C++笔记：异常

文章目录

  • C 运行时错误处理机制及其不足之处
  • C++ 异常概念
  • 异常的使用
    • 异常的抛出和匹配原则
    • 在函数调用链中异常栈展开匹配原则
    • 异常的重新抛出
    • 举例演示说明
      • 例子一：串联举例演示大部分原则
      • 例子二：模拟服务器开发中常用的异常继承体系
      • 例子三：异常的重新抛出
  • 异常安全问题
    • 构造函数中的异常安全性
    • 析构函数中的异常安全性
  • 异常规范
  • C++标准库的异常体系
  • 异常的优缺点
    • 优点
    • 缺点：

C 运行时错误处理机制及其不足之处

C++ 中的异常（Exception），是一种用来处理运行时错误的机制。

这里提到一个词——运行时错误，这是什么？

这里就需要了解一点编译原理的相关知识，以 .c、.cpp 为后缀的文件只是文本文件，不能被运行，能够运行的实际上是经过编译链接生成二进程可执行程序。

所以，运行时错误实际上指的是让这个被生成的二进制可执行程序在执行过程中发生崩溃或者产生不可预测的行为的错误。

常见的运行时错误有：

  • 内存访问错误：比如访问了未初始化的内存、访问了已释放的内存等。
  • 数组越界：当程序试图访问数组中超出其边界范围的元素时发生。
  • 空指针引用：当程序试图访问一个空指针所指向的内存地址时发生。
  • 除零错误：试图在程序中进行除法运算时除数为零。
  • 文件不存在或无法打开：试图打开不存在的文件或者没有权限打开文件。

C++ 兼容 C，C 也会有运行时错误出现，C 的运行时错误处理机制是怎样的，为什么还要搞出一套异常机制出来，为了解答这个问题，这里再去了解一下 C 处理错误的方式。

C 的错误处理方式主要有以下三种：

  1. 返回错误码： 函数可以返回一个特定的错误码，表示函数执行过程中遇到了问题。调用方可以根据返回的错误码来判断是否发生了错误，并采取相应的处理措施。
  2. 全局错误变量： 程序可以定义一个全局的错误变量(如：errno)，函数在执行过程中如果发生错误，就将错误信息写入该全局变量，调用方可以定期检查该变量来获取错误信息。
  3. 终止程序： 有些严重的运行时错误可能会导致程序无法继续执行，这时候程序可以直接调用 exit 函数来终止程序的执行，并返回一个非零的（进程）退出码来表示发生了错误。

一些 C 错误处理方式的不便之处：

  1. 错误检测容易被忽略： 调用方可能会忘记检查错误码或全局错误变量，导致错误未被及时处理，从而影响程序的正确性。
  2. 错误信息不足： 首先，错误码或全局错误变量通常就只是一个整形数字，想要了解更多的错误信息，得使用提供的错误信息查看接口（如：perror、strerror），或者亲自去查阅错误码表。其次，程序被终止但是详细的错误信息却没有被提供，这使得使得调试和排查问题变得困难。
  3. 容易混淆： 在复杂的函数调用链中，错误码的传递和处理可能会变得混乱，降低了代码的可读性和可维护性。
  4. 用户难以接受： 终止程序，特别是7x24小时的服务器程序，一旦因为某些不知名原因程序崩溃，用户体验不好就会向服务提供方投诉，这有可能会对提供方造成经济损失和口碑下滑。

因此，C++ 异常机制就是针对 C 错误码信息不足、复杂函数调用链中错误码的传递和处理过于复杂从而降低代码可读性和健壮性、直接终止程序过于绝情等问题而设计出来。

C++ 异常概念

异常是怎么处理错误的？

异常的相关机制是通过3个关键字来实现的，三个关键字分别对应了三个步骤：

  • 抛出异常（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。
  • 检测异常（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。
  • 捕获异常（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。

这3个关键字是怎么用的，这里用一份小的demo来进行简单了解，后面会深入了解：

double division(int a, int b) {
	// 当 b == 0 时，throw 异常
	if (b == 0) {
		throw "division by zero condition!";
	}
	else {
		return ((double)a / (double)b);
	}
}

void func() {
	int a = 0;
	int b = 0;
	cin >> a >> b;
	cout << division(a, b) << endl;
}

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

	return 0;
}

在这段代码中，异常处理的基本过程如下：

抛出异常： 在 division() 函数中，当除数 b 为 0 时，使用 throw 关键字抛出一个异常。异常的类型是 const char*，并包含了错误信息 "division by zero condition!"。

检测异常： 在 main() 函数中，func() 函数被包裹在 try 块中。这意味着程序将尝试执行 func() 函数，并在其中抛出的任何异常被捕获。

捕获异常： catch 块用于捕获并处理抛出的异常。在 main() 函数中，有两个 catch 块。第一个 catch 块捕获类型为 const char* 的异常，即字符串常量。当 division() 函数抛出异常时，它被这个 catch 块捕获，并输出错误信息到控制台。

异常的使用

异常的抛出和匹配原则

  1. 异常是通过抛出对象而引发的，抛出对象可以是任意类型，而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（catch块）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。
  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。

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。

异常的重新抛出

C++ 的异常还提供了这样的一种机制，当函数调用链中的某个函数抛出的异常对象被某个catch块捕获了之后，能够在该catch块中重新抛出，这个机制一般是用来应对某些当catch语句捕获一个异常后，可能不能完全处理异常，完成某些操作后，该异常必须由函数链中更上级的函数来处理的状况。

语法：

// 捕获到一个异常
catch(...) {
	throw;	// 将捕获到的异常重新抛出
}

注：重新抛出的表达式就是：throw;，因为异常类型在catch语句中已经有了，不必再指明。

举例演示说明

例子一：串联举例演示大部分原则

在这里插入图片描述

例子二：模拟服务器开发中常用的异常继承体系

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，也是这篇文章的核心之一，下面用一个例子演示一下：

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 {
		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";
}

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() {
	srand((size_t)time(nullptr));

	while (1) {
		try {
			HttpServer();
		}
		catch (const Exception& e) {
			// 多态
			cout << e.what() << endl;
		}
		catch (...) {
			cout << "Unkown Exception" << endl;
		}
	}
	return 0;
}

在这里插入图片描述

例子三：异常的重新抛出

在这里插入图片描述

除了上面的情况外，还了解到一种重新抛出异常的使用场景（参考自文章《C++中异常处理中的异常重新抛出的一种用法》）

在实际开发中，免不了要使用第三方库的接口，假设第三方库里有这样的一个接口：

/**
* 第三方库函数：void other(int i);
* 异常对象 1：表示越界
* 异常对象 2：表示数据异常
*/
void other(int i) {
	if (i < 0) {
		throw 1;
	}
	if (i > 1000) {
		throw 2;
	}
}

这时候就会有一种这一场抛了跟没抛一样，说白了还得是去查错误码手册，这时候就可以用重新抛出异常的方法来封装：

void other(int i) {
	// ...
	if (i < 0) {
		throw 1;
	}
	// ...
	if (i > 1000) {
		throw 2;
	}
	// ...
}

void MyFunc(int num) {
	try {
		other(num);
	}
	catch (int i) {
		switch (i)
		{
		case 1:
			throw "out of range";
			break;
		case 2:
			throw "data exception";
			break;
		default:
			throw "unknown exception";
			break;
		}
	}
}

int main() {
	try {
		MyFunc(-1);
	}
	catch (const char *errmsg) {
		cout << errmsg;
	}
	return 0;
}

这么处理的话，排查错误的时候就很舒服了。

异常安全问题

构造函数中的异常安全性

在构造函数中抛出异常可能会导致对象处于不一致的状态，因为构造函数通常负责完成对象的初始化。如果在构造函数中抛出异常，对象的析构函数可能不会被调用，从而导致资源泄漏。此外，构造函数抛出异常后，已经成功分配的内存（如果有）可能不会被正确释放，从而导致内存泄漏。

class MyClass {
public:
    MyClass() {
        // 在构造函数中分配资源
        resourcePtr = new Resource;
        // 如果发生异常，资源可能不会被正确释放
        if (someCondition) {
            throw std::runtime_error("Error occurred");
        }
    }

    ~MyClass() {
        delete resourcePtr; // 在析构函数中释放资源
    }

private:
    Resource* resourcePtr;
};

析构函数中的异常安全性

析构函数主要负责资源的清理工作，包括释放动态分配的内存、关闭文件句柄等。如果在析构函数中抛出异常，那么可能会导致资源无法正常释放，从而引发内存泄漏。

class MyResource {
public:
    MyResource() {
        // 打开文件资源
        filePtr = fopen("example.txt", "r");
        if (filePtr == nullptr) {
            throw std::runtime_error("Failed to open file");
        }
    }

    ~MyResource() {
        // 关闭文件资源
        if (fclose(filePtr) != 0) {
            throw std::runtime_error("Failed to close file");
        }
    }

private:
    FILE* filePtr;
};

异常规范

异常的出现有便利的一面，但异常的不规范使用也会带来很多问题：
第一，异常的出现让程序的执行流变得混乱，当一个函数抛出异常后，程序就会从当前函数栈帧跳到某一个函数栈帧；
第二，如果不去看函数的具体实现，我们无法分辨一个函数到底会不会抛异常、需不需做异常检测和捕获；

这时候就需要一套机制快速告诉程序员，这个函数到底会不会抛异常，会抛出什么类型的异常，因此C++创始人 Bjarne Stroustrup 制定了一套异常规范体系。

函数声明后面可以加上异常规格说明：

return_type function_name(type) throw(type1, type2, ...);

举例：

// 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);
void fun() throw(int，double，char，const char*);
// 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;

就如同勤洗手、戴口罩可以减少卫生问题却有很多人没执行那样，异常规范也只是一个建议性的行为而已，这是因为 C++ 是一个历史包袱很重的语言，C++ 是兼容 C 的，C 中是没有 “ 异常 ” 这个概念的，如果 C++ 强制性要求一个函数如果抛了异常都要进行异常规格说明的话，很多 C 的函数就没有办法调用了。

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

异常说明：

异常类型描述
std::exception所有标准 C++ 异常的父类。
std::bad_alloc通过 new 抛出的异常。
std::bad_cast通过 dynamic_cast 抛出的异常。
std::bad_typeid通过 typeid 抛出的异常。
std::bad_exception处理 C++ 程序中无法预期的异常时非常有用。
std::logic_error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可以通过方法抛出的异常，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。

异常的优缺点

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，具体看下面的详细解释。
// 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;
}
  1. 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。
  2. 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。

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（GC），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（智能指针）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。

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