C++異常處理

引言

異常，讓一個函數可以在發現自己無法處理的錯誤時拋出一個異常，希望它的調用者可以直接或者間接處理這個問題。而傳統錯誤處理技術，檢查到一個局部無法處理的問題時:

1.終止程式(例如atol,atoi,輸入NULL，會產生段錯誤，導致程式異常退出,如果沒有core檔案，找問題的人一定會發瘋)

2.返回一個表示錯誤的值(很多系統函數都是這樣，例如malloc，記憶體不足，分配失敗，返回NULL指標)

3.返回一個合法值，讓程式處於某種非法的狀態(最坑爹的東西，有些第三方庫真會這樣)

4.調用一個預先準備好在出現"錯誤"的情況下用的函數。

第一種情況是不允許的，無條件終止程式的庫無法運用到不能當機的程式裡。第二種情況，比較常用，但是有時不合適，例如返回錯誤碼是int，每個調用都要檢查錯誤值，極不方便，也容易讓程式規模加倍(但是要精確控制邏輯，我覺得這種方式不錯)。第三種情況，很容易誤導調用者，萬一調用者沒有去檢查全域變數errno或者通過其他方式檢查錯誤，那是一個災難，而且這種方式在並發的情況下不能很好工作。至於第四種情況，本人覺得比較少用，而且回調的代碼不該多出現。

使用異常，就把錯誤和處理分開來，由庫函數拋出異常，由調用者捕獲這個異常，調用者就可以知道程式函數庫調用出現錯誤了，並去處理，而是否終止程式就把握在調用者手裡了。

但是，錯誤的處理依然是一件很困難的事情，C++的異常機製為程式員提供了一種處理錯誤的方式，使程式員可以更自然的方式處理錯誤。

異常實戰入門

假設我們寫一個程式，把使用者輸入的兩個字串轉換為整數，相加輸出，一般我們會這麼寫

char *str1 = "1", *str2 = "2";int num1 = atoi(str1);int num2 = atoi(str2);printf("sum is %d\n", num1 + num2);

假設使用者輸入的是str1,str2,如果str1和str2都是整數類型的字串，這段代碼是可以正常工作的，但是使用者的輸入有可能誤操作，輸入了非法字元，例如

char *str1 = "1", *str2 = "a";int num1 = atoi(str1);int num2 = atoi(str2);printf("sum is %d\n", num1 + num2);

這個時候結果是1，因為atoi(str2)返回0。

如果使用者輸入是這樣:

char *str1 = "1", *str2 = NULL;int num1 = atoi(str1);int num2 = atoi(str2);printf("sum is %d\n", num1 + num2);

那麼這段代碼會出現段錯誤，程式異常退出。

atoi我覺得是一個比較危險的函數，如果在一個重要系統中，調用者不知情，傳入了一個NULL字元，程式就異常退出了，導致服務中斷，或者傳入非法字元，結果返回0，代碼繼續走下去，在複雜的系統中想要定位這個問題，真是很不容易。

所以比較合適的方式，是我們用異常處理改造一個安全的atoi方法,叫parseNumber。

class NumberParseException {};bool isNumber(char * str) {     using namespace std;     if (str == NULL)         return false;     int len = strlen(str);     if (len == 0)         return false;     bool isaNumber = false;     char ch;     for (int i = 0; i < len; i++) {         if (i == 0 && (str[i] == '-' || str[i] == '+'))             continue;         if (isdigit(str[i])) {            isaNumber = true;         } else {           isaNumber = false;           break;         }     }     return isaNumber;}int parseNumber(char * str) throw(NumberParseException) {    if (!isNumber(str))        throw NumberParseException();    return atoi(str);}

上述代碼中NumberParseException是自訂的異常類，當我們檢測的時候傳入的str不是一個數字時，就拋出一個數字轉換異常，讓調用者處理錯誤，這比傳入NULL字串，導致段錯誤結束程式好得多，調用者可以捕獲這個異常，決定是否結束程式，也比傳入一個非整數字串，返回0要好，程式出現錯誤，卻繼續無聲無息執行下去。

於是我們之前寫的代碼可以改造如下:

char *str1 = "1", *str2 = NULL;    try {        int num1 = parseNumber(str1);        int num2 = parseNumber(str2);        printf("sum is %d\n", num1 + num2);    } catch (NumberParseException) {        printf("輸入不是整數\n");    }

這段代碼的結果是列印出"輸入不是整數".假設這段代碼是運行在一個遊戲統計系統中，系統需要定時從大量檔案中統計大量使用者進入遊戲頻道1和遊戲頻道2的次數，str1代表進入遊戲頻道1的次數，str2表示進入頻道2的次數，如果不是使用異常，當輸入是NULL程式會導致整個系統宕機，當輸入是非法整數，計算結果全部是錯誤的，當時程式仍然無聲無息"正確執行"。

輸入非法，拋出NumberParseException,即使調用者沒有考慮輸入是非法的，例如是:

 char *str1 = "1", *str2 = "12,";    int num1 = parseNumber(str1);    int num2 = parseNumber(str2);    printf("sum is %d\n", num1 + num2);

就算調用者比較粗心，沒有捕獲異常,程式運行中會拋出NumberParseException，程式宕機，會留下coredump檔案，調用者通過"gdb 程式名 coredump檔案",查看程式宕機時的堆棧，就知道程式運行中，出現了非法整數字元，那麼他就很快知道問題所在，會學乖，把上述代碼改成

char *str1 = "1", *str2 = NULL;    try {        int num1 = parseNumber(str1);        int num2 = parseNumber(str2);        printf("sum is %d\n", num1 + num2);    } catch (NumberParseException) {        printf("輸入不是整數\n");         //列印檔案的路徑,行號，str1,str2等資訊足夠自己去定位問題所在     }

這樣，下次程式出現問題時，調用者就可以定位問題所在了，這就是異常的錯誤處理方式，把錯誤的發現(parseNumber)和錯誤的處理(遊戲統計代碼)分開。

這裡介紹了異常的拋出和捕獲，還有異常的使用情境，接下來就開始一步步講解C++異常。

異常的描述

函數和函數可能拋出的異常集合作為函式宣告的一部分是有價值的，例如

void f(int a) throw (x2,x3);

表示f()只能拋出兩個異常x2,x3,以及這些類型派生的異常，但不會拋出其他異常。如果f函數違反了這個規定，拋出了x2,x3之外的異常,例如x4,那麼當函數f拋出x4異常時，
會轉換為一個std::unexpected()調用，預設是調用std::terminate(),通常是調用abort()。

如果函數不帶異常描述，那麼假定他可能拋出任何異常。例如:

int f();  //可能拋出任何異常

帶任何異常的函數可以用空表表示:

int g() throw (); // 不會拋出任何異常

捕獲異常

捕獲異常的代碼一般如下:

try {    throw E();}catch (H h) {     //何時我們可以能到這裡呢}

1.如果H和E是相同的類型

2.如果H是E的基類

3.如果H和E都是指標類型，而且1或者2對它們所引用的類型成立

4.如果H和E都是參考型別，而且1或者2對H所引用的類型成立

從原則上來說，異常在拋出時被複製，我們最後捕獲的異常只是原始異常的一個副本，所以我們不應該拋出一個不允許拋出一個不允許複製的異常。

此外，我們可以在用於捕獲異常的類型加上const，就像我們可以給函數加上const一樣，限制我們，不能去修改捕捉到的那個異常。

還有,捕獲異常時如果H和E不是參考型別或者指標類型，而且H是E的基類，那麼h對象其實就是H h = E(),最後捕獲的異常對象h會丟失E的附加攜帶資訊。

異常處理的順序
我們之前寫的parseNumber函數會拋出NumberParseException,這個函數只是判斷是否數字才拋出異常，但是沒有考慮，但這個字串表示的整數太大，溢出，拋出異常Overflow.表示如下:

class NumberParseException {};class Overflow : public NumberParseException {};

假設我們parseNumber函數已經為字串的整數溢出做了檢測，遇到這種情況，會拋出Overflow異常，那麼異常捕獲代碼如下:

char *str1 = "1", *str2 = NULL;    try {        int num1 = parseNumber(str1);        int num2 = parseNumber(str2);        printf("sum is %d\n", num1 + num2);    }     catch (Overflow) {        //處理Overflow或者任何由Overflow派生的異常    }    catch (NumberParseException) {         //處理不是Overflow的NumberParseException異常    }

異常組織這種階層對於代碼的健壯性很重要，因為庫函數發布之後，不可能不加入新的異常，就像我們的parseNumber,第一次發布時只是考慮輸入是否一個整數的錯誤，第二次發布時就考慮了判斷輸入的一個字串作為整數是否太大溢出,對於一個函數發布之後不再添加新的異常，幾乎所有的庫函數都不能接受。

如果沒有異常的階層，當函數升級加入新的異常描述時，我們可能都要修改代碼，為每一處調用這個函數的地方加入對應的catch新的異常語句,這很讓你厭煩，程式員也很容易忘記把某個異常加入列表，導致這個異常沒有捕獲，異常退出。

而有了異常的階層，函數升級之後，例如我們的parseNumber加入了Overflow異常描述，函數調用者只需要在自己感興趣的調用情境加入catch(Overflow),並做處理就行了，如果根據不關心Overflow錯誤，甚至不用修改代碼。

未捕獲的異常

如果拋出的異常未被捕捉,那麼就會調用函數std::terminate(),預設情況是調用abort,這對於大部分使用者是正確選擇，特別是排錯程式錯誤的階段(調用abort會產生coredump檔案，coredump檔案的使用可以參考部落格的"學會用core dump偵錯工具錯誤")。

如果我們希望在發生未捕獲異常時，保證清理工作，可以在所有真正需要關注的異常處理之外，再在main添加一個捕捉一切的異常處理，例如:

int main() {    try {        //...     }    catch (std::range_error) {        cerr << "range error\n";     } catch (std::bad_alloc) {        cerr << "new run out of memory\n";     } catch (...) {       //..     }}

這樣就可以捕捉所有的異常，除了那些在全域變數構造和析構的異常(如果要獲得控制，唯一方式是set_unexpected)。
其中catch(...)表示捕捉所有異常，一般會在處理代碼做一些清理工作。

重新拋出

當我們捕獲了一個異常，卻發現無法處理，這種情況下，我們會做完局部能夠做的事情，然後再一次拋出這個異常,讓這個異常在最合適的地方地方處理。例如:

void downloadFileFromServer() {    try {          connect_to_server();          //...     }       catch (NetworkException) {           if (can_handle_it_completely) {               //處理網路異常,例如重連           } else {                throw;            }       }}

這個函數是從遠程伺服器下載檔案，內部調用串連到遠程伺服器的函數，但是可能存在著網路異常，如果多次重連無法成功，就把這個網路異常拋出，讓上層處理。

重新拋出是採用不帶運算對象的throw表示，但是如果重新拋出，又沒有異常可以重新拋出，就會調用terminate();

假設NetworkException有兩個派生異常叫FtpConnectException和HttpConnectException，調用connect_to_server時是拋出HttpConnectException,那麼調用downloadFileFromServer仍然能捕捉到異常HttpConnectException。

標準異常

到了這裡，你已經基本會使用異常了，可是如果你是函數開發人員，並需要把函數給別人使用，在使用異常時，會涉及到自訂異常類，但是C++標準已經定義了一部分標準異常，請儘可能複用這些異常，標準異常參考http://www.cplusplus.com/reference/std/stdexcept/

雖然C++標準異常比較少，但是作為函數開發人員，儘可能還是複用c++標準異常，作為函數調用者就可以少花時間去瞭解的你自訂的異常類，更好的去調用你開發的函數。

總結

本文只是簡單從異常的使用情境，再介紹異常的基本使用方法，一些進階的異常用法沒有羅列，詳細資料可以參考c++之父的C++程式設計語言的異常處理。

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