異常處理

增強(qiáng)錯(cuò)誤恢復(fù)能力是提高代碼健壯性的最有力的途徑之一，C語言中采用的錯(cuò)誤處理方法被認(rèn)為是緊耦合的，函數(shù)的使用者必須在非?？拷瘮?shù)調(diào)用的地方編寫錯(cuò)誤處理代碼，這樣會使得其變得笨拙和難以使用。C++中引入了異常處理機(jī)制，這是C++的主要特征之一，是考慮問題和處理錯(cuò)誤的一種更好的方式。使用錯(cuò)誤處理可以帶來一些優(yōu)點(diǎn)，如下:

錯(cuò)誤處理代碼的編寫不再冗長乏味，并且不再和正常的代碼混合在一起，程序員只需要編寫希望產(chǎn)生的代碼，然后在后面某個(gè)單獨(dú)的區(qū)段里編寫處理錯(cuò)誤的嗲嗎。多次調(diào)用同一個(gè)函數(shù)，則只需要某個(gè)地方編寫一次錯(cuò)誤處理代碼。

錯(cuò)誤不能被忽略，如果一個(gè)函數(shù)必須向調(diào)用者發(fā)送一次錯(cuò)誤信息。它將拋出一個(gè)描述這個(gè)錯(cuò)誤的對象。

傳統(tǒng)的錯(cuò)誤處理和異常處理

在討論異常處理之前，我們先談?wù)凜語言中的傳統(tǒng)錯(cuò)誤處理方法，這里列舉了如下三種:

在函數(shù)中返回錯(cuò)誤，函數(shù)會設(shè)置一個(gè)全局的錯(cuò)誤狀態(tài)標(biāo)志。

使用信號來做信號處理系統(tǒng)，在函數(shù)中raise信號，通過signal來設(shè)置信號處理函數(shù)，這種方式耦合度非常高，而且不同的庫產(chǎn)生的信號值可能會發(fā)生沖突

使用標(biāo)準(zhǔn)C庫中的非局部跳轉(zhuǎn)函數(shù) setjmp和longjmp ，這里使用setjmp和longjmp來演示下如何進(jìn)行錯(cuò)誤處理:

#include 
#include 
jmp_buf static_buf; //用來存放處理器上下文，用于跳轉(zhuǎn)
void do_jmp()
 {
 //do something,simetime occurs a little error
 //調(diào)用longjmp后，會載入static_buf的處理器信息，然后第二個(gè)參數(shù)作為返回點(diǎn)的setjmp這個(gè)函數(shù)的返回值
 longjmp(static_buf,10);//10是錯(cuò)誤碼，根據(jù)這個(gè)錯(cuò)誤碼來進(jìn)行相應(yīng)的處理
 }
int main()
 {
 int ret = 0;
 //將處理器信息保存到static_buf中,并返回0，相當(dāng)于在這里做了一個(gè)標(biāo)記，后面可以跳轉(zhuǎn)過來
 if((ret = setjmp(static_buf)) == 0) {
 //要執(zhí)行的代碼
 do_jmp();
 } else { //出現(xiàn)了錯(cuò)誤
 if (ret == 10)
 std::cout << "a little error" << std::endl;
 }
 }

錯(cuò)誤處理方式看起來耦合度不是很高，正常代碼和錯(cuò)誤處理的代碼分離了，處理處理的代碼都匯聚在一起了。但是基于這種局部跳轉(zhuǎn)的方式來處理代碼，在C++中卻存在很嚴(yán)重的問題，那就是對象不能被析構(gòu)，局部跳轉(zhuǎn)后不會主動(dòng)去調(diào)用已經(jīng)實(shí)例化對象的析構(gòu)函數(shù)。這將導(dǎo)致內(nèi)存泄露的問題。下面這個(gè)例子充分顯示了這點(diǎn)

#include 
#include 
using namespace std;
class base {
 public:
 base() {
 cout << "base construct func call" << endl;
 }
 ~base() {
 cout << "~base destruct func call" << endl;
 }
 };
jmp_buf static_buf;
void test_base() {
 base b;
 //do something
 longjmp(static_buf,47);//進(jìn)行了跳轉(zhuǎn)，跳轉(zhuǎn)后會發(fā)現(xiàn)b無法析構(gòu)了
 }
int main() {
 if(setjmp(static_buf) == 0) {
 cout << "deal with some thing" << endl;
 test_base();
 } else {
 cout << "catch a error" << endl;
 }
 }

在上面這段代碼中，只有base類的構(gòu)造函數(shù)會被調(diào)用，當(dāng)longjmp發(fā)生了跳轉(zhuǎn)后，b這個(gè)實(shí)例將不會被析構(gòu)掉，但是執(zhí)行流已經(jīng)無法回到這里，b這個(gè)實(shí)例將不會被析構(gòu)。這就是局部跳轉(zhuǎn)用在C++中來處理錯(cuò)誤的時(shí)候帶來的一些問題，在C++中異常則不會有這些問題的存在。那么接下來看看如何定義一個(gè)異常，以及如何拋出一個(gè)異常和捕獲異常吧.

異常的拋出

class MyError {
 const char* const data;
public:
 MyError(const char* const msg = 0):data(msg)
 {
 //idle
 }
};
void do_error() {
 throw MyError("something bad happend");
 }
int main()
 {
 do_error();
 }

上面的例子中，通過throw拋出了一個(gè)異常類的實(shí)例，這個(gè)異常類，可以是任何一個(gè)自定義的類，通過實(shí)例化傳入的參數(shù)可以表明發(fā)生的錯(cuò)誤信息。其實(shí)異常就是一個(gè)帶有異常信息的類而已。異常被拋出后，需要被捕獲，從而可以從錯(cuò)誤中進(jìn)行恢復(fù)，那么接下來看看如何去捕獲一個(gè)異常吧。在上面這個(gè)例子中使用拋出異常的方式來進(jìn)行錯(cuò)誤處理相比與之前使用局部跳轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)來說，最大的不同之處就是異常拋出的代碼塊中，對象會被析構(gòu)，稱之為堆棧反解．

異常的捕獲

C++中通過catch關(guān)鍵字來捕獲異常，捕獲異常后可以對異常進(jìn)行處理，這個(gè)處理的語句塊稱為異常處理器。下面是一個(gè)簡單的捕獲異常的例子:

try{
    //do something
    throw string("this is exception");
  } catch(const string& e) {
    cout << "catch a exception " << e << endl;
  }

catch有點(diǎn)像函數(shù)，可以有一個(gè)參數(shù)，throw拋出的異常對象，將會作為參數(shù)傳遞給匹配到到catch，然后進(jìn)入異常處理器，上面的代碼僅僅是展示了拋出一種異常的情況，加入try語句塊中有可能會拋出多種異常的，那么該如何處理呢，這里是可以接多個(gè)catch語句塊的，這將導(dǎo)致引入另外一個(gè)問題，那就是如何進(jìn)行匹配。

異常的匹配

異常的匹配我認(rèn)為是符合函數(shù)參數(shù)匹配的原則的，但是又有些不同，函數(shù)匹配的時(shí)候存在類型轉(zhuǎn)換，但是異常則不然，在匹配過程中不會做類型的轉(zhuǎn)換，下面的例子說明了這個(gè)事實(shí):

#include 
using namespace std;
 int main()
 {
 try{
 throw 'a';
 }catch(int a) {
 cout << "int" << endl;
 }catch(char c) {
 cout << "char" << endl;
 }
 }

上面的代碼的輸出結(jié)果是char，因?yàn)閽伋龅漠惓ｎ愋途褪莄har，所以就匹配到了第二個(gè)異常處理器?？梢园l(fā)現(xiàn)在匹配過程中沒有發(fā)生類型的轉(zhuǎn)換。將char轉(zhuǎn)換為int。盡管異常處理器不做類型轉(zhuǎn)換，但是基類可以匹配到派生類這個(gè)在函數(shù)和異常匹配中都是有效的，但是需要注意catch的形參需要是引用類型或者是指針類型，否則會 導(dǎo)致切割派生類這個(gè)問題。

//基類
class Base{
 public:
 Base(string msg):m_msg(msg)
 {
 }
 virtual void what(){
 cout << m_msg << endl;
 }
 void test()
 {
 cout << "I am a CBase" << endl;
 }
 protected:
 string m_msg;
};
//派生類，重新實(shí)現(xiàn)了虛函數(shù)
class CBase : public Base
{
 public:
 CBase(string msg):Base(msg)
 {
 }
 void what()
 {
 cout << "CBase:" << m_msg << endl;
 }
 };
int main()
 {
 try {
 //do some thing
 //拋出派生類對象
 throw CBase("I am a CBase exception");
 }catch(Base& e) { //使用基類可以接收
 e.what();
 }
 }

上面的這段代碼可以正常的工作，實(shí)際上我們?nèi)粘＞帉懽约旱漠惓Ｌ幚砗瘮?shù)的時(shí)候也是通過繼承標(biāo)準(zhǔn)異常來實(shí)現(xiàn)字節(jié)的自定義異常的，但是如果將Base&換成Base的話，將會導(dǎo)致對象被切割，例如下面這段代碼將會編譯出錯(cuò)，因?yàn)镃Base被切割了，導(dǎo)致CBase中的test函數(shù)無法被調(diào)用。

try {
    //do some thing
    throw CBase("I am a CBase exception");
}catch(Base e) {

e.test();

}

到此為此，異常的匹配算是說清楚了，總結(jié)一下，異常匹配的時(shí)候基本上遵循下面幾條規(guī)則:

異常匹配除了必須要是嚴(yán)格的類型匹配外，還支持下面幾個(gè)類型轉(zhuǎn)換．

允許非常量到常量的類型轉(zhuǎn)換，也就是說可以拋出一個(gè)非常量類型，然后使用catch捕捉對應(yīng)的常量類型版本

允許從派生類到基類的類型轉(zhuǎn)換

允許數(shù)組被轉(zhuǎn)換為數(shù)組指針，允許函數(shù)被轉(zhuǎn)換為函數(shù)指針

假想一種情況，當(dāng)我要實(shí)現(xiàn)一代代碼的時(shí)候，希望無論拋出什么類型的異常我都可以捕捉到，目前來說我們只能寫上一大堆的catch語句捕獲所有可能在代碼中出現(xiàn)的異常來解決這個(gè)問題，很顯然這樣處理起來太過繁瑣，幸好C++提供了一種可以捕捉任何異常的機(jī)制，可以使用下列代碼中的語法。

catch(...) {
    //異常處理器，這里可以捕捉任何異常，帶來的問題就是無法或者異常信息
   }
如果你要實(shí)現(xiàn)一個(gè)函數(shù)庫，你捕捉了你的函數(shù)庫中的一些異常，但是你只是記錄日志，并不去處理這些異常，處理異常的事情會交給上層調(diào)用的代碼來處理．對于這樣的一個(gè)場景C++也提供了支持．

try{
    throw Exception("I am a exception");  
  }catch(...) {
    //log the exception
    throw;
  }

通過在catch語句塊中加入一個(gè)throw，就可以把當(dāng)前捕獲到的異常重新拋出．在異常拋出的那一節(jié)中，我在代碼中拋出了一個(gè)異常，但是我沒有使用任何catch語句來捕獲我拋出的這個(gè)異常，執(zhí)行上面的程序會出現(xiàn)下面的結(jié)果．

terminate called after throwing an instance of 'MyError'
Aborted (core dumped)

為什么會出現(xiàn)這樣的結(jié)果呢?，當(dāng)我們拋出一個(gè)異常的時(shí)候，異常會隨著函數(shù)調(diào)用關(guān)系，一級一級向上拋出，直到被捕獲才會停止，如果最終沒有被捕獲將會導(dǎo)致調(diào)用terminate函數(shù)，上面的輸出就是自動(dòng)調(diào)用terminate函數(shù)導(dǎo)致的，為了保證更大的靈活性，C++提供了set_terminate函數(shù)可以用來設(shè)置自己的terminate函數(shù)．設(shè)置完成后，拋出的異常如果沒有被捕獲就會被自定義的terminate函數(shù)進(jìn)行處理．下面是一個(gè)使用的例子:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
class MyError {
 const char* const data;
 public:
 MyError(const char* const msg = 0):data(msg)
 {
 //idle
 }
 };
void do_error() {
 throw MyError("something bad happend");
 }
 //自定義的terminate函數(shù)，函數(shù)原型需要一致
 void terminator()
 {
 cout << "I'll be back" << endl;
 exit(0);
 }
int main()
 {
 //設(shè)置自定義的terminate，返回的是原有的terminate函數(shù)指針
 void (*old_terminate)() = set_terminate(terminator);
 do_error();
 }

 上面的代碼會輸出I'll be back
到此為此關(guān)于異常匹配的我所知道的知識點(diǎn)都已經(jīng)介紹完畢了，那么接著可以看看下一個(gè)話題，異常中的資源清理．

異常中的資源清理

在談到局部跳轉(zhuǎn)的時(shí)候，說到局部調(diào)轉(zhuǎn)不會調(diào)用對象的析構(gòu)函數(shù)，會導(dǎo)致內(nèi)存泄露的問題，C++中的異常則不會有這個(gè)問題，C++中通過堆棧反解將已經(jīng)定義的對象進(jìn)行析構(gòu)，但是有一個(gè)例外就是構(gòu)造函數(shù)中如果出現(xiàn)了異常，那么這會導(dǎo)致已經(jīng)分配的資源無法回收，下面是一個(gè)構(gòu)造函數(shù)拋出異常的例子:

#include 
#include 
using namespace std;
class base
 {
 public:
 base()
 {
 cout << "I start to construct" << endl;
 if (count == 3) //構(gòu)造第四個(gè)的時(shí)候拋出異常
 throw string("I am a error");
 count++;
 }
 ~base()
 {
 cout << "I will destruct " << endl;
 }
 private:
 static int count;
 };
int base::count = 0;
int main()
 {
 try{
 base test[5];
 } catch(...){
 cout << "catch some error" << endl;
 }
 }

 上面的代碼輸出結(jié)果是:

 I start to construct
 I start to construct
 I start to construct
 I start to construct
 I will destruct 
 I will destruct 
 I will destruct 
 catch some error

在上面的代碼中構(gòu)造函數(shù)發(fā)生了異常，導(dǎo)致對應(yīng)的析構(gòu)函數(shù)沒有執(zhí)行，因此實(shí)際編程過程中應(yīng)該避免在構(gòu)造函數(shù)中拋出異常，如果沒有辦法避免，那么一定要在構(gòu)造函數(shù)中對其進(jìn)行捕獲進(jìn)行處理．最后介紹一個(gè)知識點(diǎn)就是函數(shù)try語句塊，如果main函數(shù)可能會拋出異常該怎么捕獲?，如果構(gòu)造函數(shù)中的初始化列表可能會拋出異常該怎么捕獲?下面的兩個(gè)例子說明了函數(shù)try語句塊的用法:

#include 
using namespace std;
int main() try {
 throw "main";
 } catch(const char* msg) {
 cout << msg << endl;
 return 1;
 }

 main函數(shù)語句塊，可以捕獲main函數(shù)中拋出的異常．

 class Base
 {
 public:
 Base(int data,string str)try:m_int(data),m_string(str)//對初始化列表中可能會出現(xiàn)的異常也會進(jìn)行捕捉
 {
 // some initialize opt
 }catch(const char* msg) {
 cout << "catch a exception" << msg << endl;
 }
 private:
 int m_int;
 string m_string;
 };
int main()
 {
 Base base(1,"zhangyifei");
 }

上面說了很多都是關(guān)于異常的使用，如何定義自己的異常，編寫異常是否應(yīng)該遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)，在哪里使用異常，異常是否安全等等一系列的問題，下面會一一討論的．

標(biāo)準(zhǔn)異常

C++標(biāo)準(zhǔn)庫給我們提供了一系列的標(biāo)準(zhǔn)異常，這些標(biāo)準(zhǔn)異常都是從exception類派生而來，主要分為兩大派生類，一類是logic_error，另一類則是runtime_error這兩個(gè)類在stdexcept頭文件中，前者主要是描述程序中出現(xiàn)的邏輯錯(cuò)誤，例如傳遞了無效的參數(shù)，后者指的是那些無法預(yù)料的事件所造成的錯(cuò)誤，例如硬件故障或內(nèi)存耗盡等，這兩者都提供了一個(gè)參數(shù)類型為std::string的構(gòu)造函數(shù)，這樣就可以將異常信息保存起來，然后通過what成員函數(shù)得到異常信息．

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
class MyError:public runtime_error {
 public:
 MyError(const string& msg = "") : runtime_error(msg) {}
};
//runtime_error logic_error 兩個(gè)都是繼承自標(biāo)準(zhǔn)異常，帶有string構(gòu)造函數(shù)
 //
 int main()
 {
 try {
 throw MyError("my message"); 
 } catch(MyError& x) {
 cout << x.what() << endl; 
 }
 }

異常規(guī)格說明

假設(shè)一個(gè)項(xiàng)目中使用了一些第三方的庫，那么第三方庫中的一些函數(shù)可能會拋出異常，但是我們不清楚，那么C++提供了一個(gè)語法，將一個(gè)函數(shù)可能會拋出的異常列出來，這樣我們在編寫代碼的時(shí)候參考函數(shù)的異常說明即可，但是C++11中這中異常規(guī)格說明的方案已經(jīng)被取消了，所以我不打算過多介紹，通過一個(gè)例子看看其基本用法即可，重點(diǎn)看看C++11中提供的異常說明方案:

#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
class Up{};
 class Fit{};
 void g();
 //異常規(guī)格說明，f函數(shù)只能拋出Up 和Fit類型的異常
 void f(int i)throw(Up,Fit) {
 switch(i) {
 case 1: throw Up();
 case 2: throw Fit(); 
 }
 g();
 }
void g() {throw 47;}
void my_ternminate() {
 cout << "I am a ternminate" << endl;
 exit(0);
 }
void my_unexpected() {
 cout << "unexpected exception thrown" << endl;
 // throw Up();
 throw 8;
 //如果在unexpected中繼續(xù)拋出異常，拋出的是規(guī)格說明中的 則會被捕捉程序繼續(xù)執(zhí)行
 //如果拋出的異常不在異常規(guī)格說明中分兩種情況
 //1.異常規(guī)格說明中有bad_exception ，那么會導(dǎo)致拋出一個(gè)bad_exception
 //2.異常規(guī)格說明中沒有bad_exception 那么會導(dǎo)致程序調(diào)用ternminate函數(shù)
 // exit(0);
 }
int main() {
 set_terminate(my_ternminate);
 set_unexpected(my_unexpected);
 for(int i = 1;i <=3;i++)
 {
 //當(dāng)拋出的異常,并不是異常規(guī)格說明中的異常時(shí)
 //會導(dǎo)致最終調(diào)用系統(tǒng)的unexpected函數(shù)，通過set_unexpected可以
 //用來設(shè)置自己的unexpected汗函數(shù)
 try {
 f(i); 
 }catch(Up) {
 cout << "Up caught" << endl; 
 }catch(Fit) {
 cout << "Fit caught" << endl; 
 }catch(bad_exception) {
 cout << "bad exception" << endl; 
 }
 }
 }
 }

上面的代碼說明了異常規(guī)格說明的基本語法，以及unexpected函數(shù)的作用，以及如何自定義自己的unexpected函數(shù)，還討論了在unexpected函數(shù)中繼續(xù)拋出異常的情況下，該如何處理拋出的異常.C++11中取消了這種異常規(guī)格說明．引入了一個(gè)noexcept函數(shù)，用于表明這個(gè)函數(shù)是否會拋出異常

void recoup(int) noexecpt(true); //recoup不會拋出異常
void recoup(int) noexecpt(false); //recoup可能會拋出異常

此外還提供了noexecpt用來檢測一個(gè)函數(shù)是否不拋出異常．

異常安全

異常安全我覺得是一個(gè)挺復(fù)雜的點(diǎn)，不光光需要實(shí)現(xiàn)函數(shù)的功能，還要保存函數(shù)不會在拋出異常的情況下，出現(xiàn)不一致的狀態(tài)．這里舉一個(gè)例子，大家在實(shí)現(xiàn)堆棧的時(shí)候經(jīng)常看到書中的例子都是定義了一個(gè)top函數(shù)用來獲得棧頂元素，還有一個(gè)返回值是void的pop函數(shù)僅僅只是把棧頂元素彈出，那么為什么沒有一個(gè)pop函數(shù)可以 即彈出棧頂元素，并且還可以獲得棧頂元素呢?

template<typename T> T stack<T>::pop()
{
  if(count == 0)
    throw logic_error("stack underflow");
  else
    return data[--count];
}

如果函數(shù)在最后一行拋出了一個(gè)異常，那么這導(dǎo)致了函數(shù)沒有將退棧的元素返回，但是Count已經(jīng)減１了，所以函數(shù)希望得到的棧頂元素丟失了．本質(zhì)原因是因?yàn)檫@個(gè)函數(shù)試圖一次做兩件事，1.返回值，2.改變堆棧的狀態(tài)．最好將這兩個(gè)獨(dú)立的動(dòng)作放到兩個(gè)獨(dú)立的函數(shù)中,遵守內(nèi)聚設(shè)計(jì)的原則，每一個(gè)函數(shù)只做一件事．我們 再來討論另外一個(gè)異常安全的問題，就是很常見的賦值操作符的寫法，如何保證賦值操作是異常安全的．

class Bitmap {...};
class Widget {
  ...
private:
  Bitmap *pb;
};

Widget& Widget::operator=(const Widget& rhs)

{

delete pb;

pb = new Bitmap(*rhs.pb);

return *this;

}

上面的代碼不具備自我賦值安全性，倘若rhs就是對象本身，那么將會導(dǎo)致*rhs.pb指向一個(gè)被刪除了的對象．那么就緒改進(jìn)下．加入證同性測試．

Widget& Widget::operator=(const Widget& rhs)
{
  If(this == rhs) return *this; //證同性測試
  delete pb;
  pb = new Bitmap(*rhs.pb);
  return *this;
}

但是現(xiàn)在上面的代碼依舊不符合異常安全性，因?yàn)槿绻鹍elete pb執(zhí)行完成后在執(zhí)行new Bitmap的時(shí)候出現(xiàn)了異常，則會導(dǎo)致最終指向一塊被刪除的內(nèi)存．現(xiàn)在只要稍微改變一下，就可以讓上面的代碼具備異常安全性．

Widget& Widget::operator=(const Widget& rhs)
{
  If(this == rhs) return *this; //證同性測試
  Bitmap *pOrig = pb;
  pb = new Bitmap(*rhs.pb); //現(xiàn)在這里即使發(fā)生了異常，也不會影響this指向的對象
  delete pOrig;
  return *this;  
}

這個(gè)例子看起來還是比較簡單的，但是用處還是很大的，對于賦值操作符來說，很多情況都是需要重載的．

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