Java基础 -- 深入理解Java异常机制

异常指不期而至的各种状况，如：文件找不到、网络连接失败、非法参数等。异常是一个事件，它发生在程序运行期间，干扰了正常的指令流程。Java通过API中Throwable类的众多子类描述各种不同的异常。因而，Java异常都是对象，是Throwable子类的实例，描述了出现在一段编码中的错误条件。当条件生成时，错误将引发异常。

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一异常分类

Java异常类层次结构图：

在 Java 中，所有的异常都有一个共同的祖先 Throwable（可抛出）。Throwable 指定代码中可用异常传播机制通过 Java 应用程序传输的任何问题的共性。

1、Throwable：有两个重要的子类：Exception和 Error二者都是 Java 异常处理的重要子类，各自都包含大量子类。

Error：是程序无法处理的错误，表示运行应用程序中较严重问题。大多数错误与代码编写者执行的操作无关，而表示代码运行时 JVM（Java 虚拟机）出现的问题。例如，Java虚拟机运行错误（Virtual MachineError），当 JVM 不再有继续执行操作所需的内存资源时，将出现 OutOfMemoryError。这些异常发生时，Java虚拟机（JVM）一般会选择线程终止。
Exception：是程序本身可以处理的异常。Exception 类有一个重要的子类 RuntimeException。RuntimeException 类及其子类表示“JVM 常用操作”引发的错误。例如，若试图使用空值对象引用、除数为零或数组越界，则分别引发运行时异常（NullPointerException、ArithmeticException）和 ArrayIndexOutOfBoundException。

注意：异常和错误的区别：异常能被程序本身可以处理，错误是无法处理。

2、通常，Java的异常分为可查的异常（checked exceptions）和不可查的异常（unchecked exceptions）。

可查异常（编译器要求必须处置的异常）：除了RuntimeException及其子类以外，其他的Exception类及其子类都属于可查异常。Java编译器要求对检查异常必须捕获或抛出，代码逻辑没有错误，但程序运行时会因为IO等错误导致异常，你在编写程序阶段是预料不到的。如果不处理这些异常，程序将来可能会出错。所以编译器会提示你要去捕获并处理这种可能发生的异常，不处理就不能通过编译。

不可查异常(编译器不要求强制处置的异常)：包括运行时异常（RuntimeException与其子类）和错误（Error）。Java编译器不要求对不可查异常一定捕获或抛出，可以不做处理，此类异常通常是在逻辑上有错误，可以通过修改代码避免。

3、Exception 又可分两大类：运行时异常和非运行时异常(编译异常)，程序中应当尽可能去处理这些异常。

运行时异常（比不可查异常少了Error）：都是RuntimeException类及其子类异常，如NullPointerException(空指针异常)、IndexOutOfBoundsException(下标越界异常)等，这些异常是不可查异常，程序中可以选择捕获处理，也可以不处理。这些异常一般是由程序逻辑错误引起的，程序应该从逻辑角度尽可能避免这类异常的发生。

运行时异常的特点是Java编译器不会检查它，也就是说，当程序中可能出现这类异常，即使没有用try-catch语句捕获它，也没有用throws子句声明抛出它，也会编译通过。

非运行时异常（编译器要求必须处置的异常，也就是可查类型）：是RuntimeException以外的异常，类型上都属于Exception类及其子类。从程序语法角度讲是必须进行处理的异常，如果不处理，程序就不能编译通过。如IOException、SQLException等以及用户自定义的Exception异常，一般情况下不自定义检查异常。

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二异常处理机制

在 Java 应用程序中，异常处理机制为：抛出异常，捕捉异常。

抛出异常：当一个方法出现错误引发异常时，方法创建异常对象并交付运行时系统，异常对象中包含了异常类型和异常出现时的程序状态等异常信息。运行时系统负责寻找处置异常的代码并执行。
捕获异常：在方法抛出异常之后，运行时系统将转为寻找合适的异常处理器（exception handler）。潜在的异常处理器是异常发生时依次存留在调用栈中的方法的集合。当异常处理器所能处理的异常类型与方法抛出的异常类型相符时，即为合适的异常处理器。运行时系统从发生异常的方法开始，依次回查调用栈中的方法，直至找到含有合适异常处理器的方法并执行。当运行时系统遍历调用栈而未找到合适的异常处理器，则运行时系统终止。同时，意味着Java程序的终止。

对于不可查异常(RuntimeException、Error)或可查异常(除了RuntimeException及其子类以外，其他的Exception类及其子类)，Java技术所要求的异常处理方式有所不同。

RuntimeException异常：由于RuntimeException异常的不可查性，为了更合理、更容易地实现应用程序，Java规定，运行时异常将由Java运行时系统自动抛出，允许应用程序忽略运行时异常。
Error：对于方法运行中可能出现的Error，当运行方法不欲捕捉时，Java允许该方法不做任何抛出声明。因为，大多数Error异常属于永远不能被允许发生的状况，也属于合理的应用程序不该捕捉的异常。
除了RuntimeException及其子类以外，其他的Exception类及其子类：对于所有的可查异常，Java规定：一个方法必须捕捉，或者声明抛出方法（也就是说，当一个方法选择不捕捉可查异常时，它必须声明将抛出异常）。

能够捕捉异常的方法，需要提供相符类型的异常处理器。所捕捉的异常，可能是由于自身语句所引发并抛出的异常，也可能是由某个调用的方法或者Java运行时系统等抛出的异常。也就是说，一个方法所能捕捉的异常，一定是Java代码在某处所抛出的异常。简单地说，异常总是先被抛出，后被捕捉的。
任何Java代码都可以抛出异常，如：自己编写的代码、来自Java开发环境包中代码，或者Java运行时系统。无论是谁，都可以通过Java的throw语句抛出异常。
从方法中抛出的任何异常都必须使用throws子句。
捕捉异常通过try-catch语句或者try-catch-finally语句实现。
总体来说，Java规定：对于可查异常必须捕捉、或者声明抛出。允许忽略不可查的RuntimeException和Error。

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三 try-catch语句

在Java中，异常通过try-catch语句捕获，其一般语法形式为：

try {
    // 可能会发生异常的程序代码
} catch (Type1 id1){
    // 捕获并处置try抛出的异常类型Type1
}
catch (Type2 id2){
     //捕获并处置try抛出的异常类型Type2
}

关键字try后的一对大括号将一块可能发生异常的代码包起来，称为监控区域(guarded region)。Java方法在运行过程中出现异常，则创建异常对象。将异常抛出监控区域之外，Java异常处理机制将负责搜寻参数与异常类型相匹配的第一个处理程序。若有匹配的catch子句，则运行其异常处理代码，try-catch语句结束。

匹配的原则是：如果抛出的异常对象属于catch子句的异常类，或者属于该异常类的子类，则认为生成的异常对象与catch块捕获的异常类型相匹配。

1、捕捉throw语句抛出的“除数为0”异常

public class TestException1 {
     
    public static void main(String[] args) {
        int a = 6;
        int b = 0;
        try { // try监控区域
             
            if (b == 0) 
                throw new ArithmeticException();  // 通过throw语句抛出异常
            System.out.println("a/b的值是：" + a / b);
        }
        catch (ArithmeticException e) {           // catch捕捉异常
            System.out.println("程序出现异常，变量b不能为0。");
        }
        System.out.println("程序正常结束。");
    }
     
}

输出：

1 2	`程序出现异常，变量b不能为0。` `程序正常结束。`

上例中在try监控区域通过if语句进行判断，当“除数为0”的错误条件成立时引发ArithmeticException异常，创建 ArithmeticException异常对象，并由throw语句将异常抛给Java运行时系统，由系统寻找匹配的异常处理器catch并运行相应异常处理代码。
事实上，“除数为0”等ArithmeticException异常，是RuntimException的子类。而运行时异常将由运行时系统自动抛出，不需要使用throw语句。

2、捕捉运行时系统自动抛出“除数为0”引发的ArithmeticException异常

public class TestException1 {
     
    public static void main(String[] args) {
        int a = 6;
        int b = 0;
        try { // try监控区域        
            System.out.println("a/b的值是：" + a / b);
        }
        catch (ArithmeticException e) {           // catch捕捉异常
            System.out.println("程序出现异常，变量b不能为0。");
        }
        System.out.println("程序正常结束。");
    }
     
}

输出结果：

1 2	`程序出现异常，变量b不能为0。` `程序正常结束。`

上例中System.out.println("a/b的值是：" + a/b)语句，在运行中出现“除数为0”错误，引发ArithmeticException异常。运行时系统创建异常对象并抛出监控区域，转而匹配合适的异常处理器catch，并执行相应的异常处理代码。
由于检查运行时异常的代价远大于捕捉异常所带来的益处，运行时异常不可查。Java编译器允许忽略运行时异常，一个方法可以既不捕捉，也不声明抛出运行时异常。

3、不捕捉、也不声明抛出运行时异常

public class TestException {
    public static void main(String[] args) {
        int a, b;
        a = 6;
        b = 0; // 除数b 的值为0
        System.out.println(a / b);
    }
}

输出结果：

1 2	`Exception in thread` `"main"` `java.lang.ArithmeticException: / by zero` `at Test.TestException.main(TestException.java:8)`

4、程序可能存在除数为0异常和数组下标越界异常

public class TestException2 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] intArray = new int[3] ;
        try {
            for(int i=0;i <= intArray.length; i++) {
                intArray[i] = i;
                System.out.println("intArray[" + i + "] = " + intArray[i]);
                System.out.println("intArray[" + i + "]  / " + (i-2) + " = "  + intArray[i] / (i-2));
            }
        }catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
            System.out.println("intArray数组下表越界异常。");
        }catch(ArithmeticException e) {
            System.out.println("除数为0异常。");
        }
        System.out.println("程序正常结束");
    }
}

输出结果：

intArray[0] = 0
intArray[0]  / -2 = 0
intArray[1] = 1
intArray[1]  / -1 = -1
intArray[2] = 2
除数为0异常。
程序正常结束

程序可能会出现除数为0异常，还可能会出现数组下标越界异常。程序运行过程中ArithmeticException异常类型是先行匹配的，因此执行相匹配的catch语句：

catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
            System.out.println("intArray数组下表越界异常。");
        }

需要注意的是，一旦某个catch捕获到匹配的异常类型，将进入异常处理代码，一旦处理结束就意味着整个try-catch语句结束，其他的catch子句不再有匹配和捕获异常类型的机会。

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四 try－catch-finally语句

try-catch语句还可以包括第三部分，就是finally子句。它表示无论是否出现异常，都应当执行的内容。try-catch-finally语句的一般语法形式为：

  try {
    // 可能会发生异常的程序代码
} catch (Type1 id1) {
    // 捕获并处理try抛出的异常类型Type1
} catch (Type2 id2) {
    // 捕获并处理try抛出的异常类型Type2
} finally {
    // 无论是否发生异常，都将执行的语句块
}

1、带finally子句的异常处理程序

public class TestException3 {
     
    public static void main(String args[]) {
        int i = 0;
        String[] greetings = { 
                " Hello world !", 
                " Hello World !! ",
                " HELLO WORLD !!!"
                };
        while (i < 4) {
            try {
                // 特别注意循环控制变量i的设计，避免造成无限循环
                System.out.println(greetings[i++]);
                 
            } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
                System.out.println("数组下标越界异常");
                 
            } finally {
                System.out.println("--------------------------");
            }
        }
    }
}

输出如下：

Hello world !
--------------------------
 Hello World !! 
--------------------------
 HELLO WORLD !!!
--------------------------
数组下标越界异常
--------------------------

小结：

1、try 块：用于捕获异常。其后可接零个或多个catch块，如果没有catch块，则必须跟一个finally块；

2、catch 块：用于处理try捕获到的异常；

3、finally 块：无论是否捕获或处理异常，finally块里的语句都会被执行。当在try块或catch块中遇到return语句时，finally语句块将在方法返回之前被执行。在以下4种特殊情况下，finally块不会被执行：

在finally语句块中发生了异常；
在前面的代码中用了System.exit()退出程序；
程序所在的线程死亡；
关闭CPU；

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五 try-catch-finally 规则(异常处理语句的语法规则）

必须在 try 之后添加 catch 或 finally 块。try 块后可同时接 catch 和 finally 块，但至少有一个块；
必须遵循块顺序：若代码同时使用 catch 和 finally 块，则必须将 catch 块放在 try 块之后；
catch 块与相应的异常类的类型相关；
一个 try 块可能有多个 catch 块。若如此，则执行第一个匹配块。即Java虚拟机会把实际抛出的异常对象依次和各个catch代码块声明的异常类型匹配，如果异常对象为某个异常类型或其子类的实例，就执行这个catch代码块，不会再执行其他的 catch代码块；
可嵌套 try-catch-finally 结构；
在 try-catch-finally 结构中，可重新抛出异常；
除了下列情况，总将执行 finally 做为结束：JVM 过早终止（调用 System.exit(int)）；在 finally 块中抛出一个未处理的异常；计算机断电、失火、或遭遇病毒攻击；

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六 try、catch、finally语句块的执行顺序

当try没有捕获到异常时：try语句块中的语句逐一被执行，程序将跳过catch语句块，执行finally语句块和其后的语句；
当try捕获到异常，catch语句块里没有处理此异常的情况：当try语句块里的某条语句出现异常时，而没有处理此异常的catch语句块时，此异常将会抛给JVM处理，finally语句块里的语句还是会被执行，但finally语句块后的语句不会被执行；
当try捕获到异常，catch语句块里有处理此异常的情况：在try语句块中是按照顺序来执行的，当执行到某一条语句出现异常时，程序将跳到catch语句块，并与catch语句块逐一匹配，找到与之对应的处理程序，其他的catch语句块将不会被执行，而try语句块中，出现异常之后的语句也不会被执行，catch语句块执行完后，执行finally语句块里的语句，最后执行finally语句块后的语句；

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七抛出异常

任何Java代码都可以抛出异常，如：自己编写的代码、来自Java开发环境包中代码，或者Java运行时系统。无论是谁，都可以通过Java的throw语句抛出异常。从方法中抛出的任何异常都必须使用throws子句。

1. throws抛出异常

如果一个方法可能会出现异常，但没有能力处理这种异常，可以在方法声明处用throws子句来声明抛出异常。例如汽车在运行时可能会出现故障，汽车本身没办法处理这个故障，那就让开车的人来处理。

throws语句用在方法定义时声明该方法要抛出的异常类型，如果抛出的是Exception异常类型，则该方法被声明为抛出所有的异常。多个异常可使用逗号分割。throws语句的语法格式为：

methodname throws Exception1,Exception2,..,ExceptionN
{
}

方法名后的throws Exception1,Exception2,...,ExceptionN 为声明要抛出的异常列表。当方法抛出异常列表的异常时，方法将不对这些类型及其子类类型的异常作处理，而抛向调用该方法的方法，由他去处理。例如：

public class TestException4 {
    static void pop() throws NegativeArraySizeException {
         
        // 定义方法并抛出NegativeArraySizeException异常
        int[] arr = new int[-3]; // 创建数组
    }
  
    public static void main(String[] args) { 
        try { // try语句处理异常信息
             
            pop(); // 调用pop()方法
             
        } catch (NegativeArraySizeException e) {
             
            System.out.println("pop()方法抛出的异常！");// 输出异常信息
             
        }
    }
}

输出：

1	`pop()方法抛出的异常`

使用throws关键字将异常抛给调用者后，如果调用者不想处理该异常，可以继续向上抛出，但最终要有能够处理该异常的调用者。
pop方法没有处理异常NegativeArraySizeException，而是由main函数来处理。

Throws抛出异常的规则：

如果是不可查异常（unchecked exception），即Error、RuntimeException或它们的子类，那么可以不使用throws关键字来声明要抛出的异常，编译仍能顺利通过，但在运行时会被系统抛出；
如果是任何可查异常（checked exception），必须进行声明处理。即如果一个方法可能出现可查异常，要么用try-catch语句捕获，要么用throws子句声明将它抛出，否则会导致编译错误；
仅当抛出了异常，该方法的调用者才必须处理或者重新抛出该异常。当方法的调用者无力处理该异常的时候，应该继续抛出，而不是囫囵吞枣；
调用方法必须遵循任何可查异常的处理和声明规则。若覆盖一个方法，则不能声明与覆盖方法不同的异常。声明的任何异常必须是被覆盖方法所声明异常的同类或子类；

例如：

void method1() throws IOException{}  //合法  
  
//编译错误，必须捕获或声明抛出IOException  
void method2(){  
  method1();  
}  
  
//合法，声明抛出IOException  
void method3()throws IOException {  
  method1();  
}  
  
//合法，声明抛出Exception，IOException是Exception的子类  
void method4()throws Exception {  
  method1();  
}  
  
//合法，捕获IOException  
void method5(){  
 try{  
    method1();  
 }catch(IOException e){…}  
}  
  
//编译错误，必须捕获或声明抛出Exception  
void method6(){  
  try{  
    method1();  
  }catch(IOException e){throw new Exception();}  
}  
  
//合法，声明抛出Exception  
void method7()throws Exception{  
 try{  
  method1();  
 }catch(IOException e){throw new Exception();}  
} 

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