【C++】异常

前言

C++是一门面向对象的语言，和面向过程的C语言有很多不一样的，其中这两种语言对程序错误的处理方式就不一样，通常面向对象是通过抛异常的方式来处理错误，而C语言则是通过返回错误码的方式。

1. C语言处理错误的方式

传统处理错误的机制：

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。
返回错误码，缺陷：需要程序员自己去查找对应的错误。如系统的很多库的接口函数都是通过把错误码放到errno中表示错误，实际中C语言基本都是使用返回错误码的方式处理错误，部分情况下使用终止程序处理非常严重的错误。

打印一下错误码：

int main()
{
	for (size_t i = 0; i < 10; i++)
	{
		cout << strerror(i) << endl;
	}

	return 0;
}

strerror 错误报告函数，返回错误码所对应的信息。

2. C++异常的引入

2.1 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。

C++提供了三个关键字：throw，try，catch。

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。
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。
try： try 块中的代码标识将被激活的特定异常，它后面通常跟着一个或多个catch 块。

——————————

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。

例子：

我们知道在计算除法的时候是不允许出现除0的操作的，没有抛异常的程序会直接终止掉程序：

我们用C++中抛异常的方法：

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);
}

int main()
{
	try
	{
		int a = 0, b = 0;
		cin >> a >> b;
		cout << Division(a, b) << endl;
	}
	catch (const char* str)
	{
		cout << str << endl;
	}

	return 0;
}

如图所示，抛异常可以准确地知道具体错误的原因（通过人为控制描述），不用再看错误码再去查了，同时也不会直接终止程序。

2.2 异常的抛出和捕获的规则：

异常的抛出和匹配原则：

异常是通过抛出对象而引发的，该对象的类型决定了应该激活哪个catch的处理代码。
被选中的处理代码是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。
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抛出一个临时对象，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）
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。
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。

在函数调用链中异常栈展开匹配原则：

首先检查throw本身是否在try块内部，如果是在，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。
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。
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。
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。

double Division(int a, int b)
{
	try
	{
		//当b == 0时抛出异常
		if (b == 0)
			throw "Division by zero condition!";
		else
			return ((double)a / (double)b);
	}
	catch (double b)
	{
		cout << b << endl;
		cout << "Division(int a, int b)中捕获" << endl;
	}
	
}

void func()
{
	try
	{
		int a = 0, b = 0;
		cin >> a >> b;
		cout << Division(a, b) << endl;
	}
	catch (const int a)
	{
		cout << a << endl;
		cout << "func()中捕获" << endl;
	}
}

int main()
{
	try
	{
		func();
	}
	catch (const char* str)
	{
		cout << str << endl;
		cout << "main()中捕获" << endl;
	}

	return 0;
}

异常栈展开：

3. 异常的重新抛出

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。

class SeedMsg
{
public:
	SeedMsg(const string& str, size_t id)
		: _errmsg(str)
		, _id(id)
	{}

	string& what() 
	{
		return _errmsg;
	}

	size_t gteid()
	{
		return _id;
	}
private:
	string _errmsg;
	size_t _id;
};

void func1()
{
	throw SeedMsg("发送失败！", 1);
}

void func2()
{
	try
	{
		func1();
	}
	catch (SeedMsg& e)
	{
		cout << e.gteid() << "号错误" << endl;
		
		throw e;//异常重新抛出
	}
}

int main()
{
	try
	{
		func2();
	}
	catch (SeedMsg& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

4. C++异常规范说明

4.1 C++标准库异常规范：

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。

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。

虽然说C++中throw抛异常可以抛任意类型的异常，但是抛一些字符串或者是一些数字的话是非常挫的一种写法，规范是抛一个对象，用它的父类的引用来捕获。

用到了继承当中向上转型（切片）的特性
同时还可以用到多态
- 将函数设成虚函数
- 父类的指针或者引用，指向谁调用谁

语法规范：

异常规格说明的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。
函数的后面接throw()，表示函数不抛异常。
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 (std::size_t size, void* ptr) throw();

C++11新增的语法说明：

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

4.2 自定义异常体系：

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

5. 异常安全

先看一段代码：

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()
{
	int* array = new int[1024 * 1024 * 100];

	int a, b;
	a = rand();
	b = rand() % 2;

	cout << Division(a, b) << endl;
	delete array;
}

int main()
{
	srand(time(0));
	while (1)
	{
		::Sleep(1000);
		try
		{
			func();
		}
		catch (const char* str)
		{
			cout << str << endl;
		}
		catch (exception& e)
		{
			cout << e.what() << endl;
		}
	}
	return 0;
}

这个程序看似没问题，实则存在内存泄露的问题！

优化改正版本：

这里拦截异常，就算是抛了除0的异常，也会将空间释放掉，直接拦截异常再操作（释放空间），再将拦截到的异常抛出具体下面捕获处理。

6. 异常的优缺点

异常的优点：

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。

抛异常相比如错误码效率高

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
异常是直接跳到捕获来处理

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。

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。

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异常的缺点：

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。
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。
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。
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。
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。

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