第28章异常处理

第28章异常处理

本章标题说明了一切：处理打断程序流程的特殊情形。本书前面一直采取最乐观的态度，假定内存分配将成功、文件能找到等，但现实往往并非如此。

在本章中，您将学习：

• 什么是异常；

• 如何处理异常；

• 异常处理对提供稳定的C++应用程序有何帮助。

28.1 什么是异常

假设您的程序分配内存、读写数据、保存到文件，一切都在开发环境中完美地执行；您的应用程序使用了数 GB 内存，却没有泄露一字节，对此您很是自豪！您发布该应用程序，用户将其部署到各种工作站。有些工作站已购买10年，还有些工作站的硬盘都不转了。不久后您就收到了抱怨邮件，有些用户抱怨说“访问违规”，有些说出现“未处理的异常”。

“未处理”和“异常”，就是这样。显然，程序在开发环境中表现不错，为何麻烦不断呢？

现实世界千差万别，没有两台计算机是相同的，即便硬件配置一样。这是因为在特定时间，可用的资源量取决于计算机运行的软件及其状态，因此即便在开发环境中内存分配完美无缺，在其他环境中也可能出问题。

这样的情形很少见，但确实会发生。这些问题导致“异常”。

异常会打断应用程序的正常流程。毕竟，如果没有内存可用，应用程序就无法完成分配给它的任务。然而，应用程序可处理这种异常：向用户显示一条友好的错误消息、采取必要的挽救措施并妥善地退出。

通过对异常进行处理，有助于避免出现“访问违规”和“未处理的异常”等屏幕，还可避免收到相关的抱怨邮件。下面来看看C++都向您提供了哪些应对意外的工具。

28.2 导致异常的原因

异常可能是外部因素导致的，如系统没有足够的内存；也可能是应用程序内部因素导致的，如使用的指针包含无效值或除数为零。为向调用者指出错误，有些模块引发异常。

第28章异常处理 - 图1 为防止代码引发异常，可对异常进行处理，让它们“不会出现异常”。

28.3 使用try和catch捕获异常

在捕获异常方面，try和catch是最重要的C++关键字。要捕获语句可能引发的异常，可将它们放在try块中，并使用catch块对try块可能引发的异常进行处理：

第28章异常处理 - 图2

28.3.1 使用catch(…)处理所有异常

第8章说过，成功分配内存时，默认形式的new返回一个指向该内存单元的有效指针，但失败时引发异常。程序清单28.1演示了如何捕获使用new分配内存时可能引发的异常，并在计算机不能分配请求的内存时进行处理。

程序清单28.1 使用try和catch捕获并处理内存分配异常

第28章异常处理 - 图3

输出：

第28章异常处理 - 图4

分析：

在这个示例中，我请求为-1 个整数预留内存。这很荒谬，但用户经常做荒谬的事。如果没有异常处理程序，该程序将以讨厌的方式终止。但由于有异常处理程序，程序显示了一条得体的消息：Got to end, sorry!。

第28章异常处理 - 图5 如果在Visual Studio中运行该程序，可能出现一条调试模式消息，如图28.1所示。

第28章异常处理 - 图6

图28.1 请求分配的内存量无效导致的异常

单击“忽略”将执行异常处理程序。这是一条调试模式消息，但即便是在发行模式下，异常处理也将让程序妥善地退出。

程序清单28.1演示了try块和catch块的用法。catch()像函数一样接受参数，参数…意味着catch块将捕获所有的异常。然而，在这个示例中，您可能想指定特定的异常类型 std::bad_alloc，因为这是new 失败时引发的异常。通过捕获特定类型的异常，有助于处理这种类型的异常，如显示一条消息，准确地指出出了什么问题。

28.3.2 捕获特定类型的异常

程序清单28.1所示的异常是由C++标准库引发的。这种异常的类型是已知的，在这种情况下，更好的选择是只捕获这种类型的异常，因为您能查明导致异常的原因，执行更有针对性的清理工作，或至少是向用户显示一条准确的消息，如程序清单28.2所示。

程序清单28.2 捕获std::bad_alloc类型的异常

第28章异常处理 - 图7

输出：

第28章异常处理 - 图8

分析：

如果将程序清单28.2的输出与程序清单28.1的输出进行比较，您将发现现在能够提供应用程序中断的准确原因，即 bad allocation。这是因为新增了一个 catch（是的，有两个 catch块），其中一个捕获类型为bad_alloc&的异常，如第16～20行所示，这种异常是由new引发的。

第28章异常处理 - 图9 一般而言，可根据可能出现的异常添加多个catch()块，这将很有帮助。

如程序清单28.2所示，catch(…)捕获未被其他catch块显式捕获的所有异常。

28.3.3 使用throw引发特定类型的异常

程序清单28.2捕获std::bad_alloc时，实际上是捕获new引发的std::bad_alloc类对象。您可以引发自己选择的异常，为此只需使用关键字throw：

第28章异常处理 - 图10

程序清单28.3将两个数相除，演示了如何使用throw引发自定义异常。

程序清单28.3 在试图除以零时引发一种自定义异常

第28章异常处理 - 图11

输出：

第28章异常处理 - 图12

分析：

上述代码表明，通过捕获类型为char*的异常（第24行），可捕获调用函数Divide()可能引发的异常（第 6行）。另外，这里没有将整个main()都放在 try{ };中，而只在其中包含可能引发异常的代码。这通常是一种不错的做法，因为异常处理也可能降低代码的执行性能。

28.4 异常处理的工作原理

在程序清单28.3中，您在函数Divide()中引发了一个类型为char的异常，并在函数main()中使用处理程序catch(char)捕获它。

每当您使用throw引发异常时，编译器都将查找能够处理该异常的catch(Type)。异常处理逻辑首先检查引发异常的代码是否包含在try块中，如果是，则查找可处理这种异常的catch(Type)。如果throw语句不在try块内，或者没有与引发的异常兼容的 catch()，异常处理逻辑将继续在调用函数中寻找。因此，异常处理逻辑沿调用栈向上逐个地在调用函数中寻找，直到找到可处理异常的 catch(Type)。在退栈过程的每一步中，都将销毁当前函数的局部变量，因此这些局部变量的销毁顺序与创建顺序相反。程序清单28.4演示了这一点。

程序清单28.4 出现异常时销毁局部对象的顺序

第28章异常处理 - 图13

输出：

第28章异常处理 - 图14

分析：

在程序清单28.4中，main()调用了FuncA()，FuncA()调用了FuncB()，而FuncB()引发异常，如第21行所示。函数FuncA()和main()都能处理这种异常，因为它们都包含 catch(const char*)。引发异常的FuncB()没有catch()块，因此FuncB()引发的异常将首先由FuncA()中的catch块（第34～39行）处理，因为是 FuncA()调用了 FuncB()。注意到 FuncA()认为这种异常不严重，没有继续将其传播给 main()。因此，在main()看来，就像没有问题发生一样。如果解除对第38行的注释，异常将传播给FuncB的调用者，即main()也将收到这种异常。

输出指出了对象的创建顺序（与实例化它们的代码的排列顺序相同），还指出了引发异常后对象被销毁的顺序（与实例化顺序相反）。不仅在引发异常的 FuncB()中创建的对象被销毁，在调用 FuncB()并处理异常的FuncA()中创建的对象也被销毁。

第28章异常处理 - 图15 程序清单28.4表明，引发异常时将对局部对象调用析构函数。

如果因出现异常而被调用的析构函数也引发异常，将导致应用程序异常终止。

28.4.1 std::exception类

程序清单28.2捕获std::bad_alloc时，实际上是捕获new引发的std::bad_alloc对象。std::bad_alloc继承了C++标准类std::exception，而std::exception是在头文件<exception>中声明的。

下述重要异常类都是从std::exception派生而来的。

• bad_alloc：使用 new请求内存失败时引发。

• bad_cast：试图使用 dynamic_cast转换错误类型（没有继承关系的类型）时引发。

• ios_base::failure：由 iostream库中的函数和方法引发。

std::exception类是异常基类，它定义了虚方法what()；这个方法很有用且非常重要，详细地描述了导致异常的原因。在程序清单 28.2中，第 18行的 exp.what()提供了信息 bad allocation，让用户知道什么地方出了问题。由于 std::exception是众多异常类型的基类，因此可使用 catch(const exception&)所有将std::exception作为基类的异常：

第28章异常处理 - 图16

28.4.2 从std::exception派生出自定义异常类

可以引发所需的任何异常。然而，让自定义异常继承std::exception的好处在于，现有的异常处理程序 catch(const std::exception&)不但能捕获 bad_alloc、bad_cast等异常，还能捕获自定义异常，因为它们的基类都是exception。程序清单28.5演示了这一点。

程序清单28.5 继承std::exception的CustomException类

第28章异常处理 - 图17

输出：

第28章异常处理 - 图18

分析：

程序清单28.3在除以零时引发简单的char*异常，这里对其进行了修改，实例化了CustomException类的一个对象，这个类是在第 5～17 行定义的，它继承了 std::exception。注意到这个自定义异常类实现了虚函数 what()，如第 13～16 所示；该函数返回引发异常的原因。在 main()中，第 39～43 行的catch(exception&)不但处理异常CustomException，还处理bad_alloc等其他将exception作为基类的异常。

第28章异常处理 - 图19 请注意程序清单28.5中虚方法CustomException::what()的声明（如第13行所示）：

第28章异常处理 - 图20

它以throw()结尾，这意味着这个函数本身不会引发异常。这是对异常类的一个重要约束，如果您在该函数中包含一条throw语句，编译器将发出警告。如果函数以throw(int)结尾，意味着该函数可能引发类型为int的异常。

第28章异常处理 - 图21

28.5 总结

本章介绍了 C++编程的一个重要部分。确保应用程序离开开发环境后依然稳定很重要，这有助于提高用户满意度，并提供直观的用户体验，而这正是异常的用武之地。您发现，分配资源或内存的代码可能失败，因此需要处理它们可能引发的异常。您学习了 C++异常类 std::exception，如果需要编写自定义异常类，最好继承std::exception。