学懂C++（七）： C++错误处理机制 -- 异常

目录

前言

一、C 语言传统的处理错误的方式

二、C++ 异常的概念

三、异常的使用

3.1 异常的抛出和匹配原则

3.2 在函数调用链中异常栈展开匹配原则

3.3 异常的重新抛出

3.4 异常规范

四、自定义异常体系

五、异常的优缺点

优点

缺点

结论

前言

        C++ 提供了一种优雅的错误处理机制——异常（Exceptions），这是 C++11 以来的重要特性之一。异常处理使得程序员能够有效地管理运行时错误，集中处理异常逻辑，从而提高代码的可读性和可维护性。本文将详细介绍 C++ 的异常处理机制，包括概念、使用、原则、自定义异常体系，以及它的优缺点。

一、C 语言传统的处理错误的方式

C 语言的错误处理相对简单，主要有以下几种方式：

1. 终止程序：通过 assert 等函数直接终止程序。这种方式的缺陷在于用户体验较差，尤其是对于非致命错误（如 I/O 错误）时，程序强制终止给用户带来困扰。

2. 返回错误码：许多 C 库通过返回错误码（如 errno）来指示操作是否成功。这种方式要求程序员在每次函数调用后都手动检查错误码，容易导致错误被忽略。

以下是一个示例，展示了通过返回错误码的方式处理错误：

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cerrno>

int main() {
    FILE* fout = fopen("file.txt", "r");
    
    if (!fout) {
        std::cout << "Error opening file: " << errno << std::endl;
        perror("fopen fail");
    }

    return 0;
}

二、C++ 异常的概念

C++ 的异常处理通过 throw、catch 和 try 关键字实现。异常提供了一种机制，当函数遇到它无法处理的错误时，可以抛出异常，让调用者处理。

• throw：用于抛出异常的关键字。
• catch：用于捕获异常并进行处理。
• try：标记可能抛出异常的代码块，其后通常跟随一个或多个 catch 块。

  try {
      // 可能抛出异常的代码
  } catch (const std::exception& e) {
      // 处理异常
  }
  

三、异常的使用

3.1 异常的抛出和匹配原则

• 类型匹配：抛出的异常类型和捕获的类型必须严格一致。否则，捕获将失败，程序将继续寻找其他匹配的 catch 块。

  try {
      throw "Error occurred"; // 抛出字符串
  } catch (int e) { // 类型不匹配
      // 不会被执行
  } catch (const char* e) {
      std::cout << e << std::endl; // 会被执行
  }
  

• 就近原则：调用链中最接近 throw 语句的 catch 块会被优先匹配。

  void Func() {
      try {
          throw "Error"; // 抛出异常
      } catch (const char* e) {
          std::cout << e << std::endl; // 最近的catch
      }
  }
  

• 通配符捕获：使用 catch(...) 可以捕获任何类型的异常，通常作为最后的手段。

  try {
      throw 10; // 抛出整型异常
  } catch (...) { // 捕获所有异常
      std::cout << "Unknown exception" << std::endl;
  }
  

• 拷贝对象：抛出的异常对象会自动生成拷贝，原对象的生命周期结束后，拷贝仍然存在于 catch 块中。

• 基类捕获子类：可以通过基类捕获派生类对象，这在实际应用中非常方便且常见。

  class BaseException {};
  class DerivedException : public BaseException {};
  
  try {
      throw DerivedException(); // 抛出派生类异常
  } catch (BaseException& e) { // 捕获基类异常
      std::cout << "Caught a base exception!" << std::endl;
  }
  

3.2 在函数调用链中异常栈展开匹配原则

1. 从 throw 开始查找：检查 throw 是否在 try 块内，若是则查找对应的 catch。

2. 沿调用链查找：若没有匹配的 catch，则退回到调用当前函数的函数中继续查找。

3. 终止程序：若到达 main 函数仍未找到匹配的 catch，程序将终止，并可能触发终止处理程序。

4. 继续执行：找到匹配的 catch 后，处理完异常后会继续执行 catch 块后面的代码。

3.3 异常的重新抛出

在异常处理后，可能需要重新抛出异常以便上层处理。这通常用于清理资源的操作，有效避免内存泄漏。

void Func() {
    int* array = new int[10]; // 动态分配内存
    try {
        // 可能抛出异常的代码
    } catch (...) {
        // 处理异常
        delete[] array; // 释放资源
        throw; // 重新抛出异常
    }
}

3.4 异常规范

• 异常说明：函数后面可以使用 throw 指定可能抛出的异常类型，这在函数文档中非常有用。

• 不抛异常：通过 throw() 声明，表示函数不抛出任何异常。

• C++11 noexcept 关键字：表示该函数不会抛出异常，使用时可以提高性能。

  void func() throw(A, B); // 可能抛出 A 或 B
  void func() noexcept; // 不抛出异常
  

四、自定义异常体系

在大型项目中，通常会建立一套自定义的异常体系以规范异常管理。通过继承异常基类，可以方便地捕获和处理异常，增强代码的可读性与可维护性。

class MyException : public std::exception {
public:
    const char* what() const noexcept override {
        return "My custom exception occurred";
    }
};

使用自定义异常类可以提供更丰富的错误信息，并且有助于明确区分不同类型的错误。

五、异常的优缺点

优点

1. 清晰的错误处理：异常对象可以包含丰富的错误信息，帮助定位和解决问题。

2. 集中处理：通过 try-catch 块，可以在一个位置集中处理所有相关的错误，而不需要在每个函数中检查返回值。

3. 资源安全：通过 RAII（资源获取即初始化）结合异常处理，可以有效避免资源泄漏和内存管理问题。

缺点

1. 控制流复杂：异常会导致程序的执行流跳转，这可能使得代码逻辑难以跟踪，调试变得困难。

2. 性能开销：异常处理可能带来一定的性能开销，尤其是在异常频繁发生时。

3. 资源管理问题：C++ 不会自动回收资源，必须使用 RAII 原则以避免内存泄漏等问题，增加了学习成本。

结论

        C++ 的异常处理机制为程序员提供了一种灵活、强大的方式来处理错误。合理利用异常处理，可以显著提高代码的可维护性和可靠性。尽管使用不当可能引入复杂性，但通过良好的设计和实践，可以有效管理异常，确保程序的稳定性。在实际开发中，建议结合自定义异常体系和 RAII 原则，以确保资源的正确管理和错误的及时处理。通过掌握 C++ 的异常处理，你将能够编写出更加健壮的代码，提升软件的质量。