《Java 程序設計》第 12 章

????????大家好！今天我們來學習《Java 程序設計》中的第 12 章 —— 異常處理。在編程過程中，錯誤和異常是不可避免的。一個健壯的程序必須能夠妥善處理各種異常情況。本章將詳細介紹 Java 中的異常處理機制，幫助大家編寫出更穩定、更可靠的 Java 程序。

思維導圖

12.1 異常與異常類

12.1.1 異常的概念

????????在 Java 中，異常（Exception）?是指程序在運行過程中發生的非正常事件，它會中斷程序的正常執行流程。

????????想象一下現實生活中的場景：當你開車去上班時，可能會遇到輪胎漏氣、發動機故障等意外情況，這些情況會阻止你按計劃到達公司。在程序中也是如此，比如：

試圖打開一個不存在的文件
網絡連接中斷
除以零的運算
數組下標越界

????????這些情況都可以稱為異常。Java 的異常處理機制提供了一種優雅的方式來處理這些意外情況，使程序能夠繼續運行或友好地終止。

12.1.2 異常類

????????Java 中的所有異常都是通過類來表示的，這些類統稱為異常類。Java 提供了一個完善的異常類體系，所有異常類都直接或間接繼承自Throwable類。

Throwable類有兩個重要的子類：

Error：表示嚴重的錯誤，通常是虛擬機相關的問題，如內存溢出（OutOfMemoryError），程序一般無法處理這類錯誤。
Exception：表示程序可以處理的異常，是我們在編程中主要關注的類。

Exception類又可以分為：

Checked Exception（受檢異常）：在編譯時就需要處理的異常，如果不處理，編譯器會報錯。如IOException、SQLException等。
Unchecked Exception（非受檢異常）：也稱為運行時異常（RuntimeException），在編譯時不需要強制處理，通常是由程序邏輯錯誤引起的。如NullPointerException、ArrayIndexOutOfBoundsException等。

下面是異常類的繼承關系圖：

@startuml
title Java異常類體系
Throwable <|-- Error
Throwable <|-- Exception
Exception <|-- RuntimeException
Exception <|-- IOException
Exception <|-- SQLException
RuntimeException <|-- NullPointerException
RuntimeException <|-- ArrayIndexOutOfBoundsException
RuntimeException <|-- ArithmeticException
@enduml

12.2 異常處理

????????Java 提供了一套完整的異常處理機制，主要通過try、catch、finally、throw和throws關鍵字來實現。

12.2.1 異常的拋出與捕獲

異常處理的核心思想是拋出異常和捕獲異常：

拋出異常：當程序執行過程中遇到異常情況時，會創建一個異常對象并將其拋出。
捕獲異常：異常被拋出后，程序可以捕獲這個異常并進行處理，而不是讓程序直接崩潰。

????????形象地說，這就像生活中 "上報問題" 和 "解決問題" 的過程：員工遇到無法解決的問題（拋出異常），上報給經理（捕獲異常），經理來處理這個問題。

12.2.2 try-catch-finally 語句

try-catch-finally是 Java 中處理異常的基本結構，語法如下：

try {// 可能會發生異常的代碼
} catch (異常類型1 異常對象名) {// 處理異常類型1的代碼
} catch (異常類型2 異常對象名) {// 處理異常類型2的代碼
} finally {// 無論是否發生異常，都會執行的代碼
}

try 塊：包含可能會拋出異常的代碼。
catch 塊：用于捕獲并處理 try 塊中拋出的異常。可以有多個 catch 塊，分別處理不同類型的異常。
finally 塊：無論是否發生異常，都會執行的代碼，通常用于釋放資源。

執行流程示意圖：

示例代碼：

public class TryCatchFinallyDemo {public static void main(String[] args) {int a = 10;int b = 0;int[] arr = {1, 2, 3};try {// 可能發生異常的代碼int result = a / b;  // 會拋出ArithmeticExceptionSystem.out.println("數組的第4個元素是：" + arr[3]);  // 會拋出ArrayIndexOutOfBoundsExceptionSystem.out.println("計算結果：" + result);} catch (ArithmeticException e) {// 處理算術異常System.out.println("發生算術異常：" + e.getMessage());e.printStackTrace();  // 打印異常堆棧信息} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {// 處理數組下標越界異常System.out.println("發生數組下標越界異常：" + e.getMessage());} finally {// 無論是否發生異常，都會執行System.out.println("finally塊執行了，通常用于釋放資源");}System.out.println("程序繼續執行...");}
}

運行上述代碼，輸出結果：

12.2.3 用 catch 捕獲多個異常

Java 7 及以上版本允許在一個catch塊中捕獲多種類型的異常，使用|分隔不同的異常類型。

示例代碼：

import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;public class MultiCatchDemo {public static void main(String[] args) {try {// 模擬可能拋出不同異常的操作int choice = Integer.parseInt(args[0]);if (choice == 1) {throw new FileNotFoundException("文件未找到");} else if (choice == 2) {throw new IOException("I/O操作失敗");} else if (choice == 3) {throw new ArithmeticException("算術錯誤");}} catch (FileNotFoundException e) {// 先捕獲子類異常System.out.println("處理文件未找到異常：" + e.getMessage());} catch (IOException e) {// 再捕獲父類異常System.out.println("處理其他I/O異常：" + e.getMessage());} catch (ArithmeticException e) {// 捕獲ArithmeticExceptionSystem.out.println("處理算術異常：" + e.getMessage());} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {// 捕獲數組下標越界異常（當沒有傳入命令行參數時）System.out.println("請傳入一個整數參數（1-3）");}System.out.println("程序結束");}
}

說明：

當一個catch塊捕獲多種異常類型時，這些異常類型不能有繼承關系。
這種寫法比多個catch塊更簡潔，尤其是當多種異常的處理邏輯相同時。
可以通過命令行參數來測試不同的異常情況：
- java MultiCatchDemo 1：測試 FileNotFoundException
- java MultiCatchDemo 2：測試 IOException
- java MultiCatchDemo 3：測試 ArithmeticException
- java MultiCatchDemo：測試 ArrayIndexOutOfBoundsException

12.2.4 聲明方法拋出異常

????????如果一個方法可能會拋出異常，但不想在方法內部處理，而是讓調用者來處理，可以使用throws關鍵字在方法聲明處聲明該方法可能拋出的異常。

語法：

修飾符 返回值類型 方法名(參數列表) throws 異常類型1, 異常類型2, ... {// 方法體
}

示例代碼：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;public class ThrowsDemo {// 聲明方法可能拋出FileNotFoundException和IOExceptionpublic static void readFile(String fileName) throws FileNotFoundException, IOException {FileInputStream fis = new FileInputStream(fileName);int data = fis.read();while (data != -1) {System.out.print((char) data);data = fis.read();}fis.close();}public static void main(String[] args) {try {// 調用聲明了拋出異常的方法，必須處理這些異常readFile("test.txt");} catch (FileNotFoundException e) {System.out.println("文件未找到：" + e.getMessage());} catch (IOException e) {System.out.println("文件讀取錯誤：" + e.getMessage());}System.out.println("\n程序執行完畢");}
}

說明：

對于 checked exception，如果方法不處理，就必須在方法聲明中用throws聲明。
對于 unchecked exception（RuntimeException 及其子類），可以不用throws聲明，編譯器不會強制要求。
調用聲明了異常的方法時，要么用try-catch處理這些異常，要么在當前方法中也用throws聲明繼續向上拋出。

12.2.5 用 throw 語句拋出異常

??throw語句用于手動拋出一個具體的異常對象。通常在滿足特定條件時，我們認為這是一個異常情況，就可以手動拋出異常。

語法：

throw 異常對象;

示例代碼：

public class ThrowDemo {// 計算年齡的方法，如果年齡不合法則拋出異常public static void printAge(int birthYear) {int currentYear = 2023;int age = currentYear - birthYear;if (birthYear < 1900 || birthYear > currentYear) {// 手動拋出異常throw new IllegalArgumentException("出生年份不合法：" + birthYear);}System.out.println("今年" + age + "歲");}public static void main(String[] args) {try {printAge(2000);  // 合法的出生年份printAge(2050);  // 不合法的出生年份，會拋出異常printAge(1850);  // 這行代碼不會執行} catch (IllegalArgumentException e) {System.out.println("捕獲到異常：" + e.getMessage());}System.out.println("程序繼續執行");}
}

運行結果：

throw與throws的區別：

throw用于方法內部，拋出的是一個具體的異常對象。
throws用于方法聲明處，聲明的是方法可能拋出的異常類型，可以是多個。

12.2.6 try-with-resources 語句

????????Java 7 引入了try-with-resources語句，用于自動管理資源（如文件流、數據庫連接等）。它確保在資源使用完畢后自動關閉資源，無需在finally塊中手動關閉。

要使用try-with-resources，資源類必須實現AutoCloseable接口（或其子類Closeable接口）。

語法：

try (資源聲明) {// 使用資源的代碼
} catch (異常類型 異常對象名) {// 處理異常的代碼
}

示例代碼：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;public class TryWithResourcesDemo {public static void main(String[] args) {// try-with-resources語句，資源會自動關閉try (FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt")) {int data = fis.read();while (data != -1) {System.out.print((char) data);data = fis.read();}} catch (FileNotFoundException e) {System.out.println("文件未找到：" + e.getMessage());} catch (IOException e) {System.out.println("文件讀取錯誤：" + e.getMessage());}System.out.println("\n程序執行完畢");}
}

傳統方式與 try-with-resources 對比：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;// 傳統方式需要在finally中手動關閉資源
public class TraditionalResourceHandling {public static void main(String[] args) {FileInputStream fis = null;try {fis = new FileInputStream("test.txt");// 使用資源，這里添加一些實際的讀取操作示例int data = fis.read();while (data != -1) {System.out.print((char) data);data = fis.read();}} catch (FileNotFoundException e) {e.printStackTrace();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {if (fis != null) {try {fis.close();  // 關閉資源可能也會拋出異常} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}}
}

說明：

try-with-resources語句可以聲明多個資源，用分號分隔。
資源的關閉順序與聲明順序相反。
try-with-resources語句也可以有catch和finally塊，用于處理異常或執行必要的清理工作。

12.3 自定義異常類

????????Java 提供的異常類可能無法滿足所有業務需求，這時我們可以自定義異常類。自定義異常類通常繼承自Exception（checked exception）或RuntimeException（unchecked exception）。

自定義異常類的步驟：

創建一個類，繼承Exception或RuntimeException。
提供構造方法，通常至少提供兩個構造方法：一個無參構造方法，一個帶有詳細信息的構造方法。

示例代碼：

// 自定義異常類：用戶年齡不合法異常
class InvalidAgeException extends Exception {// 無參構造方法public InvalidAgeException() {super();}// 帶有詳細信息的構造方法public InvalidAgeException(String message) {super(message);}
}// 自定義異常類：用戶姓名為空異常（繼承自RuntimeException）
class EmptyNameException extends RuntimeException {public EmptyNameException() {super();}public EmptyNameException(String message) {super(message);}
}// 使用自定義異常的示例
public class CustomExceptionDemo {// 注冊用戶的方法public static void registerUser(String name, int age) throws InvalidAgeException {if (name == null || name.trim().isEmpty()) {// 拋出unchecked異常，不需要在方法聲明中throwsthrow new EmptyNameException("用戶名不能為空");}if (age < 0 || age > 150) {// 拋出checked異常，需要在方法聲明中throwsthrow new InvalidAgeException("年齡不合法：" + age + "，年齡必須在0-150之間");}System.out.println("用戶注冊成功：" + name + "，" + age + "歲");}public static void main(String[] args) {try {registerUser("張三", 25);    // 正常情況registerUser("", 30);       // 姓名為空，會拋出EmptyNameExceptionregisterUser("李四", 200);   // 年齡不合法，會拋出InvalidAgeException} catch (InvalidAgeException e) {System.out.println("注冊失敗：" + e.getMessage());} catch (EmptyNameException e) {System.out.println("注冊失敗：" + e.getMessage());}System.out.println("程序結束");}
}

運行結果：

何時需要自定義異常：

當 Java 內置異常不能準確描述業務中的異常情況時。
希望通過異常類型來區分不同的錯誤場景，便于異常處理。
需要在異常中包含特定的業務信息時。

12.4 斷言

????????斷言（Assertion）是 Java 1.4 引入的特性，用于在程序開發和測試階段檢查某些條件是否滿足。如果斷言失敗，會拋出AssertionError。

12.4.1 使用斷言

斷言的語法有兩種形式：

簡單形式

assert 布爾表達式;

如果布爾表達式的值為false，則拋出AssertionError。

? ? 2.帶消息的形式：

assert 布爾表達式 : 消息表達式;

如果布爾表達式的值為false，則拋出AssertionError，并將消息表達式的值作為錯誤消息。

12.4.2 開啟和關閉斷言

????????默認情況下，Java 虛擬機（JVM）是關閉斷言功能的。要開啟斷言，需要使用-ea（或-enableassertions）參數。

開啟斷言的方式：

對所有類開啟斷言：java -ea 類名
對特定包開啟斷言：java -ea:包名... 類名
對特定類開啟斷言：java -ea:類名類名

關閉斷言的方式：

使用-da（或-disableassertions）參數，用法與-ea類似。

在 IDE（如 Eclipse、IntelliJ IDEA）中，可以在運行配置中設置 VM 參數來開啟或關閉斷言。

12.4.3 何時使用斷言

斷言主要用于：

檢查程序內部的 invariants（不變量），即那些在程序正常執行時必須為真的條件。
檢查方法的前置條件和后置條件。
檢查私有方法的參數有效性（對于公共方法，應使用異常來處理無效參數）。

注意：

斷言不應該用于檢查程序運行時可能出現的預期錯誤，如用戶輸入錯誤。
斷言可能會被關閉，因此不能依賴斷言來處理程序的關鍵功能。
不要在斷言表達式中包含有副作用的操作（如修改變量值），因為當斷言關閉時，這些操作不會執行。

12.4.4 斷言示例

public class AssertionDemo {// 計算三角形面積的方法（海倫公式）public static double calculateTriangleArea(double a, double b, double c) {// 檢查前置條件：三角形的三條邊必須為正數assert a > 0 && b > 0 && c > 0 : "三角形的邊長必須為正數";// 檢查前置條件：三角形任意兩邊之和大于第三邊assert a + b > c && a + c > b && b + c > a : "不滿足三角形兩邊之和大于第三邊";double s = (a + b + c) / 2;double area = Math.sqrt(s * (s - a) * (s - b) * (s - c));// 檢查后置條件：面積必須為正數assert area > 0 : "計算出的面積必須為正數";return area;}public static void main(String[] args) {try {double area1 = calculateTriangleArea(3, 4, 5);System.out.println("直角三角形的面積：" + area1);// 測試無效的三角形（兩邊之和不大于第三邊）double area2 = calculateTriangleArea(1, 1, 3);System.out.println("面積：" + area2);} catch (AssertionError e) {System.out.println("斷言失敗：" + e.getMessage());}}
}

運行說明：

當關閉斷言運行時（默認情況），程序不會檢查斷言條件，可能會計算出不合理的結果。
當開啟斷言運行時（java -ea AssertionDemo），第二個計算會觸發斷言失敗，輸出：

直角三角形的面積：6.0
斷言失敗：不滿足三角形兩邊之和大于第三邊

12.5 小結

本章我們學習了 Java 中的異常處理機制，主要內容包括：

異常的概念：異常是程序運行時發生的非正常事件，會中斷程序的正常執行。
異常類體系：所有異常類都繼承自Throwable，主要分為Error和Exception兩大類。Exception又分為 checked exception 和 unchecked exception。
異常處理機制：
- 使用try-catch-finally語句捕獲和處理異常。
- 使用throws聲明方法可能拋出的異常。
- 使用throw手動拋出異常。
- 使用try-with-resources自動管理資源。
自定義異常：當 Java 內置異常不能滿足需求時，可以自定義異常類。
斷言：用于開發和測試階段檢查某些條件是否滿足，默認是關閉的。

????????掌握異常處理是編寫健壯 Java 程序的關鍵。合理地使用異常處理機制，可以使程序在遇到錯誤時能夠優雅地處理，而不是直接崩潰，同時也便于調試和維護。

編程練習

練習 1：除法計算器
編寫一個程序，實現兩個整數的除法運算。要求：
- 處理除數為 0 的情況（ArithmeticException）。
- 處理輸入非整數的情況（InputMismatchException）。
- 使用 try-catch-finally 結構，確保程序在任何情況下都能友好地提示用戶。

練習 1 參考答案：

import java.util.InputMismatchException;
import java.util.Scanner;public class DivisionCalculator {public static void main(String[] args) {Scanner scanner = null;try {scanner = new Scanner(System.in);System.out.print("請輸入被除數：");int dividend = scanner.nextInt();System.out.print("請輸入除數：");int divisor = scanner.nextInt();int result = dividend / divisor;System.out.println(dividend + " / " + divisor + " = " + result);} catch (ArithmeticException e) {System.out.println("錯誤：除數不能為0");} catch (InputMismatchException e) {System.out.println("錯誤：請輸入有效的整數");} finally {if (scanner != null) {scanner.close();System.out.println("資源已釋放");}}System.out.println("程序結束");}
}