【C++11】异常知多少

> 作者：დ旧言~

> 座右铭：松树千年终是朽，槿花一日自为荣。

> 目标：熟练掌握C++11异常

> 毒鸡汤：有些事情，总是不明白，所以我不会坚持。早安!

> 专栏选自：C嘎嘎进阶

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🌟前言

想必我们写代码写过bug把，有句话说的好，一天写代码，三天改bug。有些浅层的代码bug在C++11已经给出，我们称这个叫异常，举个简单的栗子，我们 0 是不可以做被除数的，这里我们用 C++11 的异常就可以防止代码崩溃，让我们调试时也更加舒服，所以学习C++11的异常是必须的。

⭐主体

学习【C++11】异常知多少咱们按照下面的图解：

🌙 C++异常概念

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语言异常处理机制：

1. 终止程序。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。
2. 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。
3. C标准库中setjmp和longjmp组合

C++的异常处理机制：

抛出异常和捕获异常，如果抛出的异常被捕获，处理完之后程序会继续运行，如果抛出的异常未被捕获，将导致程序终止。

异常语法：

• 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。

try
{
  // 保护的标识代码
}
catch (ExceptionName e1)
{
  // catch 块
}
catch (ExceptionName e2)
{
  // catch 块
}
catch (ExceptionName eN)
{
  // catch 块
}

🌙 异常的抛出和捕获

概念：

异常是面向对象语言常用的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，让函数直接或间接的调用者处理这个错误。

再次提出：

• throw：当程序出现问题时，可以通过throw关键字抛出一个异常。
• try：try块中放置的是可能抛出异常的代码，该代码块在执行时将进行异常错误检测，try块后面通常跟着一个或多个catch块。
• catch：如果try块中发生错误，则可以在catch块中定义对应要执行的代码块。

💫 throw

throw是用于抛出异常的关键字，用法如下：

throw 异常(对象);

在函数声明中应该指定可能抛出的异常，应该在函数声明指定。

void show();                                //该函数可能抛出任何异常
 
void show()throw();                     //该函数不抛出任何异常
 
void show()throw(char,int);         //该函数可能抛出char和int型异常  

💫 try...catch

捕获异常使用try...catch关键字，用法如下：

try{
    //可能抛出异常的代码    
}catch(异常类型1 变量){//根据类型捕获异常
    //处理异常类型1的代码
}catch(异常类型2 变量){//根据类型捕获异常
    //处理异常类型2的代码
    //throw 变量 ----- 继续向上一层抛出
}.....

异常被捕获后，执行对应的异常处理代码，然后继续执行try...catch之后的代码。若异常未被捕获，仍然导致程序终止。捕获异常后，如果当前无法处理，可以继续抛出。

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，不过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，我们后面会详细讲解这个。

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，如果是再查找匹配的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。

举个栗子：

void func1()
{
  throw string("这是一个异常");
}
void func2()
{
  func1();
}
void func3()
{
  func2();
}
int main()
{
  try
  {
    func3();
  }
  catch (const string& s)
  {
    cout << "错误描述：" << s << endl;
  }
  catch (...)
  {
    cout << "未知异常" << endl;
  }
  return 0;
}

分析结果：

• 首先会检查throw本身是否在try块内部，这里由于throw不在try块内部，因此会退出func3所在的函数栈，继续在上一个调用函数栈中进行查找，即func2所在的函数栈。
• 由于func2中也没有匹配的catch，因此会继续在上一个调用函数栈中进行查找，即func3所在的函数栈。
• func3中也没有匹配的catch，于是就会在main所在的函数栈中进行查找，最终在main函数栈中找到了匹配的catch。
• 这时就会跳到main函数中对应的catch块中执行对应的代码块，执行完后继续执行该代码块后续的代码。

💫 异常安全

将抛异常导致的安全问题叫做异常安全问题，对于异常安全问题下面给出几点建议：

• 构造函数完成对象的构造和初始化，最好不要在构造函数中抛出异常，否则可能导致对象不完整或没有完全初始化。
• 析构函数主要完成对象资源的清理，最好不要在析构函数中抛出异常，否则可能导致资源泄露（内存泄露、句柄未关闭等）。
• C++中异常经常会导致资源泄露的问题，比如在new和delete中抛出异常，导致内存泄露，在lock和unlock之间抛出异常导致死锁，C++经常使用RAII的方式来解决以上问题。

💫 异常规范

为了让函数使用者知道某个函数可能抛出哪些类型的异常，C++标准规定：

• 在函数的后面接throw(type1, type2, ...)，列出这个函数可能抛掷的所有异常类型。
• 在函数的后面接throw()或noexcept（C++11），表示该函数不抛异常。
• 若无异常接口声明，则此函数可以抛掷任何类型的异常。（异常接口声明不是强制的）

举个栗子：

//表示func函数可能会抛出A/B/C/D类型的异常
void func() throw(A, B, C, D);
//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);
//表示这个函数不会抛出异常

🌙 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：

公司项目一般会进行模块划分，让不同的小组完成不同的模块；所以需要对抛出异常这件事进行规范，如果没有规范，负责最外层捕获异常的人就麻烦了，需要捕获大家抛出的各种类型的异常。

所以在实际中都会定义一套继承的规范体系：定义一个最基础的基类，所有人抛出的异常对象都是继承与该异常类的派生类对象，所以异常语法可以用基类捕获抛出的派生类对象，所以最外成值需要捕获基类就行了。

举个栗子：

//服务器开发中通常使用的异常继承体系
class Exception
{
public:
  Exception(const string& errmsg, int id)
    :_errmsg(errmsg)
    , _id(id)
  {}
 
  virtual string what() const
  {
    return _errmsg;
  }
protected:
  string _errmsg;
  int _id;
};
 
 
class SqlException :public Exception
{
public:
  SqlException(const string& errmsg, int id, const string& sql)
    :Exception(errmsg, id)
    , _sql(sql)
  {}
 
  virtual string what() const
  {
    string str = "SqlException:";
    str += _errmsg;
    str += "->";
    str += _sql;
    return str;
  }
private:
  const string _sql;
};
 
class CacheException :public Exception
{
public:
  CacheException(const string& errmsg, int id)
    :Exception(errmsg, id)
  {}
 
  virtual string what() const
  {
    string str = "CacheException:";
    str += _errmsg;
    return str;
  }
};
 
 
class HttpServerException :public Exception
{
public:
  HttpServerException(const string& errmsg, int id, const string& type)
    :Exception(errmsg, id)
    , _type(type)
  {}
 
  virtual string what() const
  {
    string str = "HttpServerException";
    str += _type;
    str += ":";
    str += _errmsg;
    return str;
  }
private:
  const string _type;
};
 
 
void SQLMgr()
{
  srand(time(0));
  if (rand() % 7 == 0)
  {
    throw SqlException("权限不足", 100, "select*from name='张三'");
  }
 
}
 
void CacheMgr()
{
  srand(time(0));
  if (rand() % 5 == 0)
  {
    throw CacheException("权限不足", 100);
  }
  else if (rand() % 6 == 0)
  {
    throw CacheException("数据不存在",101);
  }
  SQLMgr();
}
 
void HttpServer()
{
  srand(time(0));
  if (rand() % 3 == 0)
  {
    throw HttpServerException("请求支援不存", 100, "get");
  }
  else if (rand() % 4 == 0)
  {
    throw HttpServerException("权限不足",101, "post");
  }
  CacheMgr();
}
 
int main()
{
  while (1)
  {
    Sleep(1000);
    try
    {
      HttpServer();
    }
    catch (const Exception& e)//捕获基类对象就可以了
    {
            //多态
      cout << e.what() << endl;
    }
    catch (...)
    {
      cout << "Unkown Exception" << endl;
    }
  }
  return 0;
}

分析：

基类Exception中的what成员函数最好定义为虚函数，方便子类对其进行重写，从而达到多态的效果。

🌙 C++标准库的异常体系

这里我们看C++标准库的异常体系：

🌙 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等信息，这样可以帮助更好的定位程序的bug。
• 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码，最终最外层才能拿到错误。
• 很多的第三方库都会使用异常，比如boost、gtest、gmock等等常用的库，如果我们不用异常就不能很好的发挥这些库的作用。
• 很多测试框架也都使用异常，因此使用异常能更好的使用单元测试等进行白盒的测试。
• 部分函数使用异常更好处理，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。

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，这会导致我们跟踪调试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露、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，学习成本比较高。
• C++标准库的异常体系定义得不够好，导致大家各自定义自己的异常体系，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，也会让外层捕获的用户苦不堪言。
• 异常接口声明不是强制的，对于没有声明异常类型的函数，无法预知该函数是否会抛出异常。

🌟结束语 

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