【C++学习笔记】C++异常

文章目录

• C++异常处理入门，C++ try catch入门
• • 捕获异常
  • 发生异常的位置
  
  
• C++异常类型以及多级catch匹配
• • 多级 catch
  • catch 在匹配过程中的类型转换
  
  
• C++ throw（抛出异常）详解
• • 一个动态数组的例子
  • throw 用作异常规范
  • • • 1) 虚函数中的异常规范
      • 2) 异常规范与函数定义和函数声明
      
      
    
    
  • 请抛弃异常规范，不要再使用它
  
  
• C++ exception类：C++标准异常的基类

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和思维训练，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。

专家指出，长期作息不规律 + 用脑过度的危害很大，可能会诱发神经衰弱、失眠等疾病。我就是受害者之一，曾被失眠困扰了好几年，不但入睡困难，还容易早醒。程序员要注意劳逸结合，多去健身房，多跑步，多打球，多陪女朋友旅游等，千万不要熬夜，以为深夜写代码效率高，这样会透支年轻的身体。

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：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

运行时错误如果放任不管，系统就会执行默认的操作，终止程序运行，也就是我们常说的程序崩溃（Crash）。C++ 提供了异常（Exception）机制，让我们能够捕获运行时错误，给程序一次“起死回生”的机会，或者至少告诉用户发生了什么再终止程序。

【例1】一个发生运行时错误的程序：

#include
#include
using namespace std;
int main(){
string str = "http://c.biancheng.net";
char ch1 = str[100]; //下标越界，ch1为垃圾值
cout< char ch2 = str.at(100); //下标越界，抛出异常
cout< return 0;
}


运行代码，在控制台输出 ch1 的值后程序崩溃。下面我们来分析一下原因。

at() 是 string 类的一个成员函数，它会根据下标来返回字符串的一个字符。与[ ]不同，at() 会检查下标是否越界，如果越界就抛出一个异常；而[ ]不做检查，不管下标是多少都会照常访问。

所谓抛出异常，就是报告一个运行时错误，程序员可以根据错误信息来进一步处理。

上面的代码中，下标 100 显然超出了字符串 str 的长度。由于第 6 行代码不会检查下标越界，虽然有逻辑错误，但是程序能够正常运行。而第 8 行代码则不同，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。

捕获异常

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
}

try和catch都是 C++ 中的关键字，后跟语句块，不能省略{ }。try 中包含可能会抛出异常的语句，一旦有异常抛出就会被后面的 catch 捕获。从 try 的意思可以看出，它只是“检测”语句块有没有异常，如果没有发生异常，它就“检测”不到。catch 是“抓住”的意思，用来捕获并处理 try 检测到的异常；如果 try 语句块没有检测到异常（没有异常抛出），那么就不会执行 catch 中的语句。

这就好比，catch 告诉 try：你去检测一下程序有没有错误，有错误的话就告诉我，我来处理，没有的话就不要理我！

catch 关键字后面的exceptionType variable指明了当前 catch 可以处理的异常类型，以及具体的出错信息。我们稍后再对异常类型展开讲解，当务之急是演示一下 try-catch 的用法，先让读者有一个整体上的认识。

【例2】修改上面的代码，加入捕获异常的语句：

#include
#include
#include
using namespace std;
int main(){
string str = "http://c.biancheng.net";

try{
char ch1 = str[100];
cout< }catch(exception e){
cout<<"[1]out of bound!"< }
try{
char ch2 = str.at(100);
cout< }catch(exception &e){ //exception类位于头文件中
cout<<"[2]out of bound!"< }
return 0;
}


运行结果：
(
[2]out of bound!

可以看出，第一个 try 没有捕获到异常，输出了一个没有意义的字符（垃圾值）。因为[ ]不会检查下标越界，不会抛出异常，所以即使有错误，try 也检测不到。换句话说，发生异常时必须将异常明确地抛出，try 才能检测到；如果不抛出来，即使有异常 try 也检测不到。所谓抛出异常，就是明确地告诉程序发生了什么错误。

第二个 try 检测到了异常，并交给 catch 处理，执行 catch 中的语句。需要说明的是，异常一旦抛出，会立刻被 try 检测到，并且不会再执行异常点（异常发生位置）后面的语句。本例中抛出异常的位置是第 17 行的 at() 函数，它后面的 cout 语句就不会再被执行，所以看不到它的输出。

说得直接一点，检测到异常后程序的执行流会发生跳转，从异常点跳转到 catch 所在的位置，位于异常点之后的、并且在当前 try 块内的语句就都不会再执行了；即使 catch 语句成功地处理了错误，程序的执行流也不会再回退到异常点，所以这些语句永远都没有执行的机会了。本例中，第 18 行代码就是被跳过的代码。

执行完 catch 块所包含的代码后，程序会继续执行 catch 块后面的代码，就恢复了正常的执行流。

为了演示「不明确地抛出异常就检测不到异常」，大家不妨将第 10 行代码改为char ch1 = str[100000000];，访问第 100 个字符可能不会发生异常，但是访问第 1 亿个字符肯定会发生异常了，这个异常就是内存访问错误。运行更改后的程序，会发现第 10 行代码产生了异常，导致程序崩溃了，这说明 try-catch 并没有捕获到这个异常。

关于「如何抛出异常」，我们将在下节讲解，这里重点是让大家明白异常的处理流程：

抛出（Throw）–> 检测（Try） --> 捕获（Catch）

发生异常的位置

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。

1. 下面的例子演示了 try 块中直接发生的异常：

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


运行结果：
Unknown Exception

throw关键字用来抛出一个异常，这个异常会被 try 检测到，进而被 catch 捕获。关于 throw 的用法，我们将在下节深入讲解，这里大家只需要知道，在 try 块中直接抛出的异常会被 try 检测到。

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


运行结果：
Unknown Exception

func() 在 try 块中被调用，它抛出的异常会被 try 检测到，进而被 catch 捕获。从运行结果可以看出，func() 中的 cout 和 try 中的 cout 都没有被执行。

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


运行结果：
Unknown Exception

发生异常后，程序的执行流会沿着函数的调用链往前回退，直到遇见 try 才停止。在这个回退过程中，调用链中剩下的代码（所有函数中未被执行的代码）都会被跳过，没有执行的机会了。

首先来回顾一下上节讲到的 try-catch 的用法：

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

我们还遗留下一个问题，就是 catch 关键字后边的exceptionType variable，这节就来详细分析一下。

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。

多级 catch

前面的例子中，一个 try 对应一个 catch，这只是最简单的形式。其实，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。

下面的例子演示了多级 catch 的使用：

#include
#include
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."< }catch(int){
cout<<"Exception type: int"< }catch(char *){
cout<<"Exception type: cahr *"< }catch(Base){ //匹配成功（向上转型）
cout<<"Exception type: Base"< }catch(Derived){
cout<<"Exception type: Derived"< }
return 0;
}


运行结果：
Exception type: Base

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。

本例中，我们定义了一个基类 Base，又从 Base 派生类出了 Derived。抛出异常时，我们创建了一个 Derived 类的匿名对象，也就是说，异常的类型是 Derived。

我们期望的是，异常被catch(Derived)捕获，但是从输出结果可以看出，异常提前被catch(Base)捕获了，这说明 catch 在匹配异常类型时发生了向上转型（Upcasting）。

catch 在匹配过程中的类型转换

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，请猛击《C++向上转型（将派生类赋值给基类）》了解详情。
• 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。

向上转型在上面的例子中已经发生了，下面的例子演示了 const 转换以及数组和指针的转换：

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


运行结果：
Exception type: const int *

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 *。

数组也是一种类型，数组并不等价于指针，这点已在《数组和指针绝不等价，数组是另外一种类型》和《数组到底在什么时候会转换为指针》中进行了详细讲解。

在《C++异常处理》一节中，我们讲到了 C++ 异常处理的流程，具体为：

抛出（Throw）–> 检测（Try） --> 捕获（Catch）

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://c.biancheng.net";
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

C/C++ 规定，数组一旦定义后，它的长度就不能改变了；换句话说，数组容量不能动态地增大或者减小。这样的数组称为静态数组（Static array）。静态数组有时候会给编码代码不便，我们可以通过自定义的 Array 类来实现动态数组（Dynamic array）。所谓动态数组，是指数组容量能够在使用的过程中随时增大或减小。

下面这段代码虽然有点长，但它是一个典型的使用异常的场景，请大家耐心阅读。

#include
#include
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."< }else if(m_flag == 2){
cout<<"Error: out of range( array length "< }else{
cout<<"Unknown exception."< }
}
//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."< return;
}
for(int i=0; i if(i == len-1){
cout<

运行结果：
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
Error: out of range( array length 10, access index 20 )
Error: empty array, no elements to pop.
Empty array! No elements to print.

Array 类实现了动态数组，它的主要思路是：在创建对象时预先分配出一定长度的内存（通过 malloc() 分配），内存不够用时就再扩展内存（通过 realloc() 重新分配）。Array 数组只能在尾部一个一个地插入（通过 push() 插入）或删除（通过 pop() 删除）元素。

我们通过重载过的[ ]运算符来访问数组元素，如果下标过小或过大，就会抛出异常（第53行代码）；在抛出异常的同时，我们还记录了当前数组的长度和要访问的下标。

在使用 pop() 删除数组元素时，如果当前数组为空，也会抛出错误。