C++ throw關鍵字實現拋出異常和異常規范

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在《C++異常入門》一節中，我們講到瞭 C++ 異常處理的流程，具體為：

拋出（Throw）–> 檢測（Try） –> 捕獲（Catch）

異常必須顯式地拋出，才能被檢測和捕獲到；如果沒有顯式的拋出，即使有異常也檢測不到。

在 C++ 中，我們使用 throw 關鍵字來顯式地拋出異常，它的用法為： 

throw exceptionData;

exceptionData 是“異常數據”的意思，它可以包含任意的信息，完全有程序員決定。exceptionData 可以是 int、float、bool 等基本類型，也可以是指針、數組、字符串、結構體、類等聚合類型，請看下面的例子： 

char str[] = "http://c.biancheng.net";
char *pstr = str;
class Base{};
Base obj;
throw 100;  //int 類型
throw str;  //數組類型
throw pstr;  //指針類型
throw obj;  //對象類型

一個動態數組的例子

C/C++ 規定，數組一旦定義後，它的長度就不能改變瞭；換句話說，數組容量不能動態地增大或者減小。這樣的數組稱為靜態數組（Static array）。靜態數組有時候會給編碼代碼不便，我們可以通過自定義的 Array 類來實現動態數組（Dynamic array）。所謂動態數組，是指數組容量能夠在使用的過程中隨時增大或減小。

下面這段代碼雖然有點長，但它是一個典型的使用異常的場景，請大傢耐心閱讀。 

#include <iostream>
#include <cstdlib>
using namespace std;
//自定義的異常類型
class OutOfRange{
public:
    OutOfRange(): m_flag(1){ };
    OutOfRange(int len, int index): m_len(len), m_index(index), m_flag(2){ }
public:
    void what() const;  //獲取具體的錯誤信息
private:
    int m_flag;  //不同的flag表示不同的錯誤
    int m_len;  //當前數組的長度
    int m_index;  //當前使用的數組下標
};
void OutOfRange::what() const {
    if(m_flag == 1){
        cout<<"Error: empty array, no elements to pop."<<endl;
    }else if(m_flag == 2){
        cout<<"Error: out of range( array length "<<m_len<<", access index "<<m_index<<" )"<<endl;
    }else{
        cout<<"Unknown exception."<<endl;
    }
}
//實現動態數組
class Array{
public:
    Array();
    ~Array(){ free(m_p); };
public:
    int operator[](int i) const;  //獲取數組元素
    int push(int ele);  //在末尾插入數組元素
    int pop();  //在末尾刪除數組元素
    int length() const{ return m_len; };  //獲取數組長度
private:
    int m_len;  //數組長度
    int m_capacity;  //當前的內存能容納多少個元素
    int *m_p;  //內存指針
private:
    static const int m_stepSize = 50;  //每次擴容的步長
};
Array::Array(){
    m_p = (int*)malloc( sizeof(int) * m_stepSize );
    m_capacity = m_stepSize;
    m_len = 0;
}
int Array::operator[](int index) const {
    if( index<0 || index>=m_len ){  //判斷是否越界
        throw OutOfRange(m_len, index);  //拋出異常（創建一個匿名對象）
    }
    return *(m_p + index);
}
int Array::push(int ele){
    if(m_len >= m_capacity){  //如果容量不足就擴容
        m_capacity += m_stepSize;
        m_p = (int*)realloc( m_p, sizeof(int) * m_capacity );  //擴容
    }
    *(m_p + m_len) = ele;
    m_len++;
    return m_len-1;
}
int Array::pop(){
    if(m_len == 0){
         throw OutOfRange();  //拋出異常（創建一個匿名對象）
    }
    m_len--;
    return *(m_p + m_len);
}
//打印數組元素
void printArray(Array &arr){
    int len = arr.length();
    //判斷數組是否為空
    if(len == 0){
        cout<<"Empty array! No elements to print."<<endl;
        return;
    }
    for(int i=0; i<len; i++){
        if(i == len-1){
            cout<<arr[i]<<endl;
        }else{
            cout<<arr[i]<<", ";
        }
    }
}
int main(){
    Array nums;
    //向數組中添加十個元素
    for(int i=0; i<10; i++){
        nums.push(i);
    }
    printArray(nums);
    //嘗試訪問第20個元素
    try{
        cout<<nums[20]<<endl;
    }catch(OutOfRange &e){
        e.what();
    }
    //嘗試彈出20個元素
    try{
        for(int i=0; i<20; i++){
            nums.pop();
        }
    }catch(OutOfRange &e){
        e.what();
    }
    printArray(nums);
    return 0;
}

運行結果：
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
Error: out of range( array length 10, access index 20 )
Error: empty array, no elements to pop.
Empty array! No elements to print.

Array 類實現瞭動態數組，它的主要思路是：在創建對象時預先分配出一定長度的內存（通過 malloc() 分配），內存不夠用時就再擴展內存（通過 realloc() 重新分配）。Array 數組隻能在尾部一個一個地插入（通過 push() 插入）或刪除（通過 pop() 刪除）元素。

我們通過重載過的[ ]運算符來訪問數組元素，如果下標過小或過大，就會拋出異常（第53行代碼）；在拋出異常的同時，我們還記錄瞭當前數組的長度和要訪問的下標。

在使用 pop() 刪除數組元素時，如果當前數組為空，也會拋出錯誤。

throw 用作異常規范

throw 關鍵字除瞭可以用在函數體中拋出異常，還可以用在函數頭和函數體之間，指明當前函數能夠拋出的異常類型，這稱為異常規范（Exception specification），有些教程也稱為異常指示符或異常列表。請看下面的例子：
double func (char param) throw (int);

這條語句聲明瞭一個名為 func 的函數，它的返回值類型為 double，有一個 char 類型的參數，並且隻能拋出 int 類型的異常。如果拋出其他類型的異常，try 將無法捕獲，隻能終止程序。

如果函數會拋出多種類型的異常，那麼可以用逗號隔開： 

double func (char param) throw (int, char, exception);

如果函數不會拋出任何異常，那麼( )中什麼也不寫： 

double func (char param) throw ();

如此，func() 函數就不能拋出任何類型的異常瞭，即使拋出瞭，try 也檢測不到。

1) 虛函數中的異常規范

C++ 規定，派生類虛函數的異常規范必須與基類虛函數的異常規范一樣嚴格，或者更嚴格。隻有這樣，當通過基類指針（或者引用）調用派生類虛函數時，才能保證不違背基類成員函數的異常規范。請看下面的例子： 

class Base{
public:
    virtual int fun1(int) throw();
    virtual int fun2(int) throw(int);
    virtual string fun3() throw(int, string);
};
class Derived:public Base{
public:
    int fun1(int) throw(int);   //錯！異常規范不如 throw() 嚴格
    int fun2(int) throw(int);   //對！有相同的異常規范
    string fun3() throw(string);  //對！異常規范比 throw(int,string) 更嚴格
}

2) 異常規范與函數定義和函數聲明

C++ 規定，異常規范在函數聲明和函數定義中必須同時指明，並且要嚴格保持一致，不能更加嚴格或者更加寬松。

請看下面的幾組函數： 

//錯！定義中有異常規范，聲明中沒有
void func1();
void func1() throw(int) { }
//錯！定義和聲明中的異常規范不一致
void func2() throw(int);
void func2() throw(int, bool) { }
//對！定義和聲明中的異常規范嚴格一致
void func3() throw(float, char*);
void func3() throw(float, char*) { }

請拋棄異常規范，不要再使用它

異常規范的初衷是好的，它希望讓程序員看到函數的定義或聲明後，立馬就知道該函數會拋出什麼類型的異常，這樣程序員就可以使用 try-catch 來捕獲瞭。如果沒有異常規范，程序員必須閱讀函數源碼才能知道函數會拋出什麼異常。

不過這有時候也不容易做到。例如，func_outer() 函數可能不會引發異常，但它調用瞭另外一個函數 func_inner()，這個函數可能會引發異常。再如，您編寫的函數調用瞭老式的庫函數，此時不會引發異常，但是庫更新以後這個函數卻引發瞭異常。總之，異常規范的初衷實現起來有點困難，所以大傢達成的一致意見是，最好不要使用異常規范。

異常規范是 C++98 新增的一項功能，但是後來的 C++11 已經將它拋棄瞭，不再建議使用。

另外，各個編譯器對異常規范的支持也不一樣，請看下面的代碼： 

#include <iostream>
#include <string>
#include <exception>
using namespace std;
void func()throw(char*, exception){
    throw 100;
    cout<<"[1]This statement will not be executed."<<endl;
}
int main(){
    try{
        func();
    }catch(int){
        cout<<"Exception type: int"<<endl;
    }
    return 0;
}

在 GCC 下，這段代碼運行到第 7 行時程序會崩潰。雖然 func() 函數中發生瞭異常，但是由於 throw 限制瞭函數隻能拋出 char*、exception 類型的異常，所以 try-catch 將捕獲不到異常，隻能交給系統處理，終止程序。

在 Visual C++ 下，輸出結果為Exception type: int，這說明異常被成功捕獲瞭。在 Visual C++ 中使用異常規范雖然沒有語法錯誤，但是也沒有任何效果，Visual C++ 會直接忽略異常規范的限制，函數可以拋出任何類型的異常。

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