Java基础之异常（Exception）

异常，是Java中非常常用的功能，它可以简化代码，并且增强代码的安全性。本文将介绍一些异常高级知识，也是学习Java一来的一次总结。包括以下内内容：

1. 异常的基础知识
2. 异常特点
3. 异常误用
4. 如何正确地使用异常
5. 异常的实现原理

关于异常

异常机制，是指程序不正常时的处理方式。具体来说，异常机制提供了程序退出的安全通道。当出现错误后，程序执行的流程发生改变，程序的控制权转移到异常处理器。

异常的一般性语法为：

try {
    // 有可能抛出异常的代码
} catch (Exception e) {
    // 异常处理
} finally {
    // 无论是否捕获到异常都会执行的程序
}

Java异常体系

Java异常中的体系结构如下图所示。

• Throwable类是整个Java异常体系的超类，都有的异常类都是派生自这个类。包含Error和Exception两个直接子类。
• Error表示程序在运行期间出现了十分严重、不可恢复的错误，在这种情况下应用程序只能中止运行，例如JAVA虚拟机出现错误。在程序中不用捕获Error类型的异常。一般情况下，在程序中也不应该抛出Error类型的异常。
• Exception是应用层面上最顶层的异常类，包含RuntimeException（运行时异常）和 Checked Exception（受检异常）。
  
  • RuntimeException是一种Unchecked Exception，即表示编译器不会检查程序是否对RuntimeException作了处理，在程序中不必捕获RuntimException类型的异常，也不必在方法体声明抛出RuntimeException类。一般来说，RuntimeException发生的时候，表示程序中出现了编程错误，所以应该找出错误修改程序，而不是去捕获RuntimeException。常见的RuntimeException有NullPointException、ClassCastException、IllegalArgumentException、IndexOutOfBoundException等。
  • Checked Exception是相对于Unchecked Exception而言的，Java中并没有一个名为Checked Exception的类。它是在编程中使用最多的Exception，所有继承自Exception并且不是RuntimeException的异常都是Checked Exception。JAVA 语言规定必须对checked Exception作处理，编译器会对此作检查，要么在方法体中声明抛出checked Exception，要么使用catch语句捕获checked Exception进行处理，不然不能通过编译。常用的Checked Exception有IOException、ClassNotFoundException等。

异常的特点

通用特点

JVM捕获并处理未被应用程序捕获的异常

无论是受检异常（Checked Exception）还是运行时异常（Runtime Exception），如果异常没有被应用程序捕获，那么最终这个异常会交由JVM来进行处理，会明显出现下面两个结果：
1. 当前线程会停止运行，异常触发点后面的代码将得不到运行。
2. 异常栈信息会通过标准错误流输出。

/**
 * 应用程序没有处理抛出的异常时，会交由JVM来处理这个异常。结果是：
 * 1. 当前线程会停止运行，异常触发点后面的代码将得不到运行。
 * 2. 异常栈信息会通过标准错误流输出。
 * 
 * @author xialei
 * @version 1.0 2016年5月18日下午9:53:54
 */
public class UncatchedException {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        throwException();
        System.out.println("这一行不会被打印出来");
    }

    public static void throwException() throws Exception {
        int i = 0;
        if (i == 0) {
            throw new Exception();
        }
    }
}

异常catch有顺序性

在catch异常时，如果有多个异常，那么是会有顺序要求的。子类型必须要在父类型之前进行catch，catch与分支逻辑是一致，如果父类型先被catch，那么后被catch的分支根本得不到运行机会。

/*
 * 个人主页：http://hinylover.space
 *
 * Creation Date: 2016年4月7日 下午2:29:42
 */
package demo.blog.java.exception;

/**
 * 在catch异常时，如果有多个异常，那么是会有顺序要求的。子类型必须要在父类型之前进行catch，
 * catch与分支逻辑是一致，如果父类型先被catch，那么后被catch的分支根本得不到运行机会。
 * 
 * @author xialei
 * @version 1.0 2016年5月18日下午10:00:40
 */
public class ExceptionCatchOrder {

    public void wrongCatchOrder() {
        try {
            Integer i = null;
            int j = i;
        } catch (Exception e) {
        } catch (NullPointerException e) { // 编译不通过，eclipse提示“Unreachable catch block for NullPointerException. It is already handled by the catch block for Exception”
        }
    }
}

异常被吃掉

如果在finally中返回值，那么在程序中抛出的异常信息将会被吞噬掉。这是一个非常值得注意的问题，因为异常信息是非常重要的，在出现问题时，我们通常凭它来查找问题。如果编码不小心而导致异常被吞噬，排查起来是相当困难的，这将是一个大隐患。

/*
 * 个人主页：http://hinylover.space
 *
 * Creation Date: 2016年4月7日 下午2:29:42
 */
package demo.blog.java.exception;

/**
 * 如果在finally中返回值，那么在程序中抛出的异常信息将会被吞噬掉。
 * @author xialei
 * @version 1.0 2016年5月18日下午10:08:43
 */
public class FinallySwallowException {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println(swallowException()); // 打印出2，而不是打印出异常栈
    }

    public static int swallowException() throws Exception {
        try {
            throw new Exception();
        } finally {
            return 2;
        }
    }
}

重写Exception的fillInStackTrace()方法

使用自定义异常时，可以重写fillInStackTrace()方法来控制Exception的异常栈信息。默认情况下，在程序抛出异常时，最终会通过调用private native Throwable fillInStackTrace(int dummy)这个本地方法来获取当前线程的堆栈信息，这是一个非常耗时的操作。如果我们仅仅需要用到异常的传播性质，而不关系异常的堆栈信息，那么完全可以通过重写fillInStackTrace()方法来实现。

/*
 * 个人主页：http://hinylover.space
 *
 * Creation Date: 2016年4月7日 下午2:29:42
 */
package demo.blog.java.exception;

/**
 * 重写Exception的fillInStackTrace()方法
 * 
 * @author xialei
 * @version 1.0 2016年5月18日下午10:18:57
 */
public class MyException extends Exception {

    public MyException(String message) {
        super(message);
    }

    /*
     * 重写fillInStackTrace方法会使得这个自定义的异常不会收集线程的整个异常栈信息
     * 减少异常开销。
     */
    @Override
    public synchronized Throwable fillInStackTrace() {
        return this;
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            throw new MyException("由于MyException重写了fillInStackTrace方法，那么它不会收集线程运行栈信息。");
        } catch (MyException e) {
            e.printStackTrace(); // 在控制台的打印结果为：demo.blog.java.exception.MyException: 由于MyException重写了fillInStackTrace方法，那么它不会收集线程运行栈信息。
        }
    }
}

受检异常（checked exception）

必须处理或者向上抛出

我们必须要对底层抛出来的受检异常进行处理，处理方式有try…catch…或者向上抛出（throws），否则程序无法通过编译。

package demo.blog.java.exception;

/**
 * 必须对底层抛出的异常进行处理
 * @author xialei
 * @version 1.0 2016年5月18日下午10:42:53
 */
public class CheckedException {

    public static void main(String[] args) {
        throwException(); // 编译不通过，必须对底层抛出的异常进行处理
    }

    public static void throwException() throws Exception {
        throw new Exception();
    }
}

不能捕获未被抛出的受检异常

如果我们试图去捕获一个未被抛出的受检异常，程序将无法通过编译（Exception除外）。

/*
 * 个人主页：http://hinylover.space
 *
 * Creation Date: 2016年5月18日 下午10:45:32
 */
package demo.blog.java.exception;

import java.io.IOException;

/**
 * 不能捕获一个没有被抛出的受检异常（Exception除外）
 * @author xialei
 * @version 1.0 2016年5月18日下午10:45:32
 */
public class CantCatchUnthrowedException {

    public void cantCatchUnthrowedException() {
        try {
            int i = 0;
        } catch (IOException e) { // 编译不通过，eclipse提示：Unreachable catch block for IOException. This exception is never thrown from the try statement body
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行时异常（runtime exception）

运行时异常（runtime exception）与受检异常（checked exception）的最大区别是不强制对抛出的异常进行处理。所有的运行时异常都继承自RuntimeException这个类，别问为什么，Java是这么规定的。与受检异常类似的例子，如果抛出的是运行时异常，就算不捕获这个异常，程序也可以编译通过。

/*
 * 个人主页：http://hinylover.space
 *
 * Creation Date: 2016年5月18日 下午11:02:57
 */
package demo.blog.java.exception;


/**
 * 编译通过
 * @author xialei
 * @version 1.0 2016年5月18日下午11:02:57
 */
public class MyRuntimeException {

    public void myRuntimeException() {
        throw new RuntimeException(); // 可以正常编译
    }
}

异常的使用

用受检异常还是运行时异常？

在使用异常时，笔者经常为使用何种异常而犯难，在实际使用过程中总结了一些小经验。

大概率发生时使用运行时异常

从概率上来说，如果这个异常发生的频率非常高，那么因为使用运行时异常，最典型的就是NullPointException。Java中调用每个对象的方法时，都有可能会发生NullPointException。如果这是一个受检异常，那么在每次调用对象方法要么try {} catch {}，那么使用throws关键字向上抛出。无论哪种方式，代码无疑都会是非常丑陋的，那画面太“美”不敢看。如果代码里充斥着各种异常处理块，可读性将会大打折扣。

异常无法恢复时使用运行时异常

当异常发生时，如果开发者无法从异常状态恢复到正常状态，那么这种异常应该是运行时异常。如果使用受检异常，这除了加重开发者的负担之外，别无它用。当在调用其他方法时，如果方法抛出受检异常，那么笔者就会比较紧张。因为这意味着需要停止业务逻辑开发，然后开始思考如何处理这该死的异常。运行时异常通常是由于开发者编程不当所引起的，譬如空指针异常、除零异常等。如果开发者在开发过程中小心谨慎，考虑周全，就可能避免这种异常的发生。

可恢复时优先使用受检异常

如果我们能够从异常中恢复到正常状态，那么应该优先使用受检异常。为什么是优先而不是一定呢？因为从原理上来说，使用运行时异常也可以恢复到正常状态，而且使用运行时异常的代码无疑会比较干净整洁。而使用受检异常，明确地说明了调用方式时可能发生异常情况，强制开发者去处理这些异常情况常常会增强代码的健壮性。受检异常通常是由外部环境所引起的，譬如IOException等。

使用受检异常做流程控制

从Java语义上来说，应该是当程序层面真正发生异常状况时才应该使用异常（Exception），《Effect Java》一书中也建议只有真正的异常情况才使用异常。但我们有时也会利用异常来达到业务流程控制的目的。这样做主要有下面的好处：

• 简化代码逻辑。我们无需为多分枝业务流程编写各种if…else…语句来处理不同的情况。相反地，我们只需处理正常的业务流程即可，异常流程只需要通过异常向上抛出去即可，至于谁去处理这些异常，则不需要我们过多地关心。
• 可读性增强。如果一段代码中充斥着分枝逻辑，那么整个代码的可读性会非常差。在阅读代码时，很难理清楚代码的主干。说到底，主干代码才是我们重点关注的。如果使用异常进行流程控制，主干代码就清晰地显示在面前，两个字：舒服！

尽量集中处理异常

在各种有关代码重构的书本中，都会提到一个核心原则：一个方法应该仅做一件事情。如果一个方法中，既包含业务逻辑，又包含异常处理程序，那么实际上这个方法就做了两件事情。如果异常上层可以处理，那么就不应该在下层处理。在上层进行处理的好处是，可以对异常进行统一地处理。而至于将异常处理程序分散到代码的各个地方，导致维护起来十分困难。在进行异常处理时，应该优先考虑使用AOP（面向切面编程）技术，这样降低了核心业务逻辑与异常处理的耦合性。

自定义异常体系

在应用系统中应该要建立自己的异常体系，这样便于统一处理系统中出现的异常。笔者在开发过程中，通常会建立类似下图所示的系统体系。越靠近底层，越使用更加底层的、具体的异常。如果是其他系统中的异常（譬如Java自身的异常），也应该将其转化为自定义体系中的对应异常。

异常误用

e.printTrace()处理所有异常。

使用e.printTrace()来粗暴地处理所有异常是新手经常犯的毛病，笔者在初学时也是这么干的。为什么会出现这种情况呢？因为如果未处理的受检异常，代码将编译不通过，IDE（如eclipse）中会无情地打上各种红叉叉。这是IDE可以帮我们处理的情况，于是按照IDE的提示，try{}catch{}这段代码，其默认的异常处理就是调用e.printTrace()方法。初学者只顾着代码顺利通过编译，而完全没有考虑这样做存在的风险。这样做的风险如下：

• 错失正确的处理方法。相当一部分受检异常通过正确地处理是可以恢复正常，简单粗暴地使用e.printTrace()将错失恢复机会。
• “丢失”异常信息。printTrace()方法是Throwable类中的一个方法，它的作用是将异常栈信息打印到标准错误流中。如果Web项目，会将异常信息打印到容器的日志文件中；如果是普通项目，通常会将标准输出和标准错误重定向到dev/null（空设备）中。无论是何种情况，都有可能导致异常信息“丢失”（web容器中的日志其实不代表丢失了，但是我们通常不会利用容器级别的日志排错），给排错带来很大的麻烦。

全部使用运行时异常

为了“偷懒”，无论什么情况都使用运行时异常，这样就可以不用费劲处理异常了，轻轻松松。但是，现在没事不代表以后不出事，这无疑为代码埋下了隐患。如果在调用一个方法时，该方法并没有显示地抛出异常，也没有在javadoc中强调，我们就不会知道调用这段代码可能发生的异常情况，那些可能出现的异常情况对我们来说是透明的。

总是catch Exception对象

在捕获和处理异常时，不管3721，一股脑地catch Exception对象。没错，这样就可以一次性处理所有异常情况。但是，所有地异常都使用相同的处理程序真的对吗？在这样做之前应该先要打个大大的问号。这样做的后果是我们会无形中忽略那些重要的异常。

正确使用异常

• 正确地处理异常。针对不用的异常采取合适的、正确的异常处理方式，不要遇到任何异常都printTrace()或者打印一个日志。
• catch时指定具体的异常。不要一股脑地catch Exception，具体的异常应该单独catch住，越具体的异常越早catch。
• 涉及到资源时，需要finally。如果涉及到资源的关闭时，应该将关闭资源的代码写在finally代码块内。
• 最小化try{ } catch{ }范围。try的范围应该尽量小，最好就是try住抛出异常的那个方法即可。

异常的实现原理（字节码级别）

从字节码层面上来分析一下Java异常的实现原理，编写如下所示的源代码，使用javac命令进行编译，然后使用javap命令查看编译后的字节码细节内容。

public class ExceptionClassCode {

    public int demo() {
        int x;
        try {
            x = 1;
            return x;
        } catch (Exception e) {
            x = 2;
            return x;
        } finally {
            x = 3
        }
    }
}

public int demo();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=5, args_size=1
         0: iconst_1 // 生成整数1
         1: istore_1 // 将生成的整数1赋予第1号局部变量（x=1）
         2: iload_1 // 将x(=1)的值入栈
         3: istore_2 // 将栈顶的值（=1）赋予第2号变量（returnValue）
         4: iconst_3 // 生成整数3
         5: istore_1 // x=3
         6: iload_2 // returnValue=当前栈顶值（=1）
         7: ireturn // 返回returnValue（=1）
         8: astore_2 // 将Exception对象引用值赋予第2号局部变量
         9: iconst_2 // 生成整数2
        10: istore_1 // x=2
        11: iload_1 // x(=2)压入栈顶
        12: istore_3 // 将栈顶的值（=2）赋予第3号变量（returnValue）
        13: iconst_3 // 生成整数3
        14: istore_1 // x=3
        15: iload_3  // returnValue(=2)压入栈顶
        16: ireturn  // 返回returnValue（=2）
        17: astore        4 // 将异常信息保存到第4号局部变量
        19: iconst_3 // 生成整数3
        20: istore_1 // x=3
        21: aload         4 // 将异常引用值压入栈
        23: athrow // 抛出栈顶所引用的异常
      Exception table:
         from    to  target type
             0     4     8   Class java/lang/Exception # 如果0~4行字节码（try代码块）中出现Exception及其子类异常，则执行第8行（catch代码行）
             0     4    17   any # 无论0~4行字节码（try代码块）是否抛出异常，都执行第17行（finally代码行）
             8    13    17   any # 无论8~13行字节码（catch代码块）是否抛出异常，都执行第17行（finally代码行）
            17    19    17   any 

看到字节码中有一个Exception table（异常表）区域，这个就是与异常相关的字节码内容。它表示在from到to所指示的字节码行中，如果抛出type所对应的异常（及其子类），那么就跳到target指定的字节码行开始执行。

转载自《重新认识Java语言——异常（Exception）》