[Python] Python 异常处理机制

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概述:Python 异常处理机制

什么是异常，什么是异常程序？

异常：程序正常执行过程中出现的不正常的情况，该情况影响了程序的正常执行。

异常程序：是指程序执行的非法指令，比如常见的非法操作码，地址越界，算术溢出等，异常程序的出现一般有两种情况：

程序设计时的编程错误或程序运行时的硬件错误
精心设计地入侵系统程序（病毒）

异常抛出

语法: `raise {exception}` | 抛出异常

用raise语句来引发一个异常。异常/错误对象必须有一个名字，且它们应是Error或Exception类的子类。
抛出异常和自定义异常

Python用异常对象(exception object)表示异常情况，遇到错误后，会引发异常。

如果异常对象并未被处理或捕捉，程序就会用所谓的回溯(Traceback,一种错误信息)终止执行。

Python中的raise 关键字用于引发一个异常，基本上和C#和Java中的throw关键字相同，如下所示：

def ThorwErr():
    raise Exception("抛出一个异常") 
# Exception: 抛出一个异常
ThorwErr()

raise关键字后面是抛出是一个通用的异常类型(Exception)，一般来说抛出的异常越详细越好，Python在exceptions模块内建了很多的异常类型，通过使用dir函数来查看exceptions中的异常类型，如下：

import exceptions

# ['ArithmeticError', 'AssertionError'.....]
print dir(exceptions)

异常捕获与处理

简述

异常处理是编程语言或计算机硬件里的一种机制，用于处理软件或信息系统中出现的异常状况，即超出程序正常执行流程的某些特殊条件。
Python提供了两个非常重要的功能来处理程序在运行中出现的异常和错误。经常使用的是try...except语句，拓展一下就是try-except-else-finally，另一个是断言（这个后面再讲）。
- try：正常情况下，程序计划执行的语句。
- except：程序异常是执行的语句。
- else：程序无异常即try段代码正常执行后会执行该语句。
- finally：不管有没有异常，都会执行的语句。

语法 : try-except-else-finally

Python用异常对象(exception object)表示异常情况，遇到错误后，会引发异常。

如果异常对象并未被处理或捕捉，程序就会用所谓的回溯(Traceback,一种错误信息)终止执行。

name为异常类型，可指定可不指定：

try:
    # 代码段1
    pass
except {name}:
    # 代码段2
    pass
else:
    # 代码段3
    pass
finally:
    # 代码段4
    pass

常见异常

TypeError

当操作或函数应用于不适当类型的对象时引发。
例如： a = 5 + '10' 这个例子中，我们试图将整数5和字符串'10'相加，这是不允许的，因为它们是不同的类型

KeyError

当尝试访问字典中不存在的键时引发。
例如： d = {'a': 1, 'b': 2} print(d['c'])
这个例子中，我们试图访问字典d中不存在的键'c'，因此会引发KeyError异常

ValueError

当函数或操作的参数具有正确的类型但不合法时引发。
例如： int('abc') 这个例子中，我们试图将字符串'abc'转换为整数，但是'abc'不是一个有效的整数，因此会引发ValueError异常

NameError
当尝试访问一个未定义的变量时，会抛出NameError异常。

例如： print(x) 这个例子中，我们尝试打印变量x的值，但是x没有被定义，因此会引发NameError异常

IndexError

当尝试访问列表、元组或字符串中不存在的索引时引发。
例如： a = [1, 2, 3] print(a[3]) 这个例子中，我们试图访问列表a的第四个元素，但是a只有三个元素，因此会引发IndexError异常

ZeroDivisionError

当尝试除以零时引发。
例如： a = 5 / 0 这个例子中，我们试图将5除以0，这是不允许的，因为除数不能为零，因此会引发ZeroDivisionError异常

try:
    x = 1 / 0
except ZeroDivisionError:
    print("除零错误！")

IOError

当尝试读取不存在的文件或无法访问文件时引发。
例如： f = open('nonexistent_file.txt', 'r') 这个例子中，我们试图打开一个不存在的文件nonexistent_file.txt，因此会引发IOError异常

ImportError

当尝试导入不存在的模块或包时引发。
例如： import nonexistent_module 这个例子中，我们试图导入一个不存在的模块nonexistent_module，因此会引发ImportError异常

AttributeError

当尝试访问对象不存在的属性时引发。
例如： s = 'hello' print(s.uppercase()) 这个例子中，我们试图调用字符串s的不存在的方法uppercase()，因此会引发AttributeError异常

KeyboardInterrupt

当用户中断程序执行时引发。
例如： while True: try: x = input('Enter a number: ') break except KeyboardInterrupt: print('You pressed Ctrl+C!') > 这个例子中，如果用户按下Ctrl+C，程序会引发KeyboardInterrupt异常，我们可以捕获这个异常并打印一条消息

PermissionError: [Errno 13] Permission denied
open(filePath)中的filePath是一目录路径，而非目录路径
先前打开的file文件对象未被关闭

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实践案例

重要结论

无论有无异常，finally代码段一定会被执行
若有异常，则执行except代码段
若无异常且无return，则执行else代码段
若无异常且有return， try代码段中有return 语句，则else代码段不会被执行
若无异常且有return， try代码段没有return语句，则else代码段会执行

CASE 无return

除数为0.0 : 不使用try的话程序会报错直接退出

a = 5.0 / 0.0
print('输出：我是try')
# ZeroDivisionError: float division by zero

try:
    a = 5.0 / 0.0
    print('输出：我是try')
except :
    print('输出：我是except')
# 输出：我是except

加上else和finally，执行逻辑：try-->except-->finally

try :
    a = 5.0 / 0.0
    print('输出：我是try')
except :
    print('输出：我是except')
else :
    print('输出：我是else')
finally :
    print('输出：finally')
    
# 输出：我是except
# 输出：finally

除数为1.0 : 即正常程序

执行逻辑：try-->else-->finally

try :
    a = 5.0 / 1.0
    print('输出：我是try')
except :
    print('输出：我是except')
else :
    print('输出：我是else')
finally :
    print('输出：finally')

# 输出：我是try
# 输出：我是else
# 输出：finally

CASE 有return，较为复杂，需仔细判别

除数为0.0 : 有异常时,finally 的 return 优先级 > except 的 return 优先级

执行逻辑：try-->except-->finally

def test():
    try :
        a = 5.0 / 0.0
        print('输出：我是try')
        return 0
    except :
        print('输出：我是except')
        return 1
    else :
        print('输出：我是else')
        return 2
    finally :
        print('输出：finally')
        return 3
print('test: ',test())

# 输出：我是except
# 输出：finally
# test: 3

程序在except内部虽然已经return了，但是finally依然会被执行，此时finally亦有return，则输出为finally代码段的返回值。

执行逻辑：try-->except-->finally，返回except代码段返回值

def test():
    try :
        a = 5.0 / 0.0
        print('输出：我是try')
        return 0
    except :
        print('输出：我是except')
        return 1
    else :
        print('输出：我是else')
        return 2
    finally :
        print('输出：finally')
print('test: ',test())
# 输出：我是except
# 输出：finally
# test: 1

程序在except内部虽然已经return了，但是finally依然会被执行，此时finally内部没有return，则最终输出except代码段的返回值。

除数为1.0 : 无异常时, finally 的 return 优先级 > try 的 return 优先级

执行逻辑：try-->else-->finally

def test():
    try :
        a = 5.0 / 1.0
        print('输出：我是try')
        return 0
    except :
        print('输出：我是except')
        return 1
    else :
        print('输出：我是else')
        return 2
    finally :
        print('输出：finally')
        return 3
print('test: ',test())

# 输出：我是try
# 输出：finally
# test: 3

程序在try内部虽然已经return了，但是else和finally依然会被执行，此时finally有return，则输出为finally代码段的返回值。

执行逻辑：try-->finally，返回try代码段返回值

def test():
    try :
        a = 5.0 / 1.0
        print('输出：我是try')
        return 0
    except :
        print('输出：我是except')
        return 1
    else :
        print('输出：我是else')
        return 2
    finally :
        print('输出：finally')
        # return 3
print('test: ',test())

# 输出：我是try
# 输出：finally
# test: 0

程序在try内部已经return了，else不会被执行，finally会被执行，此时finally没有return，则输出为try代码段的返回值。

执行逻辑：try-->else-->finally，返回else代码段返回值

def test():
    try :
        a = 5.0 / 1.0
        print('输出：我是try')
        # return 0
    except :
        print('输出：我是except')
        return 1
    else :
        print('输出：我是else')
        return 2
    finally :
        print('输出：finally')
        # return 3
print('test: ',test())
# 输出：我是try
# 输出：我是else
# 输出：finally
# test: 2

程序在try内部无return，else将会被执行，finally也会被执行，此时finally没有return，则输出为else代码段的返回值。

CASE 捕获多个异常

可以在一个try块中捕获多个异常，通过在多个except块中指定不同的异常类型来实现。

try:
    x = int(input("请输入一个整数："))
    y = 1 / x
except ValueError:
    print("输入的不是一个整数！")
except ZeroDivisionError:
    print("输入的整数不能为零！")

CASE 捕获所有异常

可以通过捕获基类Exception来捕获所有异常，但这是一种不推荐的做法，除非在特定情况下确实需要捕获所有可能的异常。

try:
    x = 1 / 0
except Exception as e:
    print("发生异常：", e)

CASE 自定义异常

可以通过创建自定义异常类来定义自己的异常类型，通常自定义异常类继承自Exception类。

class MyCustomError(Exception):
    pass

try:
    raise MyCustomError("这是一个自定义异常")
except MyCustomError as e:
    print("捕获自定义异常：", e)

CASE 综合案例

展示了如何使用异常处理来实现一个简单的计算器程序。程序能够处理用户输入错误、除零错误以及文件读写错误。

class Calculator:
    def add(self, a, b):
        return a + b

    def subtract(self, a, b):
        return a - b

    def multiply(self, a, b):
        return a * b

    def divide(self, a, b):
        try:
            return a / b
        except ZeroDivisionError:
            print("除零错误！")
            return None

def log_activity(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        try:
            result = func(*args, **kwargs)
            return result
        except Exception as e:
            print(f"执行{func.__name__}时发生异常：", e)
            return None
    return wrapper

@log_activity
def main():
    calc = Calculator()
    try:
        a = float(input("请输入第一个数："))
        b = float(input("请输入第二个数："))
    except ValueError:
        print("输入的不是一个有效的数字！")
        return

    operation = input("请选择操作（+，-，*，/）：")
    
    if operation == '+':
        result = calc.add(a, b)
    elif operation == '-':
        result = calc.subtract(a, b)
    elif operation == '*':
        result = calc.multiply(a, b)
    elif operation == '/':
        result = calc.divide(a, b)
    else:
        print("无效的操作！")
        return

    if result is not None:
        print(f"结果是：{result}")
    
    try:
        with open('result.txt', 'a') as file:
            file.write(f"{a} {operation} {b} = {result}\n")
    except IOError:
        print("文件写入失败！")
    finally:
        print("计算器程序结束。")

if __name__ == "__main__":
    main()

示例解释：
- Calculator 类：实现基本的加减乘除运算。
  - add, subtract, multiply, divide 方法分别实现加法、减法、乘法和除法运算。
  - divide 方法中使用了异常处理来捕获除零错误。
- log_activity 装饰器：用于捕获和记录函数执行中的异常。
  - wrapper 函数在调用被装饰的函数时，捕获并打印任何异常。
- main 函数：程序的入口，包含了异常处理的综合示例。
  - 捕获用户输入的数字转换错误（ValueError）。
  - 根据用户选择的操作符执行相应的计算，并处理无效操作符。
  - 使用try, except, finally块处理文件写入操作中的异常。
执行结果：

在执行过程中，如果发生异常，程序能够捕获并处理这些异常，确保程序不会崩溃并输出适当的错误信息。

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除数为1.0 : 无异常时, finally 的 return 优先级 > try 的 return 优先级

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