十、异常、断言和日志

处理错误

如果Java程序运行期间出现了错误,并且由于出现错误导致某些操作没有完成,程序应该能够返回到一种安全状态,并能够让用户执行一些其他的命令;或者允许用户保存所有操作结果,并以妥善的方式终止程序。
其中错误的来源可能有以下几种:

  • 用户输入错误
    例如:程序定义输入为int,但是用户输入了String。
  • 设备错误
    例如:网络设备损坏。
  • 物理限制
    例如:存储空间占满。
  • 代码错误
    例如:程序方法返回了错误的结果。

异常

定义:Java代码在运行期间发生的问题就是异常。在Java程序设计语言中,Throwable类是所有错误和异常的超类,异常对象都是派生于Throwable类的一个实例。
Java异常层次的简化示意图:


Java中的异常层次结构.png

所有的异常都是由Throwable继承而来,在下一层分解为两个分支:Error和Exception。
Error类层次结构描述了Java运行时系统的内部错误和资源耗尽错误,应用程序不应该抛出这种类型的对象。
Exception层析结构又分为两个分支:

  • Runtime Exception:由程序错误导致的异常。
  • 其他异常:程序本身没有问题,但是由于像I/O错误(IOException)这类问题导致的异常。


Error这种内部错误,编译时不会出现,一旦出现错误,除了通告用户,并尽量使程序安全地终止制外,无法针对处理,只能修正代码,使得程序符合系统资源要求等。
Exception这种异常,可以针对抛出的具体异常进行针对性处理。一般编写程序时,重点关注异常。
异常的创建和抛出过程:

  • JVM创建异常对象。
  • 将异常对象抛出给方法的调用者,一旦异常被抛出了,后面的所有程序都不再执行。

Java语言规范将派生于Error或RuntimeException类的所有异常称为非受查异常,所有其他的异常称为受查异常。编译器将核查是否为所有的受查异常提供了异常处理器。

抛出异常throw

在编写程序时,必须考虑程序出现问题的情况。
例如:在定义方法时,方法需要接受参数。那么,当调用方法使用接收到的参数时,首先需要先对参数数据进行合法的判断,参数若不合法,就应该告诉调用者,传递合法的数据进来。这时需要使用抛出异常的方式来告诉调用者。
在java中,提供了一个throw关键字,它用来抛出一个指定的异常对象。
throw用在方法内,用来创建并抛出一个异常对象,将这个异常对象传递到调用者处,并结束当前方法的执行,格式如下:

throw new 异常类名(参数);

示例代码如下:

public static void main(String[] args) throws Exception {

    int[] arr = null;
    int i = getArray(arr);
    System.out.println(i);
}

public static int getArray(int[] arr) throws Exception {

    if(arr == null){
        throw new Exception("数组为null");
    }else if(arr.length == 0){
        throw new Exception("数组中无元素");
    }else {
        int i = arr[arr.length - 1];
        return i;
    }

}

在getArray方法中,当整型数组arr为null或为空时,使用throw关键字new一个异常对象。

throws子句

方法应该在其首部声明所有可能抛出的异常,如果方法内通过throw抛出了编译时的异常,而没有捕获并处理,那么必须通过throws关键字进行声明,让调用者去处理,声明格式武如下:

修饰符 返回值类型 方法名(参数) throws 异常类名1,异常类名2… {   }

throws用于方法进行异常类的声明上,若该方法可能有多种异常情况产生,那么在throws后面可以写多个异常类,用逗号隔开。
示例代码中getArray和main方法都在后面使用throws关键字,逐层往上抛给调用者去处理该异常。

public static void main(String[] args) throws Exception {
        ......
}


public static int getArray(int[] arr) throws Exception {
    ......
}

在编写方法时,不必将所有可能抛出的异常都进行声明,下面列举应该抛出异常的情况:

  • 调用一个抛出受查异常的方法。
  • 程序运行过程中发现错误,并且利用throw语句抛出一个受查异常。
  • 程序出现错误。
  • Java虚拟机和运行时库出现的内部错误。

捕获异常(try/catch)

当某个异常发生时,没有在任何位置进行捕获,程序就会终止执行,并在控制台上打印出异常信息,其中包括异常的类型和堆栈的内容。
要想捕获异常,必须设置try/catch语句块,格式如下:

try {
    //被检测的代码
        //可能产生异常的代码
}
catch(异常类 变量) {
    //异常的处理代码语句
}
  • try:该代码块中编写可能产生异常的代码。
  • catch:用来进行某种异常的捕获,编写异常处理代码,实现对捕获到的异常进行处理。

如果在try语句中的任何代码抛出了一个在catch子句中说明的异常类:

  1. 程序将跳过try语句块的其余代码。
  2. 程序将执行catch子句中的处理器代码。

捕获多个异常
在一个try语句块中可以捕获多个异常,并对不同类型的异常做出不同的处理。

try {
    //被检测的代码
        //可能产生异常的代码
}
catch(异常类1 变量) {
    //异常的处理代码语句
}
catch(异常类2 变量) {
    //异常的处理代码语句
}
......




\color{red}{彼此之间存在子类关系,多catch时有顺序影响,应该先catch子类异常,再逐级catch超类异常(原因在于多态)。}
try/catch示例代码如下:

public static void main(String[] args) {
    int[] arr = {1,2,3};
    try {
        int i = getArray(arr);
        System.out.println(i);
    }catch (NullPointerException ex){
        System.out.println(ex + " ,捕获到空指针异常");
    }catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex){
        System.out.println((ex + " ,捕获到数组越界异常");
    }
    System.out.println("程序继续执行!");
}

public static int getArray(int[] arr) {

    int x = 5;
    if (arr == null) {
        throw new NullPointerException("数组为null");
    } else if (arr.length < x) {
        throw new ArrayIndexOutOfBoundsException("数组越界");
    } else {
        return arr[5] + 1;
    }

}

finally代码块

当代码抛出一个异常时,就会终止方法中剩余代码处理,并退出这个方法的执行。如果方法获得了一些本地资源,并且只有该方法自己知道,当方法退出前这些资源必须被回收,就会产生资源回收问题。
解决方式有两种:

  • 一种是捕获并重新抛出所有的异常。
  • 另一种是使用finally子句。

finally
有一些特定的代码无论异常是否发生,都需要执行。另外,因为异常会引发程序跳转,导致有些语句执行不到。而finally就是解决这个问题的,在finally代码块中存放的代码都是一定会被执行的。
上文示例代码的一部分:

try {
    int i = getArray(arr);
    System.out.println(i);
} catch (NullPointerException ex) {
    System.out.println(ex + " ,捕获到空指针异常");
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {
    System.out.println(ex + " ,捕获到数组越界异常");
} finally {
    System.out.println("必须执行的代码,用以释放资源!");
}
......

运行时期异常

RuntimeException和他的所有子类异常,都属于运行时期异常。
运行时期异常的特点:

  • 方法中抛出运行时期异常,方法定义中无需throws声明,调用者也无需处理此异常。
  • 运行时期异常一旦发生,需要程序人员修改源代码。



继承关系抛出异常

超类的方法如果抛出异常,子类覆盖超类方法时:

  • 可以不抛出异常。
  • 也可以抛出超类相同的异常,或着超类异常的子类异常。
    超类的方法如果没有抛出异常,子类覆盖超类方法时:
  • 不能抛出异常。
  • 当子类方法调用了抛出异常的方法时,别无选择,只能try/catch。

自定义异常

通过阅读异常源代码:发现java中所有的异常类,都是继承Throwable,或者继承Throwable的子类。这样该异常才可以被throw抛出。
说明这个异常体系具备一个特有的特性:可抛性:即可以被throw关键字操作。
并且查阅异常子类源码,发现每个异常中都调用了超类的构造方法,把异常描述信息传递给了超类,让超类帮助进行异常信息的封装。
例如:NullPointerException异常类源代码:

public class ArrayIndexOutOfBoundsException extends IndexOutOfBoundsException {
    private static final long serialVersionUID = -5116101128118950844L;

    /**
     * Constructs an ArrayIndexOutOfBoundsException with no
     * detail message.
     */
    public ArrayIndexOutOfBoundsException() {
        super();
    }

    /**
     * Constructs a new ArrayIndexOutOfBoundsException
     * class with an argument indicating the illegal index.
     *
     * @param   index   the illegal index.
     */
    public ArrayIndexOutOfBoundsException(int index) {
        super("Array index out of range: " + index);
    }

    /**
     * Constructs an ArrayIndexOutOfBoundsException class
     * with the specified detail message.
     *
     * @param   s   the detail message.
     */
    public ArrayIndexOutOfBoundsException(String s) {
        super(s);
    }
}

通过查询JDK API 1.8可以看到继承关系如下:


异常类继承关系.png

由此可知,自定义异常类的格式如下:

Class 异常类名 extends RuntimeException{
    public 异常类名(){
    }
    public 异常类名(String s){ 
        super(s); 
    }
}

自定义异常类的超类通常是RuntimeException,也可以是Exception等。
定义Person类,如果年龄age小于0或者大于150岁,抛出AgeWrongException异常,示例代码如下:
Person类代码:

public class Person {
    private String name;
    private int age;

    public Person(String name, int age) throws AgeWrongException {

        int maxAge = 150;
        if (age < 0 || age > maxAge) {
            throw new AgeWrongException("Age信息错误!");
        } else {
            System.out.println("Age :" + age);
        }
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}

自定义异常AgeWrongException类代码:

public class AgeWrongException extends Exception{
    public AgeWrongException(){
        super();
    }

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

测试类代码:

public class AgeWrongExceptionTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Person person = new Person("Dcl_Snow", 300);
            System.out.println(person);
        } catch (AgeWrongException e) {
            System.out.println(e + "Age数值非法!");
        }
    }
}

如果自定义异常类继承的是RuntimeException,则throws子句和try/catch都可省略。

使用异常机制的技巧

  1. 异常处理不能代替简单的测试。
  2. 不要过分的细化异常。
  3. 利用异常的层次结构,不要只抛出RuntimeException异常,应该寻找更加适当的子类或自定义的异常类。
  4. 不要压制异常,不要强烈的倾向于关闭异常,如果认为异常非常重要,就应该进行处理。
  5. 在检查错误时,“苛刻”要比放任更好。
  6. 不要羞于传递异常,不要只倾向于捕获异常,有时候让高层次的方法通知用户发生了错误,或者放弃不成功的命令会更加适宜。

断言

断言机制允许再测试期间向代码中插入一些检查语句。当代码发布时,这些插入的检查语句将会被自动移走。Java语言的断言引入关键字assert,格式如下:

assert 条件;
assert 条件 : 表达式;

两种方式都会对条件进行检测,如果结果为false,则抛出一个AssertionError异常。在第二种形式中,表达式会被传入AssertionError的构造器中,并转换成一个消息字符串。

“表达式”部分唯一的目的就是产生一个消息字符串。AssertionError对象并不存储表达式的值,因此并不能在以后得到它。
例如:要想断言x时一个非负数值:

assert x >= 0;

或者将x的实际值传递给AssertionError对象,从而可以在后面显示出来:

assert x >= 0 : x;

启用和禁用断言

默认情况下,断言被禁用,可以在运行程序时用-enableassertions或-ea选项启动:

java -enableassertions MyApp

也可以在某个类或整个包中使用断言:

java -ea:MyClass -ea:com.xxx.yyy...

这条命令开启MyClass类和com.xxx.yyy包及其子包中所有的类的断言。
禁用断言,使用-disableassertions和-da选项。
-ea和-da选项不能应用于那些没有类加载器的“系统类”,对于系统类来说,使用-enablesystemassertions或-esa选项启用断言。
使用断言的时机:

  • 断言失败时致命的、不可恢复的错误。
  • 断言检查只用于开发和测试阶段。

因此不应该使用断言向程序的其他部分通告发生了可恢复性的错误,或者不应该作为程序向用户通告问题的手段。断言只应该用于在测试阶段确定程序内部的错误位置。

IntelliJ IDEA设置启用断言

打开IntelliJ IDEA,创建一个断言测试类:

public class AssertTest {
    public static void main(String[] args) {
        int x = 1;
        int y = 2;
        assert x > y;
        System.out.println(x + y);
    }
}

此时执行程序,打印输出结果3,不会报任何异常。
然后点击IntelliJ IDEA主界面右上角的下拉箭头,选择“Edit Configurations...”:


IntelliJ IDEA设置启用断言-1.png

打开配置界面:


IntelliJ IDEA设置启用断言-2.png

此时左侧时选择需要启用断言的类,默认是刚刚创建的AssertTest类在选项“VM oprions:”中填写“-ea”:
IntelliJ IDEA设置启用断言-3.png

启用断言即完成,此时执行程序报出断言异常。

日志

为了能够方便的查找代码运行中的一些问题,于是记录程序运行的操作过程,产生了记录日志API。
记录日志API的优点:

  • 可以很容易的取消全部日志记录,或者仅仅取消某个级别的日志,而且打开和关闭这个操作也很容易。
  • 可以很简单的禁止日志记录的输出,因此这些日志代码留在程序中的开销很小。
  • 日志记录可以被定向到不同的处理器,用于在控制台中显示,用于存储在文件中等。
  • 日志记录器和处理器都可以对记录进行过滤。过滤器可以根据过滤实现器制定的标准丢弃那些无用的记录项。
  • 日志记录可以采用不同的方式格式化,例如:纯文本或XML。
  • 应用程序可以使用多个日志记录器,它们使用类似包名的这种具有层次结构的名字。
  • 在默认情况下,日志系统的配置由配置文件控制。如果需要的话,应用程序可以替换这个配置。

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