【C++】C++异常

1. C语言传统处理错误的方式

C语言传统的错误处理机制有两个：

1. 终止程序，比如assert。

   缺陷：用户难以接收。如发生内存错误，除0错误时就会终止程序。

2. 返回错误码

   缺陷：需要程序员自己去查找对应的错误。如系统的很多库的接口函数都是通过把错误码放到errno中，表示错误

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

2. C++异常的概念

异常是一种处理错误的方式，当一个函数发现自己无法处理的错误时就可以抛出异常，让函数的直接或间接的调用者处理这个错误。

• 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。
• 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，可以有多个catch进行捕获。
• 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。

如果有一个块抛出一个异常，捕获异常的方法会使用 try 和 catch 关键字。try 块中放置可能抛出异常的代码，try 块中的代码被称为保护代码。使用try/catch语句的语法如下所示：

try
{
    //保护的标识代码
}
catch(ExceptionName e1)
{
    //catch块
}
catch(ExceptionName e2)
{
    //catch块
}
catch(ExceptionName eN)
{
    //catch块
}

3. 异常的使用

3.1 异常的抛出和捕获

异常的抛出和匹配原则

• 异常是通过抛出对象引发的，该对象的类型决定了应该激活哪个catch的处理代码
• 被选中的处理代码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
• 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）
• 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
• 在实际抛出和捕获异常的原则有个例外，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

• 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，则调用到catch的地方进行处理
• 没有匹配到catch则退出当前函数栈，继续再上层调用函数的栈中进行查找匹配catch
• 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
• 找到匹配的catch子句并处理之后，会继续沿着catch子句后面继续执行

double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
		throw "Division by zero condition!";
	else
		return ((double)a / (double)b);
}
void Func()
{
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Division(len, time) << endl;
}
void Test1()
{
	try 
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (...) 
	{
		cout << "unkown exception" << endl;
	}
}

3.2 异常的重新抛出

有可能单个的catch不能完全处理一个异常，在进行一些校正处理以后，希望再交给更外层的调用链函数来处理，catch则可以通过重新抛出将异常传递给更上层的函数进行处理。

我们看下面一段代码：

double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
		throw "Division by zero condition!";
	else
		return ((double)a / (double)b);
}
void Func()
{
	// 这里可以看到如果发生除0错误抛出异常，另外下面的array没有得到释放。
  // 所以这里需要捕获所有类型的异常，然后先将array释放，然后再将捕获的异常重新抛出，交给外面处理
	int* arr = new int[10];
	try
	{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "delete []" << arr << endl;
		delete[] arr;
		throw;
	}
	//...
	cout << "delete []" << arr << endl;
	delete[] arr;
}
void Test2()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "unkown exception" << endl;
	}
}

3.3 异常安全

C++的异常还存在一些安全问题

• 构造函数完成对象的构造和初始化，最好不要在构造函数中抛出异常，否则可能导致对象构造或者初始化不完全
• 析构函数主要完成资源的清理操作，最好不要在析构函数中抛出异常，否则可能会导致资源泄漏（内存泄漏或者句柄未关闭等）。
• C++中异常经常会导致资源泄漏的问题，比如在new和delete中抛出了异常，导致内存泄 漏，在lock和unlock之间抛出了异常导致死锁，C++经常使用RAII来解决以上问题

3.4 异常规范

由于不规范使用异常会带来许多非常严重的后果，所以 C++98 引入了异常规范，异常规范中建议程序员对每个函数进行异常接口说明，其目的是让函数使用者知道该函数可能抛出的异常有哪些，如下：

1. 在函数后面接throw(类型)列出这个函数可能抛掷的所有异常类型
2. 函数的后面接throw()，表示函数不抛异常
3. 若无异常接口声明，则此函数可以抛掷任何类型的异常

//这里表示func可以抛出A，B，C，D四种类型的异常
void func() throw(A,B,C,D);
//这里表示这个函数只会抛出bad_alloc一种异常
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();

但是由于 C++98 函数异常接口只是建议性做法，而不是语法硬性要求的，同时还由于写出一个函数可能抛出的所有异常比较麻烦，所以 C++98 的异常规范在实际开发中几乎没有人遵守，形同虚设；

为了让人们能够对函数进行异常接口说明，C++11 对异常接口说明进行了简化：

• 在函数后面加上关键字noexcept表示该函数不会抛出任何异常
• 函数后面不加关键字则表示可能抛出任意类型的异常

// C++11 中新增的 noexcept，表示不会抛异常
thread() noexcept;
thread(thread&& x) noexcept;

并且 C++11 还对使用 noexcept 修饰的函数进行了检查，如果该函数被 noexcept 修饰，但是可能会抛出异常，则编译器会报一个警告,但并不影响程序的正确性：

int at(vector<int>& v, size_t pos) noexcept
{
	if (pos >= v.size())
		throw out_of_range("数组越界");
	else
		return v[pos];
}

void Test1()
{
	vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
	try {
		at(v, 5);
	}
	catch (out_of_range& errmsg)
	{
		cout << errmsg.what() << endl;
	}
	catch (...) {
		cout << "未知异常" << endl;
	}
}

4. C++标准库的异常体系

C++提供了一系列标准的异常，定义在exception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:

其中比较常见的错误有：bad_alloc：new空间失败时抛出此异常；runtime_error：运行时错误，比如除0错误等；out_of_range数组越界错误。

C++标准库的异常体系的使用：

void Test2()
{
	vector<int> v(10);
	try {
		v.reserve(100000000);
		v.at(20) = 5;
	}
	catch (exception& errmsg)
	{
		cout << errmsg.what() << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "unknow Exception" << endl;
	}
}

虽然我们可以直接使用 C++ 标准提供的这些异常，也可以去继承 exception 类来实现自己的异常类，但在实际开发中很多企业都会自己定义一套单独的异常继承体系，因为C++标准库设计的不够好用。再加上我们平时自己写代码基本不会使用异常，所以对于 C++ 标准异常我们作为了解内容即可。

5. 自定义的异常体系

实际上，很多公司都会对自己定义的异常体系进行规范化管理，因为如果在一个项目中，大家随意的抛出异常，那么最外层的调用者就没法玩了，所以在实际中都会定义一套继承的规范体系：定义一个最基础的基类，所有人抛出的异常对象都是继承与该异常类的派生类对象，所以异常语法可以用基类捕获抛出的派生类对象，所以最外成值需要捕获基类就行了。

下面我们看一下服务器开发中通常使用的异常继承体系

class Exception//这里定义了一个异常的基类，后面对于不同类型的异常，将进行不同的继承
{
public:
    Exception(const string& errmsg, int id)
        :_errmsg(errmsg)
        ,_id(id)
    {}
    virtual string what() const//这里的what使用virtual修饰，以达到多态使用，返回不同的错误信息
    {
        return _errmsg;
    }
protected:
    string _errmsg;
    int _id;
};
class SqlException : public Exception//sql类型的异常
{
public:
    SqlException(const string& errmsg, int id, const string& sql)
        :Exception(errmsg, id)
        , _sql(sql)
    {}
    virtual string what() const//对虚函数进行重写，实现多态
    {
        //修改异常信息并返回
        string str = "SqlException:";
        str += _errmsg;
        str += "->";
        str += _sql;
        return str;
    }
private:
    const string _sql;//保存出现错误的sql语句
};
class CacheException : public Exception//Cache类型异常
{
public:
    CacheException(const string& errmsg, int id)
        :Exception(errmsg, id)
    {}
    virtual string what() const//虚函数重写
    {
        string str = "CacheException:";
        str += _errmsg;
        return str;
    }
};
class HttpServerException : public Exception//网络类型异常
{
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(nullptr));
    if (rand() % 4 == 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();//如果没有抛出异常就调用SQL层操作
}
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();//如果网络服务没有问题，在这里调用内存操作
}
void Test3()
{
    while(1)
    {
        this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
        try{
            HttpServer();//这里调用网络服务
        }
        catch (const Exception& e) // 这里捕获父类对象就可以
        {
            // 多态
            cout << e.what() << endl;
        }
        catch (...)
        {
            cout << "Unkown Exception" << endl;
        }
    }
}

6. 异常的优缺点

C++异常的优点

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；
3. 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；
4. 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；

C++异常的缺点

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，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:
   1. 抛出异常类型都继承自一个基类;
   2. 函数是否抛异常、抛什么异常，都使用 func() throw();的方式(或者C++11的noexcept)规范化。

总结：异常总体而言，利大于弊，所以工程中我们还是鼓励使用异常的。另外OO的语言基本都是用异常处理错误，这也可以看出这是大势所趋

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本节完…