【C++】：異常

目錄

C語言處理錯誤的方式

C++異常的概念

C++異常的使用

異常的拋出與捕獲匹配原則

函數調用鏈中的棧展開?

異常重新拋出?

異常安全

異常規范

標準庫異常體系

自定義異常體系

異常的優缺點

C語言處理錯誤的方式

  1. 返回值檢查：函數返回特定錯誤碼或值標識失敗，但需逐層檢查且易被忽略。

  2. 全局變量?errno：依賴全局變量記錄錯誤類型，存在線程安全隱患和覆蓋風險。

  3. 斷言（Assert）：通過斷言驗證邏輯假設，但僅適用于調試且失敗直接終止程序。

  4. 非局部跳轉（setjmp/longjmp）：支持跨函數錯誤跳轉，但易導致資源泄漏和代碼混亂。

  5. 信號處理：捕獲系統信號處理嚴重錯誤，但處理函數功能受限且不可靠。

  6. Goto清理：集中釋放資源避免冗余，但濫用會破壞代碼結構化邏輯。

C++異常的概念

C++ 異常處理是一種用于管理程序運行時錯誤的機制，它通過分離錯誤處理代碼和正常邏輯來提高代碼的可維護性。?

  • try：包裹可能拋出異常的代碼塊

  • throw：拋出異常對象（任意類型）

  • catch：捕獲并處理特定類型的異常

try {// 可能拋出異常的代碼if (error) throw MyException("Error occurred");
} 
catch (const MyException& e) {// 處理 MyException 類型異常std::cerr << e.what() << std::endl;
}
catch (...) {  // 捕獲所有異常std::cerr << "Unknown error" << std::endl;
}

C++異常的使用

異常的拋出與捕獲匹配原則

1、類型精確匹配

  • 異常捕獲基于?類型匹配，catch?塊按順序嘗試匹配異常類型

  • 被選中的處理代碼（catch塊）是調用鏈中與該對象類型匹配且離拋出異常位置最近的那一個。
  • 異常是通過拋出對象而引發的，該對象的類型決定了應該激活哪個catch的處理代碼，如果拋出的異常對象沒有捕獲，或是沒有匹配類型的捕獲，那么程序會終止報錯。
try {throw 42;  // 拋出 int 類型異常
}
catch (double d) { /* 不會捕獲 */ }
catch (int i) {   // 匹配成功std::cout << "Caught int: " << i;
}

2、繼承體系中的匹配

  • 基類?catch?塊可以捕獲派生類異常（需通過?引用或指針?捕獲避免對象切片）

  • 捕獲和拋出的異常類型并不一定要完全匹配，可以拋出派生類對象，使用基類進行捕獲。

  • 推薦實踐：優先捕獲派生類異常，再捕獲基類

try {throw std::runtime_error("Error");
}
catch (const std::runtime_error& e) {  // 優先匹配具體類型std::cerr << "Runtime error: " << e.what();
}
catch (const std::exception& e) {      // 基類捕獲兜底std::cerr << "Standard exception: " << e.what();
}

3、特殊匹配規則

  • catch (...)?捕獲所有異常（通常用于資源清理），但捕獲后無法知道異常錯誤是什么。

  • const?修飾不影響匹配：catch (std::exception)?與?catch (const std::exception)?視為相同

函數調用鏈中的棧展開?

  • 當異常被拋出后，首先檢查 throw 本身是否在try塊內部，如果在則查找匹配的catch語句，如果有匹配的，則跳到catch的地方進行處理。
  • 如果當前函數棧沒有匹配的 catch 則退出當前函數棧，繼續在上一個調用函數棧中進行查找匹配的catch。找到匹配的catch子句并處理以后，會沿著 catch 子句后面繼續執行，而不會跳回到原來拋異常的地方。
  • 如果到達main函數的棧，依舊沒有找到匹配的catch，則終止程序。
void func3() 
{std::vector<int> localObj(100);  // RAII 對象throw std::runtime_error("Boom"); // 拋出異常// localObj 自動析構
}void func2() { func3(); }  // 異常繼續傳播
void func1() { func2(); }  // 異常繼續傳播int main() 
{try {func1();}catch (const std::exception& e) {std::cerr << "Caught: " << e.what();}return 0;
}

  1. 函數調用鏈：

    • main()?調用?func1()

    • func1()?調用?func2()

    • func2()?調用?func3()

  2. 異常拋出（func3）：

    • 在?func3()?中，首先構造局部對象?std::vector<int> localObj(100)（RAII管理內存）。

    • 執行?throw std::runtime_error("Boom")，拋出異常，函數執行中斷。

  3. 棧展開（Stack Unwinding）：

    • func3 棧幀銷毀：localObj?的析構函數自動調用，釋放分配的100個int內存（RAII確保資源釋放）。

    • func2 棧幀銷毀：因無局部對象，直接退出。

    • func1 棧幀銷毀：同理，無資源需清理。

  4. 異常捕獲（main）：

    • 異常傳播至?main()?的?try?塊。

    • catch (const std::exception& e)?捕獲異常（std::runtime_error?是?std::exception?的派生類）。

    • 輸出錯誤信息：Caught: Boom。

異常重新拋出?

在?catch?塊中使用?throw;?重新拋出當前異常

典型場景：

  • 記錄日志后繼續傳播異常

  • 部分處理異常后交由上層處理

異常安全

  1. 構造函數完成對象的構造和初始化，最好不要在構造函數中拋出異常，否則可能導致對象不完整或沒有完全初始化。
  2. 析構函數主要完成對象資源的清理，最好不要在析構函數中拋出異常，否則可能導致資源泄露（內存泄露、句柄未關閉等）。
  3. C++中異常經常會導致資源泄露的問題，比如在new和delete中拋出異常，導致內存泄露，在lock和unlock之間拋出異常導致死鎖，C++經常使用RAII的方式來解決以上問題。

異常規范

1、優先使用?noexcept

  • 適用場景：

    • 移動操作、析構函數、內存釋放函數（如?operator delete）。

    • 明確無失敗可能的函數（如數學計算）。

double sqrt(double x) noexcept 
{ // 假設輸入已校驗，不會拋異常return std::sqrt(x); 
}

2. 避免使用動態異常聲明

void oldFunc() throw(std::runtime_error); // C++17 已移除，禁止使用
// 替代方案：通過文檔說明可能拋出的異常類型。

3、注意事項?

  1. 在函數的后面接throw(type1, type2, ...)，列出這個函數可能拋擲的所有異常類型。
  2. 在函數的后面接throw()或noexcept（C++11），表示該函數不拋異常。
  3. 若無異常接口聲明，則此函數可以拋擲任何類型的異常。（異常接口聲明不是強制的）
// 表示func函數可能會拋出A/B/C/D類型的異常
void func() throw(A, B, C, D);// 表示這個函數只會拋出bad_alloc的異常
void* operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc);// 表示這個函數不會拋出異常
void* operator new(std::size_t size, void* ptr) throw();

標準庫異常體系

C++ 標準庫提供了一套層次化的異常類體系，所有標準異常均繼承自?std::exception?基類。這些異常類型覆蓋了常見的程序錯誤場景，開發者可以直接使用或繼承它們實現自定義異常。

std::exception
├── std::bad_alloc                // 內存分配失敗（new 失敗）
├── std::bad_cast                 // dynamic_cast 轉換失敗（非多態類型）
├── std::bad_typeid               // typeid 操作符作用于空指針
├── std::ios_base::failure        // I/O 流錯誤（如文件打開失敗）
|
├── std::logic_error              // 程序邏輯錯誤（可預防的）
│   ├── std::invalid_argument     // 無效參數（如參數不符合預期范圍）
│   ├── std::domain_error         // 數學運算定義域錯誤（如對負數取對數）
│   ├── std::length_error         // 超出允許長度（如 vector::reserve 超過 max_size）
│   └── std::out_of_range         // 訪問越界（如 vector::at 越界索引）
|
└── std::runtime_error            // 運行時錯誤（不可預見的）├── std::range_error          // 計算結果超出有效范圍（如浮點數轉換溢出）├── std::overflow_error       // 算術上溢錯誤├── std::underflow_error      // 算術下溢錯誤└── std::system_error         // 系統調用錯誤（含錯誤碼，C++11 引入）
  • exception類的 what成員函數 和 析構函數都定義成了虛函數，方便子類對其進行重寫，從而達到多態的效果。
  • 我們也可以去繼承exception類來實現自己的異常類，但實際中很多公司都會自己定義一套異常繼承體系。

?自定義異常：通過繼承?std::runtime_error?或?std::logic_error?添加額外信息。

#include <stdexcept>
#include <string>class NetworkException : public std::runtime_error 
{int error_code_;
public:NetworkException(int code, const std::string& message): std::runtime_error(message), error_code_(code) {}int getErrorCode() const noexcept { return error_code_; }
};// 使用
throw NetworkException(404, "Service not found");

代碼示例

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <stdexcept>
#include <string>void readConfigFile(const std::string& filename) 
{std::ifstream file(filename);if (!file) {throw std::runtime_error("無法打開文件: " + filename);}std::string line;while (std::getline(file, line)) {if (line.empty()) {throw std::invalid_argument("配置文件存在空行");}// 解析配置...}
}int main() 
{try {readConfigFile("settings.conf");}catch (const std::invalid_argument& e) {std::cerr << "參數錯誤: " << e.what() << std::endl;}catch (const std::runtime_error& e) {std::cerr << "運行時錯誤: " << e.what() << std::endl;}catch (const std::exception& e) {std::cerr << "標準異常: " << e.what() << std::endl;}return 0;
}

自定義異常體系

實際中很多公司都會自定義自己的異常體系進行規范的異常管理。

  • 公司中的項目一般會進行模塊劃分，讓不同的程序員或小組完成不同的模塊，如果不對拋異常這件事進行規范，那么負責最外層捕獲異常的程序員就非常難受了，因為他需要捕獲大家拋出的各種類型的異常對象。
  • 因此實際中都會定義一套繼承的規范體系，先定義一個最基礎的異常類，所有人拋出的異常對象都必須是繼承于該異常類的派生類對象，因為異常語法規定可以用基類捕獲拋出的派生類對象，因此最外層就只需捕獲基類就行了。

一、為何需要自定義異常？

  1. 錯誤分類：為特定領域（如文件I/O、網絡、數據庫）定義明確的錯誤類型。

  2. 攜帶額外信息：在異常對象中封裝錯誤碼、文件名、操作步驟等上下文信息。

  3. 統一接口：繼承自?std::exception，兼容標準異常處理邏輯。

二、設計原則

  1. 繼承標準異常：所有自定義異常應直接或間接繼承?std::exception。

  2. 層次化結構：按錯誤類型分層（如?NetworkException?派生出?TimeoutException）。

  3. 支持多態：通過虛函數（如?what()）提供統一的錯誤信息接口。

  4. 異常安全：確保自定義異常類的構造函數和成員函數不拋出異常。

三、實現步驟

1. 基類設計（兼容標準異常）?

#include <exception>
#include <string>class Exception
{
public:// 構造函數（允許傳入錯誤描述）Exception(int errid, const char* errmsg):_errid(errid), _errmsg(errmsg){}int GetErrid() const{return _errid;}// 重寫 what()，返回錯誤信息virtual string what() const{return _errmsg;}
protected:int _errid;     //錯誤編號string _errmsg; //錯誤描述//...
};

2. 派生具體異常類

// 文件操作異常
class FileIOException : public Exception 
{
public:explicit FileIOException(const std::string& filename, const std::string& action): Exception("File Error: Failed to " + action + " file '" + filename + "'") {}
};// 網絡超時異常
class NetworkTimeoutException : public Exception 
{
public:NetworkTimeoutException(const std::string& url, int timeout_sec): Exception("Network Timeout: Request to '" + url + "' timed out after " + std::to_string(timeout_sec) + " seconds") {}
};

?3.?使用自定義異常

void readFile(const std::string& filename) 
{std::ifstream file(filename);if (!file.is_open()) {// 拋出異常throw FileIOException(filename, "open");}// 文件操作...
}try 
{readFile("config.yaml");
} 
catch (const FileIOException& e) 
{std::cerr << "文件操作失敗: " << e.what() << std::endl;// 嘗試恢復或重試
}
catch (const MyBaseException& e) 
{std::cerr << "通用錯誤: " << e.what() << std::endl;
}

異常的優缺點

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