【C++】C++异常机制

C++异常

C语言传统的错误处理方式

• 终止程序，如assert直接断言报错，缺陷：非常麻烦，如果发生内存错误，除零错误会立即终止程序

• 返回错误码。缺陷：需要程序员自己去查渣哦对应的错误，如系统库的接口函数都是通过错误码放到errno中，需要程序员自己去读区错误码进行错误处理

• C标准库中的setjmp和longjmp组合（不常用）

实际上C语言基本都是使用返回错误码来处理错误，部分情况下使用终止程序处理非常严重的错误

C++错误处理方式

C++可以使用异常来对错误进行处理，异常是面向对象语言常用的错误处理方式，当一个函数发现自己出现无法处理的错误的时候就可以抛出异常，让该函数的直接或间接调用者处理这个错误

• throw ： 当程序出现错误，可以通过throw关键字抛出一个异常
• try ： try块中防治当是可能抛出异常的代码，该代码块在执行时会进行异常错误检测，try块后面通常会多跟一个catch块
• catch ： 如果try中发生错误，那么就会跳到对应的catch块执行对应的代码

try {
				// 可能出错的代码
}
catch (ExceptionName e1) {
				// catch 块1
}
catch (ExceptionName e2) {
        // catch 块2
}
// 每一个catch块对应一种错误

不同的catch块对应一种不同的错误

异常的使用方法

异常抛出和捕获的匹配原则

1、异常是通过抛出对象引发的，该对象类型决定应该被哪一个catch模块捕获（有点像函数重载️），如果抛出的异常对象没有被捕获，或是没有匹配类型的捕获，那么这个程序会终止报错

2、被选中的处理代码（catch块）时调用链中与该对象类型匹配且距离抛出异常位置最近的那个

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，这个拷贝对象的临时对象会在catch后被销毁（类似函数的传值返回）

4、catch（…）可以捕获任意类型的异常，但是捕获后无法知道异常错误是什么

5、实际上异常的抛出和捕获的匹配原则有一个例外，捕获和抛出的异常类型并不一定要完全匹配，可以抛出派生类对象，使用基类对象进行捕获，这个在实际生产中使用的很多

函数调用链中异常展开的匹配规则

1、当异常被抛出后，首先会检查throw是否在try块内部，如果在则查找匹配的catch语句，如果有匹配的，就跳到catch地方进行处理

2、如果当前函数栈没有匹配的catch则会退出当前的函数栈，返回上一个函数调用栈进行匹配catch。找到匹配的字句进行处理后，会沿着catch字句后面继续执行，不会再回到原来抛出异常的地方

3、如果到达main函数的栈仍然没有找到匹配的catch，则会终止程序

void func3() {
    throw string("异常来了");
}
void func2() {
    try{
        func3();
    } catch (const string& s) {						// 捕获string类型的异常
        cout << "func2 catch :" << s << endl;
        throw int(1);
    }
}
void func1() { func2(); }

int main() {
    try{
        func1();
    } catch (const string& s) {   				// 用于捕获string类型的异常
        cout << "出错啦 : " << s << endl;
    } catch (...) {												// 用于捕获非string类型的异常
        cout << "出现未知错误" << endl;
    }
    cout << "main 函数结束了" << endl;
    return 0;
}

可以看到func1，func2，func3依次被调用，在func3中抛出了一个异常，但是func3中并没有try块，也没有捕获程序，就会退回上一个函数调用栈（func）中查找，可以看到func3（）是在try块中的，第一个步骤，检查throw是否在try内部成立，接下来查找匹配的throw字句

然后查看func2内部的catch块类型（因为其是最近的），发现类型是匹配的，就捕获了这个异常，然后又抛出了一个int类型的异常，最终在main函数处被捕获。被捕获后继续执行后续代码

这个沿用调用链查找匹配catch字句的过程称为栈展开，实际过程中最后都要加上一个catch（…）捕获任意类型的异常，否则异常没有被捕获，程序就会被终止

异常的使用规范

有时候单个catch不能完全处理一个异常，在进行一些矫正处理后，希望将异常再交给更外层的调用链函数进行处理，比如最外层可能需要拿到异常进行日志信息的记录，这就要重新抛出异常递交给更上层的函数处理

void func2() {
    throw string("这是个异常");
}

void func1() {
    int* arr = new int[10];
    func2();
    delete[] arr;
}

int main() {
    try {
       func1();
    } catch(const string& s) {
        cout << "捕获字符串异常：" << s << endl;
    } catch(...) {
        cout << "捕获未知异常" << endl;
    }
  return 0；
}

可以看到这段代码有一点小问题，在函数func1中，使用new在堆上开辟了一块四十字节的空间，之后调用func2函数，func2函数抛出异常被main函数的catch块捕获，然后执行后续代码，main函数结束

可以看到，从始至终，我们在堆上开辟的arr空间并没有被delete，造成了内存泄漏

void func1() {
    int* arr = new int[10];
    try{
        func2();
    } catch (const string& s) {
        delete[] arr;
        cout << "func 2 get a 异常" << endl;
        string func2_exception = "func2" + s;
        throw string(func2_exception);
    }
}

对代码进行简单修改，可以看到我们将delete[] arr的操作放在了func1函数的catch块中，成功对func1函数遗留下的问题进行处理，然后将异常再次抛出

如果这个异常需要加入这个函数的信息，我们可以重新构建异常信息，如果不需要我们可以直接一下结构进行抛出

try {
		func2();
} catch (...) {   // 捕获任意类型异常  
		delete[] arr;
		throw;				// 直接抛出让外层处理
}

异常安全问题

由抛异常导致的安全问题叫做异常安全问题，对于异常安全问题下面有几点建议

1、构造函数完成对象构造和初始化，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，没有完整出实话，析构函数同理

2、C++中异常经常会出现资源泄漏的问题，如在new和delete之间的代码抛出异常，导致内存泄漏，在lock和unlock之间抛出异常会导致死锁，C++中使用RALL的方式来解决该问题

异常规范

为了能让函数使用者知道某个函数会抛出哪一些异常，C++标准规定：

1、在函数后面接throw(type1, type2, …) 列出这个函数可能抛出的所有异常类型，便于检查理解

2、在函数后面接throw() 或 noexcept(C++11),标识该函数不会抛出异常

3、异常接口声明不是强制的

void func()1 throw(A, B, C, D);			// 可能抛出A，B，C，D类型的异常
void func()2 throw(std::bad_alloc); //只会抛出bad_alloc类型的异常
void func()3 throw();								// 不会抛出异常

自定义异常体系

实际上很多公司都会自定义自己的异常体系进行规范异常处理

• 公司的项目一般会进行模块划分，不同程序猿小组完成不同模块，如果不对异常进行规范，那么负责外层捕获异常的程序猿就很难受了，内部函数抛出的异常类型千奇百怪，都要一一捕获。如果不进行统一很容易出现错误
• 实际开发场景中，都会定义一套集成的规范异常体系，先定义一个最基础的基异常类，所有人抛出的异常都必须是继承于该异常类的派生类，异常语法规定可以用基类捕获派生类对象，因此最外层只需要捕获基类就可以了

最基础的异常类至少包括错误编号和错误描述两个成员变量，甚至还可以包含当前函数栈帧的调用链等信息。该异常一般还会提供两个成员函数用于获取错误编号和错误描述

class MyException{
public:
    MyException(int _err_id, const string& _err_msg)
        : err_id(_err_id), err_msg(_err_msg)
        {}
        int GetErrid() const { return err_id; }
        virtual string what() const { return err_msg; }
private:
    int err_id;       // 错误编号
    string err_msg;   // 错误描述
};

​ 如果其他模块想要对异常类进行扩展，必须要继承这个基础的异常类，可以在派生类中按需添加成员变量，或者对继承的what函数进行重写，使其能告诉程序猿更多异常信息

class SqlException : public MyException {
public:
    SqlException(int _err_id, const char* _err_msg, const char* _err_sql)
        : MyException(_err_id, _err_msg)
        , err_sql(_err_sql) {}
    virtual string what(){
        string msg = "CacheException: ";
        msg += err_msg;
        msg += "sql 语句：";
        msg += err_sql;
        return msg;
    }
protected:
    std::string err_sql;
};

注意一下：继承体系中成员变量一般都不用私有，不然在子类中不可见。基类Exception中的what函数可以定义成虚函数，方便自类重写，赋予其更强大的效果

STL中的异常体系

C++标准库中的异常也是一个基础的异常体系，其中exception就是异常基类，我们可以在程序中使用这些标准异常

int main() {
    try {
        vector<int> v(10, 5);
        //  这里如果系统内存不够了就会抛异常
         v.reserve(100000000000000);
        // 这里越界也会抛异常
        v.at(10) = 100;
    } catch (const exception& e) {
        cout << e.what() << endl;    // std::bad_alloc
    } catch (...) {
        cout << "Unknow Exception" << endl;
    }
    return 0;
}

• exceptino类的what成员函数和西沟函数都定义成了虚函数，方便字类对其进行重写，从而达到多态的效果
• 日常开发我们也可以继承exception来实现我们自己的异常类，实际上公司都有自己的一套异常体系

异常的优缺点

C++异常的优点：

1、异常对象定义好了，相比于错误码的方式可以更加清晰准确的展示错误的各种信息，甚至可以包含堆栈调用信息，这样可以帮助更好的定位程序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，那么我们层层返回错误在最外层才可以拿到错误

3、很多第三方库也都包含异常，如boost、gtest、gmock等等常用的哭，那么我们使用它们也要用到异常

4、很多测试框架都使用异常，这样可以更好的使用单元测试等进行白盒测试

5、部分函数的使用异常更好处理，比如构造函数没有返回值，不方便使用错误码处理，比如T& operator这样的函数，如果pos越界了就只能使用异常或者终止程序，没有办法通过返回值表示错误

C++异常的缺点

1、异常会导致程序执行流乱跳，并且非常混乱，运行时出错抛异常就会乱跳。导致我们跟踪分析程序时会很困难

2、C++没有垃圾回收机制，资源需要自己管理，有了异常非常容易内存泄漏，出现死锁等异常安全问题

3、C++标准库的异常体系定义的不好，导致大家各自定义各自的异常体系，非常的混乱

4、异常尽量规范使用，否则后果不堪设想，随意抛异常，外层用户苦不堪言。所以异常规范有两点 一、抛出的异常都必须继承于一个基类 二、函数是否抛异常，抛什么异常需要使用throw(), noexcept的方式进行规范