C++中的異常處理機(jī)制詳解
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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