C++異常機(jī)制解析

傳統(tǒng)排錯(cuò)

我們?cè)缭?C 程序里面?zhèn)鹘y(tǒng)的錯(cuò)誤處理手段有：

1. 終止程序，如 assert；缺陷是用戶難以接受，說(shuō)白了就是一種及其粗暴的手法，比如發(fā)生內(nèi)存錯(cuò)誤，除0錯(cuò)誤時(shí)就會(huì)終止程序。
2. 返回錯(cuò)誤碼。缺陷是需要我們自己去查找錯(cuò)誤，如系統(tǒng)的很多庫(kù)的接口函數(shù)都是通過(guò)把錯(cuò)誤碼放到 errno 中，表示錯(cuò)誤。
3. C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中 setjmp 和 longjmp 組合（不常用）

實(shí)際中 C 語(yǔ)言基本都是使用返回錯(cuò)誤碼的方式處理錯(cuò)誤，部分情況下使用終止程序處理非常嚴(yán)重緊急的錯(cuò)誤，因此異常機(jī)制就時(shí)運(yùn)而橫空出世

概念

異常是面向?qū)ο笳Z(yǔ)言常用的一種處理錯(cuò)誤的方式，當(dāng)一個(gè)函數(shù)發(fā)現(xiàn)自己無(wú)法處理的錯(cuò)誤時(shí)就可以拋出異常，讓函數(shù)直接或間接調(diào)用者自己來(lái)處理這個(gè)錯(cuò)誤

1. throw：當(dāng)程序出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò) throw 關(guān)鍵字拋出一個(gè)異常
2. try：try 塊中放置的是可能拋出異常的代碼，該代碼塊在執(zhí)行時(shí)將進(jìn)行異常錯(cuò)誤檢測(cè)，try 塊后面通常跟著一個(gè)或多個(gè) catch 塊。
3. catch：如果try塊中發(fā)生錯(cuò)誤，則可以在 catch 塊中定義對(duì)應(yīng)要執(zhí)行的代碼塊。

try-catch 語(yǔ)句的語(yǔ)法實(shí)例：

用法

異常是通過(guò)拋出對(duì)象而引發(fā)的，該對(duì)象的類型決定了應(yīng)該激活哪個(gè) catch 的處理代碼，如果拋出的異常對(duì)象沒有捕獲，或是沒有匹配類型的捕獲，那么程序會(huì)終止報(bào)錯(cuò)

異常捕獲和拋出

被選中的處理代碼（catch塊）是調(diào)用鏈中與該對(duì)象類型匹配且離拋出異常位置最近的那一個(gè)

拋出異常對(duì)象后，會(huì)生成一個(gè)異常對(duì)象的拷貝，因?yàn)閽伋龅漠惓?duì)象可能是一個(gè)臨時(shí)對(duì)象，所以會(huì)生成一個(gè)拷貝對(duì)象 color{red} {因?yàn)閽伋龅漠惓?duì)象可能是一個(gè)臨時(shí)對(duì)象，所以會(huì)生成一個(gè)拷貝對(duì)象}因?yàn)閽伋龅漠惓?duì)象可能是一個(gè)臨時(shí)對(duì)象，所以會(huì)生成一個(gè)拷貝對(duì)象，這個(gè)拷貝的臨時(shí)對(duì)象會(huì)在被 catch 以后銷毀（類似于函數(shù)的傳值返回）

catch(…) 可以捕獲任意類型的異常，但捕獲后無(wú)法知道異常錯(cuò)誤是什么，實(shí)際異常拋出和捕獲的匹配原則有個(gè)例外，捕獲和拋出的異常類型并不一定要完全匹配，可以拋出派生類對(duì)象，使用基類進(jìn)行捕獲，這個(gè)在實(shí)際中非常有用

在函數(shù)調(diào)用鏈中異常棧展開的匹配原則：

當(dāng)異常被拋出后，首先檢查 throw 本身是否在 try 塊內(nèi)部，如果在則查找匹配的 catch 語(yǔ)句，如果有匹配的就跳到 catch 的地方進(jìn)行處理

如果當(dāng)前沒有匹配的 catch 則退出當(dāng)前函數(shù)棧，繼續(xù)在上一個(gè)調(diào)用中進(jìn)行查找 catch。找到匹配的 catch 子句并處理以后，會(huì)沿著 catch 子句后面繼續(xù)執(zhí)行，而不會(huì)跳回到原來(lái)拋異常的地方，如果到達(dá) main 函數(shù)的棧，依舊沒有找到匹配的 catch 則終止程序

比如下面的代碼中調(diào)用了 func3，func3 中調(diào)用 func2，func2 中調(diào)用 func1，func1 中拋出了一個(gè) string 的異常對(duì)象：

首先會(huì)檢查 throw 本身是否在 try 塊內(nèi)部，這里就會(huì)因此退出 func1 所在的函數(shù)棧，繼續(xù)在上一個(gè)調(diào)用棧中進(jìn)行查找，即 func2 所在的函數(shù)棧，由于 func2 中也沒有匹配的 catch，因此會(huì)繼續(xù)復(fù)讀套娃，最終在 main 函數(shù)棧中找到匹配的 catch

這時(shí)就會(huì)跳到 main 函數(shù)中對(duì)應(yīng)的 catch 塊中執(zhí)行對(duì)應(yīng)的代碼塊，執(zhí)行完后繼續(xù)執(zhí)行該代碼塊后續(xù)的代碼：

當(dāng)然為了防止還有漏網(wǎng)之魚，一般此時(shí)我們還會(huì)搞一個(gè) catch(…) 進(jìn)行全捕獲。

異常的重新拋出

要知道一個(gè) catch 是無(wú)法完全搞定異常的，如果我們對(duì)異常進(jìn)行修正后，希望交付給上層調(diào)用鏈進(jìn)行異常的異常信息日志記錄，此時(shí)就需要我們重新對(duì)上層函數(shù)拋異常：

這里 func2 最后應(yīng)該 delete 進(jìn)行空間釋放，但由于 func2 中途調(diào)用 func1 ，func1 內(nèi)部拋出了一個(gè)異常，這時(shí)會(huì)直接跳轉(zhuǎn)到 main 函數(shù)中的 catch 塊執(zhí)行對(duì)應(yīng)的異常處理程序，并且在處理完后繼續(xù)沿著 catch 塊往后執(zhí)行，這時(shí)就導(dǎo)致 func2 中內(nèi)存塊沒有得到釋放，造成了內(nèi)存泄露！

此時(shí)我們應(yīng)該在 func2 中先對(duì) func1 拋出的異常進(jìn)行捕獲，捕獲后先將內(nèi)存釋放再重新拋出異常，就可以避免內(nèi)存泄露：

try-catch 中 new 和 delete 之間可能還會(huì)拋出其他類型的異常，因此在 fun2 中最好再進(jìn)行 catch(…) ，將申請(qǐng)到的內(nèi)存 delete 后再通過(guò)throw 重新拋出；重新拋出異常對(duì)象時(shí)，此時(shí) throw 可以不用指明要拋出的異常對(duì)象，其實(shí) catch(…) 也不知道自己到底捕了個(gè)什么異常對(duì)象

安全第一條

還是那句話，道路千萬(wàn)條，拋異常要謹(jǐn)慎：

1. 構(gòu)造函數(shù)完成對(duì)象的構(gòu)造和初始化，最好不要在構(gòu)造函數(shù)中拋出異常，否則可能導(dǎo)致對(duì)象不完整或沒有完全初始化
2. 析構(gòu)函數(shù)完成對(duì)象資源的清理，最好不要在析構(gòu)函數(shù)中拋出異常，否則可能導(dǎo)致內(nèi)存泄露，句柄未關(guān)閉等
3. C++ 中在 new 和 delete 中拋出異常經(jīng)常是內(nèi)存泄漏的罪魁禍?zhǔn)祝?lock 和 unlock 之間拋出異常導(dǎo)致死鎖，C++ 經(jīng)常使用 RAII 的方式來(lái)解決類似問(wèn)題

規(guī)范使用

站在異常的嚴(yán)謹(jǐn)立場(chǎng)上， C++ 也在盡量提高咱的使用規(guī)范：

在函數(shù)的后面接throw(type1, type2, …)，列出這個(gè)函數(shù)可能拋擲的所有異常類型
在函數(shù)的后面接throw()或noexcept（C++11），表示該函數(shù)不拋異常
若無(wú)異常接口聲明，則此函數(shù)可以拋擲任何類型的異常（異常接口聲明不是強(qiáng)制的）

異常體系

因?yàn)楫惓賹?shí)需要嚴(yán)謹(jǐn)與規(guī)范的操作，所以在很多公司里面都會(huì)制定自己的一套異常的規(guī)范管理：

公司中的項(xiàng)目一般會(huì)進(jìn)行模塊劃分，讓不同的人或小組完成不同的模塊，如果不對(duì)拋異常這件事進(jìn)行規(guī)范，那么在最外層捕獲異常的冤種就會(huì)問(wèn)候親媽了，因?yàn)樗麜?huì)來(lái)給各位擦屁股，捕獲大家拋出的所以異常對(duì)象 color{red} {那么在最外層捕獲異常的冤種就會(huì)問(wèn)候親媽了，因?yàn)樗麜?huì)來(lái)給各位擦屁股，捕獲大家拋出的所以異常對(duì)象}那么在最外層捕獲異常的冤種就會(huì)問(wèn)候親媽了，因?yàn)樗麜?huì)來(lái)給各位擦屁股，捕獲大家拋出的所以異常對(duì)象

我們之前說(shuō)過(guò)異常語(yǔ)法可以用基類捕獲拋出的派生類對(duì)象，因此實(shí)際中都會(huì)先定義一個(gè)最基礎(chǔ)的異常類，所有人拋出的異常對(duì)象都必須是繼承于該異常類的派生類對(duì)象，，因此最外層就只需捕獲基類就行了

最基礎(chǔ)的異常類至少需要包含錯(cuò)誤編號(hào)和錯(cuò)誤描述兩個(gè)成員變量，甚至還可以包含當(dāng)前函數(shù)棧幀的調(diào)用鏈等信息，該異常類中一般還會(huì)提供兩個(gè)成員函數(shù)，分別用來(lái)獲取錯(cuò)誤編號(hào)和錯(cuò)誤描述

其他人如果要對(duì)這個(gè)異常類進(jìn)行擴(kuò)展，必須先繼承基礎(chǔ)異常類，然后按需添加某些成員變量，或是對(duì)虛函數(shù)what 進(jìn)行重寫，使其能告知更多的異常信息：

異常類的成員變量不能設(shè)置為私有，因?yàn)樗接谐蓡T在子類中是不可見的?；?Exception 中 what 成員函數(shù)最好定義為虛函數(shù)，方便子類對(duì)其進(jìn)行重寫，從而達(dá)到多態(tài)的效果

標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)體系

C++ 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)當(dāng)中的異常也是一個(gè)基礎(chǔ)體系，其中 exception 就是基類，它與其他異常類的繼承關(guān)系如下：

其中具體信息如下：

我們可以去繼承這里的 exception 類來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的異常類，但實(shí)際上很多公司都會(huì)自己定義一套異常繼承體系！

優(yōu)缺點(diǎn)

目前情況來(lái)看，異常是利大于弊的，還是鼓勵(lì)使用異常的，而且前排的語(yǔ)言基本都會(huì)使用異常處理錯(cuò)誤，這也可以看出這是大勢(shì)所趨

異常的優(yōu)點(diǎn)：

相比錯(cuò)誤碼，異?？梢郧逦鷾?zhǔn)確的展示出錯(cuò)誤的各種信息，甚至可以包含堆棧調(diào)用等信息，這樣可以幫助更好的定位程序的bug

返回錯(cuò)誤碼的傳統(tǒng)方式有個(gè)很大的問(wèn)題就是，在函數(shù)調(diào)用鏈中，深層的函數(shù)返回了錯(cuò)誤，那么我們得層層返回錯(cuò)誤碼，最終最外層才能拿到錯(cuò)誤

很多的第三方庫(kù)都會(huì)使用異常，比如 boost、gtest、gmock 等常用的庫(kù)，如果我們不用異常就不能很好的發(fā)揮這些庫(kù)的作用，很多測(cè)試框架也都使用異常，因此使用異常能更好的使用單元測(cè)試等進(jìn)行白盒測(cè)試

部分函數(shù)使用異常更好處理，比如 T& operator 這樣的函數(shù)，如果 pos 越界了只能使用異?；蛘呓K止程序處理，沒辦法通過(guò)返回值表示錯(cuò)誤

異常的缺點(diǎn)：

異常會(huì)導(dǎo)致程序的執(zhí)行流混亂，這會(huì)導(dǎo)致我們跟蹤調(diào)試或分析程序時(shí)比較困難。異常還會(huì)有一些性能的開銷，當(dāng)然在現(xiàn)代硬件速度很快的情況下，這個(gè)影響基本忽略不計(jì)！

C++ 沒有垃圾回收機(jī)制，資源需要自己管理，有了異常非常容易導(dǎo)致內(nèi)存泄露、死鎖等異常安全問(wèn)題，這個(gè)需要使用 RAII 來(lái)處理資源的管理問(wèn)題，學(xué)習(xí)成本比較高

C++ 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的異常體系定義得不夠好，導(dǎo)致大家各自定義自己的異常體系，非常的混亂，異常盡量規(guī)范使用，否則后果不堪設(shè)想，隨意拋異常，也會(huì)讓外層捕獲的用戶苦不堪言。

異常接口聲明不是強(qiáng)制的，對(duì)于沒有聲明異常類型的函數(shù)，無(wú)法預(yù)知該函數(shù)是否會(huì)拋出異常