C++之异常

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一、异常处理的基本概念

异常是指程序运行时出现的不符合常规的情况，它可能源于多种因素，例如试图访问数组的越界索引、除以零的操作、文件无法打开等。C++ 提供了一套异常处理机制，允许开发者在程序中明确地标记可能出现异常的代码区域，并定义当异常发生时的应对策略。

1. 异常处理机制允许程序中独⽴开发的部分能够在运⾏时就出现的问题进⾏通信并做出相应的处理，异常使得我们能够将问题的检测与解决问题的过程分开，程序的⼀部分负责检测问题的出现，然后解决问题的任务传递给程序的另⼀部分，检测环节⽆须知道问题的处理模块的所有细节。
2. C语⾔主要通过错误码的形式处理错误，错误码本质就是对错误信息进⾏分类编号，拿到错误码以后还要去查询错误信息，⽐较⿇烦。异常时抛出⼀个对象，这个对象可以函数更全⾯的各种信息。

二、异常的抛出和捕获

（一）try 块

try 块是异常处理的起点，它将可能引发异常的代码包裹起来。当程序执行到 try 块中的代码时，如果一切正常，代码会按顺序执行；但如果出现了异常，程序的执行流程就会立即跳转到与之匹配的 catch 块。

try
{
    // 可能会抛出异常的代码
    int result = 10 / 0; // 除以零，会引发异常
}

（二）catch 块

catch 块用于捕获并处理 try 块中抛出的异常。每个 catch 块都指定了它能够处理的异常类型，当 try 块中抛出的异常与某个 catch 块的类型匹配时，该 catch 块就会被执行。

catch (const std::exception& e)
{
    // 处理异常，e 是异常对象，包含了异常信息
    std::cerr << "发生异常：" << e.what() << std::endl;
}

（三）throw 表达式

throw 表达式用于在代码中显式地抛出异常。它后面可以跟随一个异常对象，这个对象可以是标准库中定义的异常类型，如 std::runtime_error、std::logic_error 等，也可以是开发者自定义的异常类型。

if (x == 0)
{
    throw std::runtime_error("除数不能为零");
}

（四）异常的抛出和捕获步骤

1. 程序出现问题时，我们通过抛出(throw)⼀个对象来引发⼀个异常，该对象的类型以及当前的调⽤链决定了应该由哪个catch的处理代码来处理该异常。
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。根据抛出对象的类型和内容，程序的抛出异常部分告知异常处理部分到底发⽣了什么错误。
3. 当throw执⾏时，throw后⾯的语句将不再被执⾏。程序的执⾏从throw位置跳到与之匹配的catch模块，catch可能是同⼀函数中的⼀个局部的catch，也可能是调⽤链中另⼀个函数中的catch，控制权从throw位置转移到了catch位置。这⾥还有两个重要的含义：1、沿着调⽤链的函数可能提早退出。2、⼀旦程序开始执⾏异常处理程序，沿着调⽤链创建的对象都将销毁。
4. 抛出异常对象后，会⽣成⼀个异常对象的拷⻉，因为抛出的异常对象可能是⼀个局部对象，所以会⽣成⼀个拷⻉对象，这个拷⻉的对象会在catch⼦句后销毁。（这⾥的处理类似于函数的传值返回）

(五)查找匹配的处理代码

1. ⼀般情况下抛出对象和catch是类型完全匹配的，如果有多个类型匹配的，就选择离他位置更近的那个。
2. 但是也有⼀些例外，允许从⾮常量向常量的类型转换，也就是权限缩⼩；允许数组转换成指向数组元素类型的指针，函数被转换成指向函数的指针；允许从派⽣类向基类类型的转换，这个点⾮常实⽤，实际中继承体系基本都是⽤这个⽅式设计的。
3. 如果到main函数，异常仍旧没有被匹配就会终⽌程序，不是发⽣严重错误的情况下，我们是不期望程序终⽌的，所以⼀般main函数中最后都会使⽤catch(…)，它可以捕获任意类型的异常，但是是不知道异常错误是什么。

三.栈展开

一、栈展开的基本概念

栈展开是指当异常发生时，程序的执行流程从异常发生的点开始，逐层回退到调用栈的上层，直到找到合适的 catch 块来处理异常。在这个过程中，程序会自动调用沿途栈帧中对象的析构函数，以确保资源得到正确释放。

（一）调用栈

调用栈是程序运行时的一个重要数据结构，它记录了函数的调用顺序。每个函数调用都会在栈上创建一个新的栈帧，栈帧中包含了函数的局部变量、函数参数以及返回地址等信息。当函数返回时，其对应的栈帧会被销毁。

（二）栈展开的目的

栈展开的主要目的是确保在异常发生时，程序能够安全地回退到异常处理代码处，同时清理沿途的资源。这包括：

• 调用沿途栈帧中对象的析构函数，释放动态分配的内存、关闭文件句柄、释放网络连接等。
• 确保程序状态的一致性，避免资源泄漏和数据损坏。

二、栈展开的过程

当异常发生时，程序的执行流程会按照以下步骤进行栈展开：

（一）异常抛出

当执行到 throw 表达式时，异常被抛出。此时，程序会记录异常的类型和相关信息，并开始寻找合适的 catch 块来处理异常。

（二）栈帧回退

程序从异常发生的点开始，逐层回退到调用栈的上层。在回退的过程中，会依次检查每个栈帧中的 catch 块，看是否有与异常类型匹配的 catch 块。

（三）析构函数调用

在栈帧回退的过程中，会自动调用沿途栈帧中对象的析构函数。这一步骤至关重要，因为它确保了资源得到正确释放。例如，如果栈帧中有一个动态分配的内存对象，其析构函数会释放这块内存，避免内存泄漏。

（四）异常捕获

如果在某个栈帧中找到了与异常类型匹配的 catch 块，程序的执行流程会跳转到该 catch 块。此时，栈展开过程结束，程序开始执行异常处理代码。

（五）栈帧清理

当异常处理完成后，程序会继续执行 catch 块之后的代码。如果异常没有被捕获，程序会一直回退到调用栈的最顶层，并终止运行。

三、栈展开的重要性

（一）资源管理

栈展开确保了在异常发生时，程序能够正确地释放资源。这包括动态分配的内存、文件句柄、网络连接等。如果没有栈展开机制，程序可能会因为异常而遗漏资源释放，导致资源泄漏。

（二）程序稳定性

栈展开机制使得程序在异常发生时能够安全地回退到异常处理代码处，避免程序崩溃。这大大提高了程序的稳定性和可靠性，尤其是在处理复杂的业务逻辑时。

（三）异常安全性

通过栈展开，程序能够确保在异常发生时，对象的状态保持一致。析构函数的调用保证了对象在销毁时能够正确地清理资源，避免数据损坏和未定义行为。

1. 抛出异常后，程序暂停当前函数的执⾏，
开始寻找与之匹配的catch⼦句，⾸先检查throw本⾝是否在try块内部，
如果在则查找匹配的catch语句，如果有匹配的，则跳到catch的地⽅进⾏处理。

2. 如果当前函数中没有try/catch⼦句，或者有try/catch⼦句但是类型不匹配，
则退出当前函数，继续在外层调⽤函数链中查找，上述查找的catch过程被称为栈展开。

3. 如果到达main函数，依旧没有找到匹配的catch⼦句，程序会调⽤标准库的 terminate 函数终⽌程序。

4. 如果找到匹配的catch⼦句处理后，catch⼦句代码会继续执⾏。

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四.C++异常处理中的异常重新抛出

有时catch到⼀个异常对象后，需要对错误进⾏分类，其中的某种异常错误需要进⾏特殊的处理，其他错误则重新抛出异常给外层调⽤链处理。捕获异常后需要重新抛出，直接 throw; 就可以把捕获的对象直接抛出。

一、异常重新抛出的基本概念

异常重新抛出是指在 catch 块中捕获异常后，使用 throw 关键字将异常再次抛出。重新抛出的异常会继续沿着调用栈向上传播，直到被更高层次的 catch 块捕获。如果在当前函数中没有捕获重新抛出的异常，程序会继续回退，直到找到合适的处理代码，或者最终导致程序终止。

二、异常重新抛出的语法

在 catch 块中，可以使用 throw 关键字来重新抛出捕获的异常。语法非常简单：

try
{
    // 可能会抛出异常的代码
}
catch (const std::exception& e)
{
    // 处理异常
    std::cerr << "捕获异常：" << e.what() << std::endl;

    // 重新抛出异常
    throw;
}

注意：在重新抛出异常时，不需要再次指定异常对象，直接使用 throw; 即可。这表示将当前捕获的异常再次抛出。

五.异常安全问题

• 异常抛出后，后⾯的代码就不再执⾏，前⾯申请了资源(内存、锁等)，后⾯进⾏释放，但是中间可能会抛异常就会导致资源没有释放，这⾥由于异常就引发了资源泄漏，产⽣安全性的问题。中间我们需要捕获异常，释放资源后⾯再重新抛出。

• 其次析构函数中，如果抛出异常也要谨慎处理，⽐如析构函数要释放10个资源，释放到第5个时抛出异常，则也需要捕获处理，否则后⾯的5个资源就没释放，也资源泄漏了。

六.异常规范

1. 对于⽤⼾和编译器⽽⾔，预先知道某个程序会不会抛出异常⼤有裨益，知道某个函数是否会抛出异常有助于简化调⽤函数的代码。
2. C++98中函数参数列表的后⾯接throw()，表⽰函数不抛异常，函数参数列表的后⾯接throw(类型1,类型2…)表⽰可能会抛出多种类型的异常，可能会抛出的类型⽤逗号分割。
3. C++98的⽅式这种⽅式过于复杂，实践中并不好⽤，C++11中进⾏了简化，函数参数列表后⾯加noexcept表⽰不会抛出异常，啥都不加表⽰可能会抛出异常。
4. 编译器并不会在编译时检查noexcept，也就是说如果⼀个函数⽤noexcept修饰了，但是同时⼜包含了throw语句或者调⽤的函数可能会抛出异常，编译器还是会顺利编译通过的(有些编译器可能会报个警告)。但是⼀个声明了noexcept的函数抛出了异常，程序会调⽤ terminate 终⽌程序。
5. noexcept(expression)还可以作为⼀个运算符去检测⼀个表达式是否会抛出异常，可能会则返回false，不会就返回true。

异常处理的注意事项

（一）异常安全性

在设计异常处理机制时，需要考虑代码的异常安全性。异常安全的代码即使在发生异常的情况下，也能保证程序的状态是正确的。例如，资源的分配和释放应该正确地配对，避免出现资源泄漏。

（二）异常的传播

如果一个函数中发生了异常，而该函数没有捕获它，异常就会沿着调用栈向上传播，直到被合适的 catch 块捕获。如果异常一直传播到程序的最顶层仍未被捕获，程序将终止运行。

（三）异常的性能开销

虽然异常处理机制在处理错误时非常强大，但它也会带来一定的性能开销。在正常的程序执行路径中，try 块和 catch 块的性能开销相对较小，但在异常发生时，异常的抛出和捕获过程会消耗较多的时间和资源。因此，在使用异常处理时，需要权衡其带来的便利性和对性能的影响。

七.标准异常类

C++ 标准库中定义了一系列的异常类，它们都继承自基类 std::exception。这些异常类为常见的错误情况提供了标准化的异常类型，方便开发者在代码中使用。

• std::logic_error：表示程序逻辑错误，例如违反了函数的前置条件。
• std::runtime_error：表示程序运行时出现的错误，例如资源分配失败。
• std::domain_error：当函数的参数超出了其定义域时抛出此异常。
• std::invalid_argument：当函数接收到无效参数时抛出此异常。
• std::length_error：当试图创建一个超出其最大大小的对象时抛出此异常。
• std::out_of_range：当试图访问一个超出其范围的元素时抛出此异常，例如访问数组或容器的越界元素。

八.自定义异常类

除了使用标准异常类，开发者还可以根据自己的需求定义异常类。自定义异常类通常继承自 std::exception 或其派生类，并可以添加额外的成员变量和成员函数，以存储和提供更详细的异常信息。

class MyException : public std::exception
{
public:
    MyException(const std::string& message) : msg_(message) {}
    const char* what() const noexcept override
    {
        return msg_.c_str();
    }
private:
    std::string msg_;
};