第8章 C++异常总结

开发程序是一项“烧脑”的工作，

• 程序员不但要经过长期的知识学习，
• 思维训练，
• 还要做到一丝不苟，注意每一个细节和边界。

即使这样，也不能防止程序出错。

程序的错误大致可以分为三种，分别是语法错误、逻辑错误和运行时错误：

• 语法错误在编译和链接阶段就能发现，只有 100% 符合语法规则的代码才能生成可执行程序。语法错误是最容易发现、最容易定位、最容易排除的错误，程序员最不需要担心的就是这种错误。 
• 逻辑错误是说我们编写的代码思路有问题，不能够达到最终的目标，这种错误可以通过调试来解决。 
• 运行时错误是指程序在运行期间发生的错误，例如除数为 0、内存分配失败、数组越界、文件不存在等。C++ 异常（Exception）机制就是为解决运行时错误而引入的。

at() 函数检测到下标越界会抛出一个异常，这个异常可以由程序员处理，但是我们在代码中并没有处理，所以系统只能执行默认的操作，也即终止程序执行。我们可以借助 C++ 异常机制来捕获上面的异常，避免程序崩溃。捕获异常的语法为：

try{
    // 可能抛出异常的语句
}catch(exceptionType variable){
    // 处理异常的语句
}

演示一下 try-catch 的用法，先让读者有一个整体上的认识。　

#include <iostream>
#include <string>
#include <exception>
using namespace std;
int main(){
    string str = "http://www.csdn.xyz";

    try
    {
        char ch1 = str[100];
        cout<<ch1<<endl;
    }
    catch(exception e)
    {
        cout<<"[1]out of bound!"<<endl;
    }

    try
    {
        char ch2 = str.at(100);
        cout<<ch2<<endl;
    }
    catch(exception &e)
    {  //exception类位于<exception>头文件中
        cout<<"[2]out of bound!"<<endl;
    }

    return 0;
}

 异常的处理流程：

抛出（Throw）--> 检测（Try） --> 捕获（Catch）

异常可以发生在当前的 try 块中，也可以发生在 try 块所调用的某个函数中，或者是所调用的函数又调用了另外的一个函数，这个另外的函数中发生了异常。这些异常，都可以被 try 检测到。

• 下面的例子演示了 try 块中直接发生的异常：

#include <iostream>
#include <string>
#include <exception>
using namespace std;
int main(){
    try{
        throw "Unknown Exception";  //抛出异常
        cout<<"This statement will not be executed."<<endl;
    }catch(const char* &e){
        cout<<e<<endl;
    }
    return 0;
}

• 下面的例子演示了 try 块中调用的某个函数中发生了异常：

#include <iostream>
#include <string>
#include <exception>
using namespace std;
void func(){
    throw "Unknown Exception";  //抛出异常
    cout<<"[1]This statement will not be executed."<<endl;
}
int main(){
    try{
        func();
        cout<<"[2]This statement will not be executed."<<endl;
    }catch(const char* &e){
        cout<<e<<endl;
    }
    return 0;
}

• try 块中调用了某个函数，该函数又调用了另外的一个函数，这个另外的函数抛出了异常： 

#include <iostream>
#include <string>
#include <exception>
using namespace std;
void func_inner(){
    throw "Unknown Exception";  //抛出异常
    cout<<"[1]This statement will not be executed."<<endl;
}
void func_outer(){
    func_inner();
    cout<<"[2]This statement will not be executed."<<endl;
}
int main(){
    try{
        func_outer();
        cout<<"[3]This statement will not be executed."<<endl;
    }catch(const char* &e){
        cout<<e<<endl;
    }
    return 0;
}

 

 

 

 

　　

exceptionType是异常类型，它指明了当前的 catch 可以处理什么类型的异常；variable是一个变量，用来接收异常信息。当程序抛出异常时，会创建一份数据，这份数据包含了错误信息，程序员可以根据这些信息来判断到底出了什么问题，接下来怎么处理。  异常既然是一份数据，那么就应该有数据类型。C++ 规定，

• 异常类型可以是 int、char、float、bool 等基本类型，
• 也可以是指针、数组、字符串、结构体、类等聚合类型。
• C++ 语言本身以及标准库中的函数抛出的异常，都是 exception 类或其子类的异常。也就是说，抛出异常时，会创建一个 exception 类或其子类的对象。　　

exceptionType variable和函数的形参非常类似，当异常发生后，会将异常数据传递给 variable 这个变量，这和函数传参的过程类似。当然，只有跟exceptionType类型匹配的异常数据才会被传递给 variable，否则 catch 不会接收这份异常数据，也不会执行 catch 块中的语句。换句话说，catch 不会处理当前的异常。  我们可以将 catch 看做一个没有返回值的函数，当异常发生后 catch 会被调用，并且会接收实参（异常数据）。 但是 catch 和真正的函数调用又有区别：　　

• 真正的函数调用，形参和实参的类型必须要匹配，或者可以自动转换，否则在编译阶段就报错了。
• 而对于 catch，异常是在运行阶段产生的，它可以是任何类型，没法提前预测，所以不能在编译阶段判断类型是否正确，只能等到程序运行后，真的抛出异常了，再将异常类型和 catch 能处理的类型进行匹配，匹配成功的话就“调用”当前的 catch，否则就忽略当前的 catch。　　

总起来说，catch 和真正的函数调用相比，多了一个「在运行阶段将实参和形参匹配」的过程。　　

另外需要注意的是，如果不希望 catch 处理异常数据，也可以将 variable 省略掉，也即写作：

try{
    // 可能抛出异常的语句
}catch(exceptionType){
    // 处理异常的语句
}

这样只会将异常类型和 catch 所能处理的类型进行匹配，不会传递异常数据了。　　

一个 try 后面可以跟多个 catch：

try{
    //可能抛出异常的语句
}catch (exception_type_1 e){
    //处理异常的语句
}catch (exception_type_2 e){
    //处理异常的语句
}
//其他的catch
catch (exception_type_n e){
    //处理异常的语句
}

当异常发生时，程序会按照从上到下的顺序，将异常类型和 catch 所能接收的类型逐个匹配。一旦找到类型匹配的 catch 就停止检索，并将异常交给当前的 catch 处理（其他的 catch 不会被执行）。如果最终也没有找到匹配的 catch，就只能交给系统处理，终止程序的运行。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Base{ };
class Derived: public Base{ };
int main(){
    try{
        throw Derived();  //抛出自己的异常类型，实际上是创建一个Derived类型的匿名对象
        cout<<"This statement will not be executed."<<endl;
    }catch(int){
        cout<<"Exception type: int"<<endl;
    }catch(char *){
        cout<<"Exception type: cahr *"<<endl;
    }catch(Base){  //匹配成功（向上转型）
        cout<<"Exception type: Base"<<endl;
    }catch(Derived){
        cout<<"Exception type: Derived"<<endl;
    }
    return 0;
}

在 catch 中，我们只给出了异常类型，没有给出接收异常信息的变量。

C/C++ 中存在多种多样的类型转换，以普通函数（非模板函数）为例，发生函数调用时，如果实参和形参的类型不是严格匹配，那么会将实参的类型进行适当的转换，以适应形参的类型，这些转换包括：

• 算数转换：例如 int 转换为 float，char 转换为 int，double 转换为 int 等。
• 向上转型：也就是派生类向基类的转换，
• const 转换：也即将非 const 类型转换为 const 类型，例如将 char * 转换为 const char *。
• 数组或函数指针转换：如果函数形参不是引用类型，那么数组名会转换为数组指针，函数名也会转换为函数指针。
• 用户自定的类型转换。 

catch 在匹配异常类型的过程中，也会进行类型转换，但是这种转换受到了更多的限制，仅能进行「向上转型」、「const 转换」和「数组或函数指针转换」，其他的都不能应用于 catch。　　

#include <iostream>
using namespace std;
int main(){
    int nums[] = {1, 2, 3};
    try{
        throw nums;
        cout<<"This statement will not be executed."<<endl;
    }catch(const int *){
        cout<<"Exception type: const int *"<<endl;
    }
    return 0;
}

nums 本来的类型是int [3]，但是 catch 中没有严格匹配的类型，所以先转换为int *，再转换为const int *。

　　

 

 

 

　　

异常必须显式地抛出，才能被检测和捕获到；如果没有显式的抛出，即使有异常也检测不到。在 C++ 中，我们使用 throw 关键字来显式地抛出异常，它的用法为：

throw exceptionData;

exceptionData 是“异常数据”的意思，它可以包含任意的信息，完全有程序员决定。exceptionData 可以是 int、float、bool 等基本类型，也可以是指针、数组、字符串、结构体、类等聚合类型，请看下面的例子：　　

char str[] = "http://www.baidu.com";
char *pstr = str;
class Base{};
Base obj;
throw 100;  //int 类型
throw str;  //数组类型
throw pstr;  //指针类型
throw obj;  //对象类型

一个动态数组的例子，　　

#include <iostream>
#include <cstdlib>
using namespace std;
//自定义的异常类型
class OutOfRange{
public:
    OutOfRange(): m_flag(1){ };
    OutOfRange(int len, int index): m_len(len), m_index(index), m_flag(2){ }
public:
    void what() const;  //获取具体的错误信息
private:
    int m_flag;  //不同的flag表示不同的错误
    int m_len;  //当前数组的长度
    int m_index;  //当前使用的数组下标
};
void OutOfRange::what() const {
    if(m_flag == 1){
        cout<<"Error: empty array, no elements to pop."<<endl;
    }else if(m_flag == 2){
        cout<<"Error: out of range( array length "<<m_len<<", access index "<<m_index<<" )"<<endl;
    }else{
        cout<<"Unknown exception."<<endl;
    }
}
//实现动态数组
class Array{
public:
    Array();
    ~Array(){ free(m_p); };
public:
    int operator[](int i) const;  //获取数组元素
    int push(int ele);  //在末尾插入数组元素
    int pop();  //在末尾删除数组元素
    int length() const{ return m_len; };  //获取数组长度
private:
    int m_len;  //数组长度
    int m_capacity;  //当前的内存能容纳多少个元素
    int *m_p;  //内存指针
private:
    static const int m_stepSize = 50;  //每次扩容的步长
};
Array::Array(){
    m_p = (int*)malloc( sizeof(int) * m_stepSize );
    m_capacity = m_stepSize;
    m_len = 0;
}
int Array::operator[](int index) const {
    if( index<0 || index>=m_len ){  //判断是否越界
        throw OutOfRange(m_len, index);  //抛出异常（创建一个匿名对象）
    }
    return *(m_p + index);
}
int Array::push(int ele){
    if(m_len >= m_capacity){  //如果容量不足就扩容
        m_capacity += m_stepSize;
        m_p = (int*)realloc( m_p, sizeof(int) * m_capacity );  //扩容
    }
    *(m_p + m_len) = ele;
    m_len++;
    return m_len-1;
}
int Array::pop(){
    if(m_len == 0){
         throw OutOfRange();  //抛出异常（创建一个匿名对象）
    }
    m_len--;
    return *(m_p + m_len);
}
//打印数组元素
void printArray(Array &arr){
    int len = arr.length();
    //判断数组是否为空
    if(len == 0){
        cout<<"Empty array! No elements to print."<<endl;
        return;
    }
    for(int i=0; i<len; i++){
        if(i == len-1){
            cout<<arr[i]<<endl;
        }else{
            cout<<arr[i]<<", ";
        }
    }
}
int main(){
    Array nums;
    //向数组中添加十个元素
    for(int i=0; i<10; i++){
        nums.push(i);
    }
    printArray(nums);
    //尝试访问第20个元素
    try{
        cout<<nums[20]<<endl;
    }catch(OutOfRange &e){
        e.what();
    }
    //尝试弹出20个元素
    try{
        for(int i=0; i<20; i++){
            nums.pop();
        }
    }catch(OutOfRange &e){
        e.what();
    }
    printArray(nums);
    return 0;
}

throw 关键字除了可以用在函数体中抛出异常，还可以用在函数头和函数体之间，指明当前函数能够抛出的异常类型，这称为异常规范（Exception specification），有些教程也称为异常指示符或异常列表。请看下面的例子： 

double func (char param) throw (int);

这条语句声明了一个名为 func 的函数，它的返回值类型为 double，有一个 char 类型的参数，并且只能抛出 int 类型的异常。如果抛出其他类型的异常，try 将无法捕获，只能终止程序。　　

如果函数会抛出多种类型的异常，那么可以用逗号隔开：　　

double func (char param) throw (int, char, exception);

如果函数不会抛出任何异常，那么( )中什么也不写：　　

double func (char param) throw ();

如此，func() 函数就不能抛出任何类型的异常了，即使抛出了，try 也检测不到。　　

虚函数中的异常规范：

C++ 规定，派生类虚函数的异常规范必须与基类虚函数的异常规范一样严格，或者更严格。只有这样，当通过基类指针（或者引用）调用派生类虚函数时，才能保证不违背基类成员函数的异常规范。请看下面的例子：

class Base{
public:
    virtual int fun1(int) throw();
    virtual int fun2(int) throw(int);
    virtual string fun3() throw(int, string);
};
class Derived:public Base{
public:
    int fun1(int) throw(int);   //错！异常规范不如 throw() 严格
    int fun2(int) throw(int);   //对！有相同的异常规范
    string fun3() throw(string);  //对！异常规范比 throw(int,string) 更严格
}

异常规范与函数定义和函数声明：　　

C++ 规定，异常规范在函数声明和函数定义中必须同时指明，并且要严格保持一致，不能更加严格或者更加宽松。  请看下面的几组函数：

//错！定义中有异常规范，声明中没有
void func1();
void func1() throw(int) { }
//错！定义和声明中的异常规范不一致
void func2() throw(int);
void func2() throw(int, bool) { }
//对！定义和声明中的异常规范严格一致
void func3() throw(float, char*);
void func3() throw(float, char*) { }

请抛弃异常规范，不要再使用它：　　

异常规范的初衷是好的，它希望让程序员看到函数的定义或声明后，立马就知道该函数会抛出什么类型的异常，这样程序员就可以使用 try-catch 来捕获了。如果没有异常规范，程序员必须阅读函数源码才能知道函数会抛出什么异常。  不过这有时候也不容易做到。例如，func_outer() 函数可能不会引发异常，但它调用了另外一个函数 func_inner()，这个函数可能会引发异常。再如，您编写的函数调用了老式的库函数，此时不会引发异常，但是库更新以后这个函数却引发了异常。总之，异常规范的初衷实现起来有点困难，所以大家达成的一致意见是，最好不要使用异常规范。  异常规范是 C++98 新增的一项功能，但是后来的 C++11 已经将它抛弃了，不再建议使用。

另外，各个编译器对异常规范的支持也不一样，请看下面的代码：

#include <iostream>
#include <string>
#include <exception>
using namespace std;
void func()throw(char*, exception){
    throw 100;
    cout<<"[1]This statement will not be executed."<<endl;
}
int main(){
    try{
        func();
    }catch(int){
        cout<<"Exception type: int"<<endl;
    }
    return 0;
}

• 在 GCC 下，这段代码运行到第 7 行时程序会崩溃。虽然 func() 函数中发生了异常，但是由于 throw 限制了函数只能抛出 char*、exception 类型的异常，所以 try-catch 将捕获不到异常，只能交给系统处理，终止程序。 
• 在 Visual C++ 下，输出结果为Exception type: int，这说明异常被成功捕获了。在 Visual C++ 中使用异常规范虽然没有语法错误，但是也没有任何效果，Visual C++ 会直接忽略异常规范的限制，函数可以抛出任何类型的异常。　　

 

 

 

 

 

C++语言本身或者标准库抛出的异常都是 exception 的子类，称为标准异常（Standard Exception）。你可以通过下面的语句来捕获所有的标准异常：

try{
    //可能抛出异常的语句
}catch(exception &e){
    //处理异常的语句
}

exception 类位于 <exception> 头文件中，它被声明为：　　

class exception{
public:
    exception () throw();  //构造函数
    exception (const exception&) throw();  //拷贝构造函数
    exception& operator= (const exception&) throw();  //运算符重载
    virtual ~exception() throw();  //虚析构函数
    virtual const char* what() const throw();  //虚函数
}

这里需要说明的是 what() 函数。what() 函数返回一个能识别异常的字符串，正如它的名字“what”一样，可以粗略地告诉你这是什么异常。不过C++标准并没有规定这个字符串的格式，各个编译器的实现也不同，所以 what() 的返回值仅供参考。

下图展示了 exception 类的继承层次：

exception 类的直接派生类： 

异常名称	说  明
logic_error	逻辑错误。
runtime_error	运行时错误。
bad_alloc	使用 new 或 new[ ] 分配内存失败时抛出的异常。
bad_typeid	使用 typeid 操作一个 NULL 指针，而且该指针是带有虚函数的类，这时抛出 bad_typeid 异常。
bad_cast	使用 dynamic_cast 转换失败时抛出的异常。
ios_base::failure	io 过程中出现的异常。
bad_exception	这是个特殊的异常，如果函数的异常列表里声明了 bad_exception 异常，当函数内部抛出了异常列表中没有的异常时，如果调用的 unexpected() 函数中抛出了异常，不论什么类型，都会被替换为 bad_exception 类型。

logic_error 的派生类：　　

异常名称	说  明
length_error	试图生成一个超出该类型最大长度的对象时抛出该异常，例如 vector 的 resize 操作。
domain_error	参数的值域错误，主要用在数学函数中，例如使用一个负值调用只能操作非负数的函数。
out_of_range	超出有效范围。
invalid_argument	参数不合适。在标准库中，当利用string对象构造 bitset 时，而 string 中的字符不是 0 或1 的时候，抛出该异常。

runtime_error 的派生类：　

异常名称	说  明
range_error	计算结果超出了有意义的值域范围。
overflow_error	算术计算上溢。
underflow_error	算术计算下溢。