【 Python 全栈开发 - 语法基础篇 - 18 】异常处理

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在编写 Python 代码时，可能会遇到各种错误和异常情况，如文件找不到、网络连接中断等等。为了让程序更加健壮和稳定，我们需要使用 Python 的异常处理机制来捕获并处理这些异常情况。

Python 的异常处理机制可以通过 try-except 语句来实现。在 try 块中，我们放置可能会抛出异常的代码；而在 except 块中，我们则可以对不同类型的异常进行捕获，并给出相应的处理方法。如果 try 块中没有抛出异常，则 except 块将不会被执行。

下面是一个简单的 Python 异常处理的例子：

try:
    a = 1 / 0
except ZeroDivisionError:
    print("除数不能为0")

在上面的代码中，我们尝试计算1÷0，显然这个操作是不合法的，会抛出 ZeroDivisionError 异常。我们在 except 块中对这种异常进行了捕获，并输出了一条提示信息。

Python 的异常处理机制可以帮助我们更好地控制代码的流程，在出现异常情况时能够优雅地处理问题，同时也有利于代码的可读性和可维护性。

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一、异常

异常是计算机程序在执行期间发生的一些意外情况或错误事件，这些情况可能会导致程序中断或崩溃。异常可以有多种原因，例如错误的数据输入、内存不足、网络连接中断等。

当程序捕获到异常时，它会尝试处理该异常以避免程序崩溃或损坏。在许多编程语言中，开发人员可以使用异常处理机制来识别和处理异常。

这种机制使得程序能够更灵活地应对各种问题，并提高了程序的可靠性和稳定性。

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常见的异常类型包括：

1. AttributeError：访问对象没有属性或方法时抛出的异常。
2. TypeError：使用了不支持的操作类型时抛出的异常。
3. ValueError：传递给函数的参数不合法时抛出的异常。
4. IndexError：尝试访问超出序列范围的索引时抛出的异常。
5. KeyError：在访问字典中不存在的键时抛出的异常。
6. IOError：读取或写入文件时发生错误时抛出的异常。
7. KeyboardInterrupt：用户在程序运行时按下了 Ctrl+C 时抛出的异常。
8. NameError：访问未定义的变量或函数时抛出的异常。
9. ZeroDivisionError：除数为零时抛出的异常。

以上是 Python 中常见的异常类型，其他编程语言中也有类似的异常类型。捕获并处理异常可以帮助我们编写更健壮的代码。

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下面是Python的异常处理机制的流程：

1. 当程序发生异常时，解释器查找当前代码所在的 try 块。如果 try 块中有对应的 except 块，则执行该块内的异常处理代码。

2. 如果没有找到对应的 except 块，则将异常传递给上层的 try 块，直到找到对应的 except 块或者抛出未被捕获的异常。

3. 如果所有的 try 块都没有处理该异常，则解释器会终止程序并打印出异常信息。

4. 在 except 块中可以使用多个 except 子句来处理不同类型的异常。

5. 在 except 块中也可以使用 else 子句来处理没有被捕获的异常。

6. 在 except 块中还可以使用 finally 子句来执行一些清理工作，无论是否有异常产生。

7. 可以使用 raise 语句来手动抛出异常。

8. 可以通过自定义异常类来创建自己的异常类型，并在程序中使用。

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二、try-except 语句

try-except 语句用于捕获和处理可能会引发异常的代码块。其基本语法如下：

try:
    # 可能会抛出异常的代码块
except ExceptionType1:
    # 处理特定类型的异常
except ExceptionType2:
    # 处理不同类型的异常
else:
    # 在try代码块内没有引发任何异常时执行的代码
finally:
    # 不管try代码块是否引发异常都会执行的代码

在使用 try 块时，如果其中的代码引发了一个捕获到的异常，程序将跳转到与该异常匹配的 except 块中，以执行特定的操作或输出特定的消息，从而使程序能够优雅地处理异常。

如果你想在 try 代码块中没有引发异常时执行一些代码，则可以使用 else 块来实现这一点。

最后，使用 finally 块可以确保无论是否引发异常，都会执行一些代码。通常 finally 块用于清理资源，例如关闭文件或网络连接。

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在 Python 中，可以使用多个except子句来处理不同类型的异常。每个except子句会捕获指定的异常类型，并执行相应的代码块。

下面是一个例子：

try:
    # 一些可能会产生异常的代码
except ValueError:
    # 处理值错误的代码
except ZeroDivisionError:
    # 处理除零错误的代码
except:
    # 处理其他异常的代码

在上面的代码中，首先使用try块包裹可能会产生异常的代码。然后使用多个except子句来捕获不同类型的异常。如果发生值错误，则执行第一个except子句中的代码；如果发生除零错误，则执行第二个except子句中的代码；如果发生任何其他类型的异常，则会执行最后一个except子句中的代码。

需要注意的是，更具体的异常类型应该放在前面的except子句中，更通用的异常类型（如上面的最后一个子句）应该放在最后。这样可以确保异常处理器能够正确地识别异常并执行相应的代码块。

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在 Python 中，使用 except 子句可以捕获异常。当代码块中发生异常时，except 中的代码将被执行。在 except 子句中，可以使用 as 关键字将捕获到的异常对象赋值给一个变量，以便进一步处理。

以下是使用 except 子句捕获异常对象的方法：

try:
  # Some code that may raise an exception
except Exception as e:
  # Handle the exception, for example:
  print(f"An error occurred: {e}")

在上面的例子中，我们使用 Exception as e 将捕获到的异常对象赋值给了变量 e。然后我们可以在 except 子句中使用这个变量来处理异常。在这个例子中，我们只是简单地打印了异常信息，但实际上可能需要更复杂的处理方法。

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在Python中，else和finally子句是与try-except语句相关的一些关键字。

• else子句：可以在try-except语句中添加一个可选的else块，该块只会在try块没有引发任何异常时执行。如果在try块中引发了任何异常，则else块将被跳过。这使得else块对于在没有错误的情况下避免混乱或进行清理工作非常有用。

例如：

try:
    # some code that may raise an exception
except SomeException:
    # exception handling
else:
    # executes if the try block did not raise any exception

• finally子句：不管try块是否引发了异常，都会执行finally块。通常使用finally块来确保资源已经释放，文件已经关闭等，无论代码是否引发异常。

例如：

try:
    # some code that may raise an exception
except SomeException:
    # exception handling
finally:
    # executes always after try and except blocks, even if the exception was not caught

使用try-except-else-finally语句的示例：

try:
    # some code that may raise an exception
except SomeException:
    # exception handling
else:
    # executes if the try block did not raise any exception
finally:
    # executes always after try and except blocks, even if the exception was not caught

总之，else和finally子句允许我们在处理异常时完成更多的工作，以及在无论是否引发异常都确保代码块完成的清理。

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三、抛出异常

在 Python 中，raise 语句用于引发异常。它允许你在代码中主动抛出异常，以便在特定条件下终止程序的执行并传递相关的错误信息。

raise 语句的基本语法如下：

raise [ExceptionClass([args])]

其中，ExceptionClass 是异常类的名称，可以是内置的异常类，也可以是自定义的异常类。args 是传递给异常类初始化方法的参数，如果异常类需要接收参数的话。

以下是一些示例，展示了raise语句的使用方式：

抛出内置异常：

raise ValueError("Invalid value")  # 抛出一个值错误异常，指定错误信息
raise TypeError  # 抛出一个类型错误异常，没有指定错误信息

抛出自定义异常：

class CustomException(Exception):
    pass

raise CustomException("This is a custom exception")  # 抛出自定义异常，指定错误信息

当raise语句执行时，它会中断当前代码块的执行，并将控制权交给最近的异常处理程序。如果没有合适的异常处理程序，程序将终止并显示默认的异常信息。

你还可以使用raise语句捕获已经引发的异常，并重新引发该异常：

try:
    # 一些可能引发异常的代码
except SomeException as e:
    # 处理异常
    raise  # 重新引发异常

在这个示例中，如果SomeException异常被捕获并处理，但你希望在处理完成后继续引发同一个异常，可以使用raise语句而不提供任何参数。

需要注意的是，如果raise语句不在try块中或其子块中，那么程序将会终止并显示未处理的异常信息。

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在 Python 中，可以通过自定义异常类来定义自己的异常类型。自定义异常类可以用于在特定情况下引发异常，并且可以提供更多有关错误发生的信息。

要定义自定义异常类，需要创建一个继承自Exception或其子类的类。下面是一个示例：

class MyCustomException(Exception):
    def __init__(self, message):
        self.message = message
        super().__init__(self.message)

在这个示例中，MyCustomException是一个自定义异常类，它继承自Exception类。它有一个__init__方法，该方法接受一个message参数，并将其存储在实例变量self.message中。然后，调用父类Exception的__init__方法来初始化异常。

要引发这个自定义异常，可以使用raise语句，并传递异常类的实例。例如：

def divide(a, b):
    if b == 0:
        raise MyCustomException("Division by zero is not allowed.")
    return a / b

try:
    result = divide(10, 0)
except MyCustomException as e:
    print(e.message)

在上面的示例中，divide函数在尝试除以0时会引发MyCustomException。在try块中，我们捕获这个异常并打印出异常的消息。

通过自定义异常类，您可以根据自己的需求定义更具体和有意义的异常类型，以便在程序中进行更好的错误处理和调试。

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四、异常的高级应用

在 Python 中，上下文管理器（Context Manager）是一种用于管理资源的对象。它可以确保在使用完资源后，资源会被正确释放或清理。上下文管理器通常与 with 语句一起使用，以提供一种简洁和安全的资源管理方式。

with语句是 Python 中用于处理上下文管理器的语法结构。它的一般形式如下：

with 上下文管理器表达式 as 变量:
    # 执行语句块

在这个语法结构中，上下文管理器表达式通常是一个对象，它实现了__enter__()和__exit__()方法。当with语句执行时，它会调用上下文管理器对象的__enter__()方法来获取资源，并将返回的值赋给变量。然后，在执行完语句块后，无论是正常结束还是发生异常，都会调用上下文管理器对象的__exit__()方法来进行资源的释放或清理工作。

下面是一个简单的示例，演示了如何使用上下文管理器和with语句来处理文件的读写：

with open('example.txt', 'r') as file:
    data = file.read()
    # 对文件进行操作，比如打印内容或进行其他处理

# 在离开`with`语句块后，文件会被自动关闭

在这个示例中，open('example.txt', 'r')返回的文件对象是一个上下文管理器。它会在进入with语句块之前调用__enter__()方法来打开文件，并在退出with语句块时调用__exit__()方法来关闭文件。

通过使用上下文管理器和with语句，我们可以确保文件在使用完毕后会被正确关闭，即使在处理过程中发生了异常。这样可以有效地避免资源泄漏和错误处理代码的冗余。

除了使用open()返回的文件对象之外，还可以使用contextlib模块提供的辅助函数contextmanager来定义自己的上下文管理器。这样可以在自己的代码中实现资源管理的逻辑，并与with语句一起使用。

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在 Python 中，可以使用 try-except 语句来捕获和处理异常。try块中的代码用于尝试执行可能引发异常的操作，而except块中的代码用于处理捕获到的异常。下面是一个简单的示例：

try:
    # 可能引发异常的代码
    # ...
except ExceptionType1:
    # 处理异常类型1的代码
    # ...
except ExceptionType2:
    # 处理异常类型2的代码
    # ...
else:
    # 如果没有异常发生时要执行的代码
    # ...
finally:
    # 不论是否发生异常，都会执行的清理代码
    # ...

在except块中，可以根据需要捕获特定类型的异常。如果发生了与ExceptionType1匹配的异常，将会执行相应的代码块。你可以根据需要添加多个except块，以处理不同类型的异常。

else块是可选的，用于指定在try块中的代码没有引发异常时要执行的代码。

finally块也是可选的，用于指定无论是否发生异常，都要执行的清理代码。通常在这里释放资源或进行一些必要的清理操作。

下面是一个具体的示例，演示了如何捕获异常并处理：

try:
    # 尝试执行可能引发异常的操作
    result = 10 / 0  # 这里会引发 ZeroDivisionError 异常
except ZeroDivisionError:
    # 处理 ZeroDivisionError 异常的代码
    print("除以零错误发生了！")
else:
    # 如果没有异常发生时要执行的代码
    print("没有发生异常。")
finally:
    # 不论是否发生异常，都会执行的清理代码
    print("执行清理操作。")

在上面的示例中，由于除法操作试图将一个数除以零，会引发ZeroDivisionError异常。except ZeroDivisionError块捕获到该异常，并打印相应的错误信息。然后，finally块中的清理代码总是被执行。

请注意，如果在try块中引发了未被捕获的异常（即没有匹配的except块），则该异常将向上层调用栈传播，直到被捕获或导致程序终止。因此，捕获异常的方式取决于你的需求，你可以选择在当前位置处理异常，或者将异常传播给上层调用栈进行处理。

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五、调试技巧

在 Python 中，异常调试是一种非常重要的技巧，可以帮助我们定位和解决代码中的错误。以下是一些常用的 Python 异常调试技巧：

1. 异常捕获：使用 try-except 语句捕获异常，并在 except 块中处理异常。这样可以防止程序因异常而中断，并提供更友好的错误信息。

try:
    # 可能引发异常的代码块
except ExceptionType as e:
    # 处理异常的代码块
    print("发生异常:", str(e))

2. 异常打印：在except块中，使用 print 语句或 logging 模块将异常信息打印出来，以便查看异常的类型和详细信息。

import logging

try:
    # 可能引发异常的代码块
except ExceptionType as e:
    # 打印异常信息
    print("发生异常:", str(e))
    # 或者使用logging模块
    logging.exception("发生异常")

3. 异常链追踪：有时候，异常可能是由于其他异常引发的。可以使用raise语句将当前异常和原始异常链接起来，以便追踪异常链的源头。

try:
    # 可能引发异常的代码块
except ExceptionType as e:
    # 抛出当前异常，并链接原始异常
    raise Exception("新异常") from e

4. 异常调试器：Python 提供了一些强大的调试工具，如pdb和ipdb，可以在代码中设置断点，以交互式方式逐步调试异常发生的位置。

import pdb

try:
    # 可能引发异常的代码块
except ExceptionType as e:
    # 进入调试模式
    pdb.set_trace()

5. 异常日志记录：使用logging模块记录异常日志，将异常信息写入日志文件，以便后续分析和排查问题。

import logging

try:
    # 可能引发异常的代码块
except ExceptionType as e:
    # 记录异常日志
    logging.exception("发生异常")

6. 异常信息回溯：有时候，异常发生的位置可能不在当前代码中，而是在调用栈的其他位置。可以使用traceback模块获取完整的异常回溯信息。

import traceback

try:
    # 可能引发异常的代码块
except ExceptionType as e:
    # 打印完整的异常回溯信息
    traceback.print_exc()

这些技巧可以帮助你更好地调试和处理 Python 代码中的异常情况，定位问题并解决错误。