C++：异常

在学习异常之前，来简单总结一下传统的处理错误的方式：

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。

传统的处理方法在面对很多情况都很难判断错误的出处！因此C++11引入的抛异常！

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: 通过throw来抛异常。

catch: 通过catch捕获异常。捕获异常的类型和抛出异常的类型需要一致。

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。

使用的语法语句如下：

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

抛异常的使用

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。即异常被抛出后，会去寻找与它类型相同的catch块。

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。具体点就是会先从抛异常的那个函数中找有没有捕获异常的catch，类型有没有对应，如果没有就往前找。此时会发生栈展开，下文有具体流程。

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。这个就跟函数返回值返回一样。

④catch(...)可以捕获任意类型的异常，问题是不知道异常错误是什么。

⑤因为在现实中很难做到类型一一匹配，因此实际上可以抛出的派生类对象，使用基类捕获。

回看到第三点，关于在函数调用链中异常栈展开匹配原则

原则的流程是这样的：

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。

实例代码

代码例子:

double Division(int a, int b)
{// 当b == 0时抛出异常if (b == 0)throw "Division by zero condition!";elsereturn ((double)a / (double)b);
}void Func1()
{try{int len, time;cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl;}catch (int errid)//类型为int{cout << errid << endl;}
}void Func2()
{int len, time;cin >> len >> time;if (time != 0){throw 1; //抛异常，抛出的类型为int}else{cout << len << " " << time << endl;}
}int main()
{try {Func1();Func2();}catch (const char* errmsg) //类型为const char*{cout << errmsg << endl;}catch (int errid)  //类型为int{cout << errid << endl;}catch (...)  //捕获任何类型{cout << "unkown exception" << endl;}return 0;
}

代码分析： 

一开始在main函数中调用Func1。进入Func1函数后输入len和time，将len和time做参数传入Division函数，进入Division函数。判断b的值。当b的值非零，那就return一个结果，回到Func1中打印。

 当b的值为0，通过throw抛异常，抛出的是"Division by zero condition!"。此时异常抛出后，就会在当前的Division函数中，即抛异常的后续代码中，查找有没有try/catch，没有的话，就返回到Fcun1函数，Division函数栈帧销毁。

返回到Func1函数，找到有一个try/catch，但是类型为int，不符合。继续找，返回到main函数，Func1函数栈帧销毁。

返回到main函数后，找到了可以匹配的类型const char*，最后打印输出，说明异常。

 同理，在处理完Func1函数后，往下处理Func2函数。

异常的重新抛出

抛出异常后，如果没有匹配到catch，那么就会直接到下一个函数中去找，也就是跳转去找，并且没有匹配到的那个函数会销毁。那么问题就出现了，如果没有成功跟异常匹配到的那个函数，后续还有代码需要去处理，比如释放从堆上开辟空间的变量的空间。

因此我们可以设置让异常重新抛出，以便往下执行代码。

//异常的重新抛出
double Division(int a, int b)
{// 当b == 0时抛出异常if (b == 0){throw "Division by zero condition!";}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。// 所以这里捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外面处理，这里捕获了再// 重新抛出去。int* array = new int[10];int len, time;cin >> len >> time;try{cout << Division(len, time) << endl;}catch (...)  // 拦截异常，不是要处理异常，而是要正常释放资源{cout << "delete []" << array << endl;delete[] array;throw;  // 捕获到什么对象就重新抛出什么对象}cout << "delete []" << array << endl;delete[] array;
}int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;// 记录日志}return 0;
}

代码分析：

当输入的b的值为0，那么就会抛出异常"Division by zero condition!"，回到Func函数中找。假设现在没有使用catch(...)进行捕获，那么就会返回到main函数中，最后被捕获。但是会引发内存泄漏，因为在Func中的array没有被释放！

因此，代码中通过catch(...)进行异常的捕获，这次的捕获，不是为了处理异常，而是为了让其它的代码正常被处理，代码被处理后，再重新将被捕获的这个异常抛出去！

异常的安全

在使用抛异常的时候，要注意以下几点：

1.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。

2.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)。

3.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。因此需要用到RAII来解决。

异常的规范

为了让代码更具有阅读性，写代码的时候遵循一些规范才能做到你好我好大家好。

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。C++11新增了noexcept关键字，也表示不抛异常。
3. 若无异常接口声明，则此函数可以抛掷任何类型的异常。

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

自定义异常体系

在实际中，一个部门中有许多人一起写一个项目，每一个人负责一个小项目，此时就会有各种各样的自定义类型，在抛异常的时候，匹配的类型也会出现百花齐放的现象！为了能够更好的管理这些，就会都会定义一套继承的规范体系。这样大家抛出的都是继承的派生类对象，捕获一个基类就可以了。

这就是在上文中，异常的抛出和捕获匹配原则的第五点提出的原则。可以抛出的派生类对象，使用基类通过切片来捕获。

 实例代码：通过基类捕获派生类对象，然后使用多态来显示异常出处

// 服务器开发中通常使用的异常继承体系
//先写一个基类
class Exception
{
public:Exception(const string& errmsg, int id):_errmsg(errmsg), _id(id){}virtual string what() const  //通过多态，来提示异常的出处{return _errmsg;}
protected:string _errmsg;int _id;
};class SqlException : public Exception
{
public:SqlException(const string& errmsg, int id, const string& sql):Exception(errmsg, id), _sql(sql){}virtual string what() const  //通过多态，来提示异常的出处{string str = "SqlException:";str += _errmsg;str += "->";str += _sql;return str;}private:const string _sql;
};class CacheException : public Exception
{
public:CacheException(const string& errmsg, int id):Exception(errmsg, id){}virtual string what() const  //通过多态，来提示异常的出处{string str = "CacheException:";str += _errmsg;return str;}
};class HttpServerException : public Exception
{
public:HttpServerException(const string& errmsg, int id, const string& type):Exception(errmsg, id), _type(type){}virtual string what() const  //通过多态，来提示异常的出处{string str = "HttpServerException:";str += _type;str += ":";str += _errmsg;return str;}private:const string _type;
};void SQLMgr()
{//使用随机值来测试srand(time(0));if (rand() % 7 == 0){throw SqlException("权限不足", 100, "select * from name = '张三'");}}void CacheMgr()
{//使用随机值来测试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()
{//使用随机值来测试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();
}void ServerStart()
{while (1){this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));try {HttpServer();}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;}}
}int main()
{ServerStart();return 0;
}

结果如下：

C++标准库的异常体系

C++ 提供了一系列标准的异常，定义在 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：

 

异常的优缺点

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。而对于异常体系来说，看下面代码解释：

// 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 < 0）return errno;
}
int main()
{if (ServerStart() < 0)...return 0;
}

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，因为不知道返回来的值是不是想要的。

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。