionName e2 )
{
  // catch 块
}
 catch( ExceptionName eN )
{
  // catch 块
}
 catch( ... ) //捕获任意类型异常，防止某个异常直到程序结束都没被捕获
{
  // catch 块
  cout << "Unkown Exception" << endl;
}

2）异常的抛出和捕获

【1】异常的抛出和匹配原则

  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。
  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. 如果一个异常直到程序结束都没被捕获则程序会报错，所以 通常加上最后一道防线—— 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。
  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，，，，，

【2】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。
    在这里插入图片描述

【3】异常的重新抛出的场景

  • 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一层的函数进行处理。
void Func()
{
	// 这里可以看到如果发生除0错误抛出异常，另外下面的array没有得到释放。
	// 所以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
	// 被抛出的异常继续匹配，离抛出异常位置 最近 的那一个 catch
	int* array = new int[10];

	try
	{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl;
	}
	catch (...)  // 异常的重新抛出
	{
		cout << "delete []" << array << endl;
		delete[] array;

		throw; // 捕获什么，抛什么
	}
	//...
	cout << "delete []" << array << endl;
	delete[] array;
}

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

	return 0;
}

三.服务器开发中通常使用的异常继承体系

【1】基本形式

  • 设置一个类，包含 （1）错误信息：string _errmsg; （2）错误id：int _id;
  • 同时为了支持多态（下面知识点中的抛出的派生类对象， 使用基类捕获），支持虚继承
// 服务器开发中通常使用的异常继承体系
class Exception
{
public:
	Exception(const string& errmsg, int id)
		:_errmsg(errmsg)
		, _id(id)
	{}

	virtual string what() const
	{
		return _errmsg;
	}
protected:
	string _errmsg;
	int _id;
};

【2】基本形式的使用场景

  • 异常类设置 【_id】
  • 在服务器运行过程中，会出现不同权重的错误信息，不一定每个都要直接捕获异常记录日志
  • 例如：在服务器运行过程中，会出现1.权限错误 2.服务器故障 3.网络错误 等错误信息；网络错误的场景我们接触得比较多，比如玩游戏时，网络突然掉了，这个时候系统一般会给 多次重试 的机会，如下所示： 
while (n--)
{
	try
	{
		func();
	}
	catch (const Excetion& e)
	{
		if (e.getid() == 3)//网络故障
		{
			continue;//重试
		}
		else //其他错误
		{
			//...  记录错误日志
			break;
		}
	}
}

【3】C++标准库的异常体系

  • C++ 提供了一系列标准的异常，定义在中，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：
    在这里插入图片描述
  • 常见标准库异常
    在这里插入图片描述

【4】自定义异常体系：抛出的派生类对象， 使用基类捕获

  • 为什么不用C++标准异常体系呢？C++标准库设计的不够好用
  • 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
    在这里插入图片描述

【5】自定义异常经典场景：抛出的派生类对象， 使用基类捕获

  • 在开发中，一般会有多个部门负责多个模块，例如：数据库模块，缓存模块，网络模块
  • 如果各个模块的相同类型异常都直接抛出来，则无法区分是具体哪个模块出的问题，因此需要派生类对象进行更加定制的设计；
  • 下面代码则是模拟开发中抛异常的场景：

分析:

  • 不同模块继承了基类，设置了 what（）函数，可以返回对应的str错误信息
  • catch (const Exception& e) ——这里捕获父类对象就可以
  • 通过 e.what() 记录日志——实现多态
// 服务器开发中通常使用的异常继承体系
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   //数据库模块
{
public:
	SqlException(const string& errmsg, int id, const string& sql)
		:Exception(errmsg, id)
		, _sql(sql)
	{}

	virtual string what() const
	{
		string str = "SqlException:";    //表示是数据库模块的问题
		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'");
	}

	//throw "xxxxxx";

	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;
}

四.异常常见不安全场景&"智能指针引入解决内存泄漏"传送门

  • 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，C++经常使用 RAII（智能指针）来解决以上问题，关于RAII 智能指针的传送门在下：
  • 智能指针博客传送门：
    int* p1 = new int;
	int* p2 = new int;

	func();//在中间异常被捕获了，导致delete无法进行，内存泄漏

	delete p1;
	delete p2;

五.异常规范

  • 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。
  1. 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。 
// 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;

六.异常的优缺点＆总结

  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。

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