c++异常

发布时间:2024年01月11日


前言


一、c++异常处理机制

1、C语言传统的处理错误的方式

传统的错误处理机制:

  1. 终止程序,如assert,缺陷:用户难以接受。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:

  1. 异常是通过抛出对象而引发的,该对象的类型决定了应该激活哪个catch的处理代码。
  2. 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。
  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)
  4. catch(…)可以捕获任意类型的异常,但是不知道异常具体的错误是什么。
  5. 实际中抛出和捕获的匹配原则有个例外,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:

  1. 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,则调到catch的地方进行处理。
  2. 没有匹配的catch则退出当前函数栈,继续在调用函数的栈中进行查找匹配的catch。
  3. 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。
  4. 找到匹配的catch子句并处理以后,会继续沿着catch子句后面继续执行。

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下面的代码中在Devision函数中,当出现b==0时,Division函数会抛出一个异常,然后程序会直接跳到main函数的catch中执行。当执行完匹配的catch中的代码后,就会继续向下执行try catch后面的代码了。
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当Func和main函数中都捕获异常。并且catch捕获的类型都匹配,那么当Devision函数中抛出异常后,会跳到Func函数的catch中。如果类型不匹配,那么就会跳到最近的类型匹配的catch中。而如果没有类型匹配的catch捕获异常时,那么就会执行catch(…)里面的代码。
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通常抛异常都不会像上面那样直接抛出一个字符串那么简单,而是会像抛出一个异常对象,这个对象中记录了关于这个异常的一些信息。以便于捕获异常后对这个异常进行分析和处理。
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上面的使用catch(…)捕获所有异常的方式虽然可以防止程序终止,但是并不能解决产生异常的根本原因,因为catch(…)捕获到的异常并不知道为什么异常,所以也无法分析出导致异常出现的原因。这时可以通过抛出派生类异常对象,使用基类捕获,这个在实际中非常实用。
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#include<Windows.h>

class Exception
{
public:
	Exception(int errid, const string& msg)
		:_errid(errid), _errmsg(msg)
	{

	}
	virtual string what() const
	{
		return _errmsg;
	}
	int GetErrid() const
	{
		return _errid;
	}
protected:
	int _errid;    //错误码
	string _errmsg;    //错误描述
};

class SqlException : public Exception
{
public:
	SqlException(const string& errmsg, int id, const string& sql)
		:Exception(id,errmsg),_sql(sql)
	{}
	virtual string what() const
	{
		string msg = "SqlException: ";
		msg += _errmsg;
		msg += "->";
		msg += _sql;

		return msg;
	}
private:
	string _sql;
};

class CacheException :public Exception
{
public:
	CacheException(const string& errmsg,int id)
		:Exception(id,errmsg)
	{}
	virtual string what() const
	{
		string msg = "CacheException: ";
		msg += _errmsg;

		return msg;
	}
};

class HttpServerException :public Exception
{
public:
	HttpServerException(const string& errmsg,int id,const string& type)
		:Exception(id,errmsg), _type(type)
	{}
	virtual string what() const
	{
		string msg = "HttpServerException: ";
		msg += _errmsg;
		msg += "->";
		msg += _type;

		return msg;
	}
private:
	const string _type;
};

void SQLMgr()
{
	srand(time(0));
	if (rand() % 7 == 0)
	{
		throw SqlException("权限不足", 100, "select * from name = '张三'");
	}

}

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();
}

void HttpServer()
{
	//模拟服务出错
	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();
}

int main()
{
	while (1)
	{
		Sleep(1000);
		try {
			HttpServer();
		}
		catch (const Exception& e)  //捕获基类对象即可
		{
			//多态
			cout << e.what() << endl;
		}
		catch (...)
		{
			cout << "Unkown Exception" << endl;
		}
	}
	return 0;
}

我们看到可以在抛异常时抛派生类异常对象,然后捕获异常时捕获基类异常对象,然后执行基类对象的what函数时,会根据这个对象是什么对象来调用这个对象的虚函数what。这里构成了多态。
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当catch同时捕获派生类和基类对象时,会匹配最近的。不存在谁更匹配的问题,而是谁近就匹配谁。
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3.2 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。
像下面的代码中,如果Division中抛出了异常,那么程序会直接跳转到main函数中的catch中执行,那么Func函数中的delete[] 就不会执行了,这样就造成了内存泄漏问题。
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此时我们可以在Func中捕获异常,然后如果我们想在main函数中统一处理异常的话,那么此时我们可以将Func函数中申请的内存进行释放,然后重新抛出异常,这样异常就会在main函数中统一处理了。
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但是下面的情况中,当Devision函数没有抛异常,而HttpServer抛出异常后,因为没有对应的catch来捕获HttpServer函数抛出的异常,所以还是会直接跳到main函数中处理异常,而没有释放Func函数中申请的内存。

class Exception
{
public:
	Exception(int errid, const string& msg)
		:_errid(errid),_errmsg(msg)
	{

	}
	const string& GetMsg() const
	{
		return _errmsg;
	}
	int GetErrid() const
	{
		return _errid;
	}
private:
	int _errid;    //错误码
	string _errmsg;    //错误描述
};

void HttpServer()
{
	throw Exception(1, "HttpServer错误");
}

double Division(int a, int b)
{
	if (b == 0)
	{
		throw "Division by zero condition!";
	}
	else
	{
		return ((double)a / (double)b);
	}
}

void Func()
{
	int* array = new int[10];

	int len, time;
	cin >> len >> time;
	try {
		cout << Division(len, time) << endl;
		HttpServer();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << "delete[]" << array << endl;
		delete[] array;
		throw errmsg;
	}

	cout << "delete[]" << array << endl;
	delete[] array;
}

int main()
{
	try {
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)  //这个捕获的e为err对象的拷贝版本。
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (...)  //捕获任意类型的异常,防止有一些异常没有被捕获,导致程序终止
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}

	return 0;
}

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此时可以像下面这样捕获全部异常,然后处理完释放内存等操作后再重新抛出全部异常。放到外面统一处理异常。
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3.3 异常安全

  • 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,否则可能导致对象不完整或没有完全初始化。例如要实例化5个对象,但是实例化第3个对象时抛出了异常,那么后面两个对象就没有实例化成功了。
  • 析构函数主要完成资源的清理,最好不要在析构函数内抛出异常,否则可能导致资源泄漏。(内存泄漏、句柄未关闭等)。例如要析构5个对象,在析构第3个对象时抛出异常,那么就会导致后面两个对象没有调用析构函数回收资源。
  • 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

在c++98中

  1. 异常规格说明的目的是为了让函数使用者知道该函数可能抛出的异常有哪些。 可以在函数的后面接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,则此函数可以抛任何类型的异常。
// 这里表示这个函数会抛出A/B/C/D中的某种类型的异常
void fun() throw(A,B,C,D);
// 这里表示这个函数只会抛出bad_alloc的异常
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();

在c++11中

  1. c++11中也可以使用c++98的语法,但是c++11中简化了异常声明的规则。
  2. 一个函数明确不抛异常的话,加noexcept。
  3. 一个函数可能会抛异常,那么就什么都不加。
// C++11 中新增的noexcept,表示不会抛异常
thread() noexcept;
thread (thread&& x) noexcept;

如果标记一个函数不抛异常,但是这个函数实际抛了异常,那么会出现警告。如果标记一个中间函数不抛异常,但是这个中间函数内调用了抛异常的函数,那么不会出现警告,所以noexcept不是值得信任的。

下面的这些资源如果使用或打开了不关闭的话,那么就会出现问题。所以下面这些资源使用时要小心异常引发资源未释放。
new/mallc/fopen/lock
delete/free/fclose/unlock

4、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。
    1. 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,具体看下面的详细解释。
// 1.下面这段伪代码我们可以看到ConnnectSql中出错了,先返回给ServerStart,
//ServerStart再返回给main函数,main函数再针对问题处理具体的错误。
  // 2.如果是异常体系,不管是ConnnectSql还是ServerStart及调用函数出错,都不用检查,因为抛出的异常异常会直接跳到main函数中catch捕获的地方,main函数直接处理错误。
  int ConnnectSql()
 {
 // 用户名密码错误
 if (...)
 return 1;
  
      // 权限不足
 if (...)
 return 2;
 }
  
  int ServerStart() {
 if (int ret = ConnnectSql() < 0)
 return ret;
      int fd = socket() 
      if(fd < 0return errno;
 }
  
  int main()
 {
 if(ServerStart()<0)
 ...
  
 return 0;
 }

  1. 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。
  2. 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:一、抛出异常类型都继承自一个基类。二、函数是否抛异常、抛什么异常,都使用 func() throw();的方式规范化。

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。

文章来源:https://blog.csdn.net/dong132697/article/details/135431364
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