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前言

通过00【C++ 入门基础】前言得知，C++是为了解决C语言在面对大型项目的局限而诞生：

C语言面对的现实工程问题（复杂性、可维护性、可扩展性、安全性）

C语言函数错误面临的具体问题：

  1. 错误状态通常通过函数返回值（如返回 -1、NULL或特定的错误码）或设置全局变量（如 errno）来传递。这迫使调用者在每一次函数调用后都要立即检查返回值，且如果是深层嵌套调用的错误，错误码的传播将更困难。
  2. 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。
  3. 构造函数没有返回值。类对象构造错误将无法判断错误。
  4. 操作符重载（C++ 特有，但说明问题）的返回值有固定含义（如 operator=通常返回对象引用），难以同时表示错误。

C++ 异常机制的核心目标是提供一种更可靠、更清晰、更安全的错误处理模型，以克服传统 C 风格错误处理（返回值检查）的固有缺陷：

  • 可靠性：​​ 减少错误被静默忽略的风险（尤其是深层嵌套错误），通过 RAII 自动管理资源。
  • 清晰度：​​ 分离错误处理代码与正常业务逻辑，提高代码可读性和可维护性。
  • 表达能力：​​ 允许携带丰富的错误信息，支持基于类型的精确捕获。
  • 解决语言限制：​​ 为构造函数和操作符提供有效的错误报告机制。

1. 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。
  • ​try: try块用于包含可能抛出异常的代码。try块后面通常跟着一个或多个catch块。
  • 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进行捕获不同类型的异常。

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
}

在这里插入图片描述

2. 异常的使用

2.1 异常的抛出和捕获

异常的抛出和匹配原则

  1. 异常是通过抛出一个异常类对象而引发的，该对象的类型就是异常的类型，也决定了应该激活哪个catch的处理代码。
  2. 异常会被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catch代码捕获处理。
  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，问题是不知道异常错误是什么。
  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，我们后面会详细讲解这个。

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。

在这里插入图片描述

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()
{   //该函数栈中，没有匹配的catch语句，直接退出当前函数栈。
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Division(len, time) << endl;
}
int main()
{
	try {
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (...) 
	{
		cout << "unkown exception" << endl;
	}
	return 0;
}

2.2 异常的重新抛出

异常会查看一个函数栈中是否有匹配的catch处理语句，如果有就会执行，没有跳出当前函数栈，但是，如果一个函数栈中开辟了资源（如new了空间），但是又被异常跳过了（内存泄漏），怎么办呢？

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。

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];
	try {
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "delete []" << array << endl;
		delete[] array;
		throw;  //异常的重新抛出仅仅是为了让已经开辟的空间不会因为throw出的异常而跳过销毁导致内存泄漏.
	}
	// ...
	cout << "delete []" << array << endl;
	delete[] array;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	//输入:1 0 
	//输出:
	// 1 0
	//delete[]00C730A8
	//Division by zero condition!
	return 0;
}

但是这里有种情况会非常坑:

//伪代码：
int* p1 = new int;
int* p2 = new int;

func();

delete p1;
delete p2;

这里new可以抛出异常,func也可以抛异常。

①当p1开辟失败,在当前函数抛出异常,并没有任何已经被开辟的空间,会自动跳过剩余代码去找上层函数中的catch。

②p2的new抛出异常,我们需要在当前函数立刻catch它因为p1已经被开辟,如果任由throw去找函数上层的话,p1开辟的空间无法释放,会造成空间泄露。

③当func抛出异常,p1和p2都已经开辟空间,我们需要立刻catch,这样便不会跳过销毁的delete函数。

我们需要catch处理p2失败的异常,让其能顺利delete p1，并catch处理func抛出的异常,使p1、p2能正常delete。

这里的异常捕获非常不好控制且麻烦，需要区分捕获的异常，后面会学智能指针能更好的解决这类问题。

2.3 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，否则造成构造的对象失败或不完整。

  • 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)

  • 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，关于RAII我们智能指针这节进行讲解。

2.4 异常规范

  1. 异常规格说明放在函数的声明后面，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，则此函数可以抛掷任何类型的异常。
// 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 (void* ptr, std::size_t size) throw();

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

3.自定义异常体系

我们可以使用 catch捕获异常基类并正确处理派生类异常，这是利用了多态（Polymorphism）​​ 原理。

实际使用中很多公司都会自定义自己的异常体系进行规范的异常管理，因为一个项目中如果大家随意抛异常，那么外层的调用者基本就没办法玩了，所以实际中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。
在这里插入图片描述

#include <thread>   
#include <chrono>   
// 服务器开发中通常使用的异常继承体系
class Exception
{
public:
	Exception(const string& errmsg, int id)
		:_errmsg(errmsg)
		, _id(id)
	{
	}
	virtual string what() const
	{
		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
	{
		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
	{
		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
	{
		string str = "HttpServerException:";
		str += _type;
		str += ":";
		str += _errmsg;
		return str;
	}
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'");
	}
	//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();
}
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();
}
int main()
{
	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;
		}
	}
	return 0;
}

注意： 异常类的异常变量id可以标志异常的类型，在catch中，可以根据不同的异常类型可以if-else走不同处理逻辑。

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 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：
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
说明：实际中我们可以可以去继承exception类实现自己的异常类。但是实际中很多公司像上面一样自己定义一套异常继承体系。因为C++标准库设计的不够好用。

int main()
{
	try 
	{
		vector<int> v(10, 5);
		// 这里如果系统内存不够也会抛异常
		v.reserve(1000000000);
		// 这里越界会抛异常
		v.at(10) = 100;
	}
	catch (const exception& e) // 这里捕获父类对象就可以
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "Unkown Exception" << endl;
	}
	return 0;
}

5. 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，具体看下面的详细解释。
//伪代码解释：
// 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;
}
  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。
  1. 栈展开​开销：
    遍历调用栈帧
    逐层调用局部对象析构函数
  2. 类型匹配​开销：
    RTTI类型信息查询
    继承层级遍历（尤其多重继承）
  3. 对象操作​开销：
    异常对象拷贝构造（可能深拷贝）
    特殊存储区内存分配
  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

本文章为作者的笔记和心得记录，顺便进行知识分享，有任何错误请评论指点 😃。

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