詳解c++中的異常

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一、什麼是異常處理

一句話：異常處理就是處理程序中的錯誤。

二、為什麼需要異常處理，異常處理的基本思想

C++之父Bjarne Stroustrup在《The C++ Programming Language》中講到：一個庫的作者可以檢測出發生瞭運行時錯誤，但一般不知道怎樣去處理它們（因為和用戶具體的應用有關）；另一方面，庫的用戶知道怎樣處理這些錯誤，但卻無法檢查它們何時發生（如果能檢測，就可以再用戶的代碼裡處理瞭，不用留給庫去發現）。

Bjarne Stroustrup說：提供異常的基本目的就是為瞭處理上面的問題。基本思想是：讓一個函數在發現瞭自己無法處理的錯誤時拋出（throw）一個異常，然後它的（直接或者間接）調用者能夠處理這個問題。

The fundamental idea is that a function that finds a problem it cannot cope with throws an exception, hoping that its (direct or indirect) caller can handle the problem.

也就是《C++ primer》中說的：將問題檢測和問題處理相分離。

Exceptions let us separate problem detection from problem resolution

一種思想：在所有支持異常處理的編程語言中（例如java），要認識到的一個思想：在異常處理過程中，由問題檢測代碼可以拋出一個對象給問題處理代碼，通過這個對象的類型和內容，實際上完成瞭兩個部分的通信，通信的內容是“出現瞭什麼錯誤”。當然，各種語言對異常的具體實現有著或多或少的區別，但是這個通信的思想是不變的。

三、異常出現之前處理錯誤的方式

在C語言的世界中，對錯誤的處理總是圍繞著兩種方法：一是使用整型的返回值標識錯誤；二是使用errno宏（可以簡單的理解為一個全局整型變量）去記錄錯誤。當然C++中仍然是可以用這兩種方法的。

這兩種方法最大的缺陷就是會出現不一致問題。例如有些函數返回1表示成功，返回0表示出錯；而有些函數返回0表示成功，返回非0表示出錯。

還有一個缺點就是函數的返回值隻有一個，你通過函數的返回值表示錯誤代碼，那麼函數就不能返回其他的值。當然，你也可以通過指針或者C++的引用來返回另外的值，但是這樣可能會令你的程序略微晦澀難懂。

四、異常為什麼好

在如果使用異常處理的優點有以下幾點：

1. 函數的返回值可以忽略，但異常不可忽略。如果程序出現異常，但是沒有被捕獲，程序就會終止，這多少會促使程序員開發出來的程序更健壯一點。而如果使用C語言的error宏或者函數返回值，調用者都有可能忘記檢查，從而沒有對錯誤進行處理，結果造成程序莫名其面的終止或出現錯誤的結果。

2. 整型返回值沒有任何語義信息。而異常卻包含語義信息，有時你從類名就能夠體現出來。

3. 整型返回值缺乏相關的上下文信息。異常作為一個類，可以擁有自己的成員，這些成員就可以傳遞足夠的信息。

4. 異常處理可以在調用跳級。這是一個代碼編寫時的問題：假設在有多個函數的調用棧中出現瞭某個錯誤，使用整型返回碼要求你在每一級函數中都要進行處理。而使用異常處理的棧展開機制，隻需要在一處進行處理就可以瞭，不需要每級函數都處理。

五、C++中使用異常時應註意的問題

任何事情都是兩面性的，異常有好處就有壞處。如果你是C++程序員，並且希望在你的代碼中使用異常，那麼下面的問題是你要註意的。

1. 性能問題。這個一般不會成為瓶頸，但是如果你編寫的是高性能或者實時性要求比較強的軟件，就需要考慮瞭。

（如果你像我一樣，曾經是java程序員，那麼下面的事情可能會讓你一時迷糊，但是沒辦法，誰叫你現在學的是C++呢。）

2. 指針和動態分配導致的內存回收問題：在C++中，不會自動回收動態分配的內存，如果遇到異常就需要考慮是否正確的回收瞭內存。在java中，就基本不需要考慮這個，有垃圾回收機制真好！

3. 函數的異常拋出列表：java中是如果一個函數沒有在異常拋出列表中顯式指定要拋出的異常，就不允許拋出；可是在C++中是如果你沒有在函數的異常拋出列表指定要拋出的異常，意味著你可以拋出任何異常。

4. C++中編譯時不會檢查函數的異常拋出列表。這意味著你在編寫C++程序時，如果在函數中拋出瞭沒有在異常拋出列表中聲明的異常，編譯時是不會報錯的。而在java中，eclipse的提示功能真的好強大啊！

5. 在java中，拋出的異常都要是一個異常類；但是在C++中，你可以拋出任何類型，你甚至可以拋出一個整型。（當然，在C++中如果你catch中接收時使用的是對象，而不是引用的話，那麼你拋出的對象必須要是能夠復制的。這是語言的要求，不是異常處理的要求）。

6. 在C++中是沒有finally關鍵字的。而java和python中都是有finally關鍵字的。

六、異常的基本語法

1. 拋出和捕獲異常

很簡單，拋出異常用throw，捕獲用try……catch。

捕獲異常時的註意事項：

1. catch子句中的異常說明符必須是完全類型，不可以為前置聲明，因為你的異常處理中常常要訪問異常類的成員。例外：隻有你的catch子句使用指針或者引用接收參數，並且在catch子句內你不訪問異常類的成員，那麼你的catch子句的異常說明符才可以是前置聲明的類型。

2. catch的匹配過程是找最先匹配的，不是最佳匹配。

3. catch的匹配過程中，對類型的要求比較嚴格。不允許標準算術轉換和類類型的轉換。（類類型的轉化包括兩種：通過構造函數的隱式類型轉化和通過轉化操作符的類型轉化）。

4. 和函數參數相同的地方有：

①如果catch中使用基類對象接收子類對象，那麼會造成子類對象分隔（slice）為父類子對象（通過調用父類的復制構造函數）；

②如果catch中使用基類對象的引用接受子類對象，那麼對虛成員的訪問時，會發生動態綁定，即會多態調用。

③如果catch中使用基類對象的指針，那麼一定要保證throw語句也要拋出指針類型，並且該指針所指向的對象，在catch語句執行是還存在（通常是動態分配的對象指針）。

5. 和函數參數不同的地方有：

①如果throw中拋出一個對象，那麼無論是catch中使用什麼接收（基類對象、引用、指針或者子類對象、引用、指針），在傳遞到catch之前，編譯器都會另外構造一個對象的副本。也就是說，如果你以一個throw語句中拋出一個對象類型，在catch處通過也是通過一個對象接收，那麼該對象經歷瞭兩次復制，即調用瞭兩次復制構造函數。一次是在throw時，將“拋出到對象”復制到一個“臨時對象”（這一步是必須的），然後是因為catch處使用對象接收，那麼需要再從“臨時對象”復制到“catch的形參變量”中； 如果你在catch中使用“引用”來接收參數，那麼不需要第二次復制，即形參的引用指向臨時變量。

② 該對象的類型與throw語句中體現的靜態類型相同。也就是說，如果你在throw語句中拋出一個指向子類對象的父類引用，那麼會發生分割現象，即隻有子類對象中的父類部分會被拋出，拋出對象的類型也是父類類型。（從實現上講，是因為復制到“臨時對象”的時候，使用的是throw語句中類型的（這裡是父類的）復制構造函數）。

③ 不可以進行標準算術轉換和類的自定義轉換：在函數參數匹配的過程中，可以進行很多的類型轉換。但是在異常匹配的過程中，轉換的規則要嚴厲。

④ 異常處理機制的匹配過程是尋找最先匹配（first fit），函數調用的過程是尋找最佳匹配（best fit）。

2. 異常類型

上面已經提到過，在C++中，你可以拋出任何類型的異常。（哎，竟然可以拋出任何類型，剛看到到這個的時候，我半天沒反應過來，因為java中這樣是不行的啊）。

註意：也是上面提到過的，在C++中如果你throw語句中拋出一個對象，那麼你拋出的對象必須要是能夠復制的。因為要進行復制副本傳遞，這是語言的要求，不是異常處理的要求。（在上面“和函數參數不同的地方”中也講到瞭，因為是要復制先到一個臨時變量中）

3. 棧展開

棧展開指的是：當異常拋出後，匹配catch的過程。

拋出異常時，將暫停當前函數的執行，開始查找匹配的catch子句。沿著函數的嵌套調用鏈向上查找，直到找到一個匹配的catch子句，或者找不到匹配的catch子句。

註意事項：

1. 在棧展開期間，會銷毀局部對象。

① 如果局部對象是類對象，那麼通過調用它的析構函數銷毀。

② 但是對於通過動態分配得到的對象，編譯器不會自動刪除，所以我們必須手動顯式刪除。（這個問題是如此的常見和重要，以至於會用到一種叫做RAII的方法，詳情見下面講述）

2.析構函數應該從不拋出異常。如果析構函數中需要執行可能會拋出異常的代碼，那麼就應該在析構函數內部將這個異常進行處理，而不是將異常拋出去。

原因：在為某個異常進行棧展開時，析構函數如果又拋出自己的未經處理的另一個異常，將會導致調用標準庫 terminate 函數。而默認的terminate 函數將調用 abort 函數，強制從整個程序非正常退出。

3.構造函數中可以拋出異常。但是要註意到：如果構造函數因為異常而退出，那麼該類的析構函數就得不到執行。所以要手動銷毀在異常拋出前已經構造的部分。

4. 異常重新拋出

語法：使用一個空的throw語句。即寫成： throw;

註意問題：

① throw; 語句出現的位置，隻能是catch子句中或者是catch子句調用的函數中。

② 重新拋出的是原來的異常對象，即上面提到的“臨時變量”，不是catch形參。

③ 如果希望在重新拋出之前修改異常對象，那麼應該在catch中使用引用參數。如果使用對象接收的話，那麼修改異常對象以後，不能通過“重新拋出”來傳播修改的異常對象，因為重新拋出不是catch形參，應該使用的是 throw e; 這裡“e”為catch語句中接收的對象參數。

5. 捕獲所有異常（匹配任何異常）

語法：在catch語句中，使用三個點（…）。即寫成：catch (…) 這裡三個點是“通配符”，類似 可變長形式參數。

常見用法：與“重新拋出”表達式一起使用，在catch中完成部分工作，然後重新拋出異常。

6. 未捕獲的異常

意思是說，如果程序中有拋出異常的地方，那麼就一定要對其進行捕獲處理。否則，如果程序執行過程中拋出瞭一個異常，而又沒有找到相應的catch語句，那麼會和“棧展開過程中析構函數拋出異常”一樣，會 調用terminate 函數，而默認的terminate 函數將調用 abort 函數，強制從整個程序非正常退出。

7. 構造函數的函數測試塊

對於在構造函數的初始化列表中拋出的異常，必須使用函數測試塊（function try block）來進行捕捉。語法類型下面的形式：

MyClass::MyClass(int i) 
try :member(i) { 
    //函數體 
} catch(異常參數) { 
    //異常處理代碼 
}

註意事項：在函數測試塊中捕獲的異常，在catch語句中可以執行一個內存釋放操作，然後異常仍然會再次拋出到用戶代碼中。

8. 異常拋出列表（異常說明 exception specification）

就是在函數的形參表之後（如果是const成員函數，那麼在const之後），使用關鍵字throw聲明一個帶著括號的、可能為空的 異常類型列表。形如：throw () 或者 throw (runtime_error, bad_alloc) 。

含義：表示該函數隻能拋出在列表中的異常類型。例如：throw() 表示不拋出任何異常。而throw (runtime_error, bad_alloc)表示隻能拋出runtime_error 或bad_alloc兩種異常。

註意事項：（以前學java的尤其要註意，和java中不太一樣）

① 如果函數沒有顯式的聲明 拋出列表，表示異常可以拋出任意列表。（在java中，如果沒有異常拋出列表，那麼是不能拋出任何異常的）。

② C++的 “throw()”相當於java的不聲明拋出列表。都表示不拋出任何異常。

③ 在C++中，編譯的時候，編譯器不會對異常拋出列表進行檢查。也就是說，如果你聲明瞭拋出列表，即使你的函數代碼中拋出瞭沒有在拋出列表中指定的異常，你的程序依然可以通過編譯，到運行時才會出錯，對於這樣的異常，在C++中稱為“意外異常”（unexpeced exception）。（這點和java又不相同，在java中，是要進行嚴格的檢查的）。

意外異常的處理：

如果程序中出現瞭意外異常，那麼程序就會調用函數unexpected()。這個函數的默認實現是調用terminate函數，即默認最終會終止程序。

虛函數重載方法時異常拋出列表的限制：

在子類中重載時，函數的異常說明 必須要比父類中要同樣嚴格，或者更嚴格。換句話說，在子類中相應函數的異常說明不能增加新的異常。或者再換句話說：父類中異常拋出列表是該虛函數的子類重載版本可以拋出異常列表的超集。

函數指針中異常拋出列表的限制：

異常拋出列表是函數類型的一部分，在函數指針中也可以指定異常拋出列表。但是在函數指針初始化或者賦值時，除瞭要檢查返回值和形式參數外，還要註意異常拋出列表的限制：源指針的異常說明必須至少和目標指針的一樣嚴格。比較拗口，換句話說，就是聲明函數指針時指定的異常拋出列表，一定要實際函數的異常拋出列表的超集。 如果定義函數指針時不提供異常拋出列表，那麼可以指向能夠拋出任意類型異常的函數。

拋出列表是否有用：

在《More effective C++》第14條，Scott Meyers指出“要謹慎的使用異常說明”（Use exception specifications judiciously）。“異常說明”，就是我們所有的“異常拋出列表”。之所以要謹慎，根本原因是因為C++編譯器不會檢查異常拋出列表，這樣就可能在函數代碼中、或者調用的函數中拋出瞭沒有在拋出列表中指定的異常，從而導致程序調用unexpected函數，造成程序提前終止。同時他給出瞭三條要考慮的事情：

① 在模板中不要使用異常拋出列表。（原因很簡單，連用來實例模板的類型都不知道，也就無法確定該函數是否應該拋出異常，拋出什麼異常）。

② 如果A函數內調用瞭B函數，而B函數沒有聲明異常拋出列表，那麼A函數本身也不應該設定異常拋出列表。（原因是，B函數可能拋出沒有在A函數的異常拋出列表中聲明的異常，會導致調用unex函數）；

③ 通過set_unexpected函數指定一個新的unexpected函數，在該函數中捕獲異常，並拋出一個統一類型的異常。

另外，在《C++ Primer》4th 中指出，雖然異常說明應用有限，但是如果能夠確定該函數不會拋出異常，那麼顯式聲明其不拋出任何異常 有好處。通過語句：”throw ()”。這樣的好處是：對於程序員，當調用這樣的函數時，不需要擔心異常。對於編譯器，可以執行被可能拋出異常所抑制的優化。

七、標準庫中的異常類

和java一樣，標準庫中也提供瞭很多的異常類，它們是通過類繼承組織起來的。標準異常被組織成八個。

異常類繼承層級結構圖如下：

每個類所在的頭文件在圖下方標識出來.

標準異常類的成員：

① 在上述繼承體系中，每個類都有提供瞭構造函數、復制構造函數、和賦值操作符重載。

② logic_error類及其子類、runtime_error類及其子類，它們的構造函數是接受一個string類型的形式參數，用於異常信息的描述；

③ 所有的異常類都有一個what()方法，返回const char* 類型（C風格字符串）的值，描述異常信息。

標準異常類的具體描述：

異常名稱 描述
exception 所有標準異常類的父類
bad_alloc 當operator new and operator new[]，請求分配內存失敗時
bad_exception 這是個特殊的異常，如果函數的異常拋出列表裡聲明瞭bad_exception異常，當函數內部拋出瞭異常拋出列表中沒有的異常，這是調用的unexpected函數中若拋出異常，不論什麼類型，都會被替換為bad_exception類型
bad_typeid 使用typeid操作符，操作一個NULL指針，而該指針是帶有虛函數的類，這時拋出bad_typeid異常
bad_cast 使用dynamic_cast轉換引用失敗的時候
ios_base::failure io操作過程出現錯誤
logic_error 邏輯錯誤，可以在運行前檢測的錯誤
runtime_error 運行時錯誤，僅在運行時才可以檢測的錯誤

logic_error的子類：

<異常名稱 描述
length_error 試圖生成一個超出該類型最大長度的對象時，例如vector的resize操作
domain_error 參數的值域錯誤，主要用在數學函數中。例如使用一個負值調用隻能操作非負數的函數
out_of_range 超出有效范圍
invalid_argument 參數不合適。在標準庫中，當利用string對象構造bitset時，而string中的字符不是’0’或’1’的時候，拋出該異常

runtime_error的子類：

異常名稱 描述
range_error 計算結果超出瞭有意義的值域范圍
overflow_error 算術計算上溢
underflow_error 算術計算下溢

八、編寫自己的異常類

1. 為什麼要編寫自己的異常類？

① 標準庫中的異常是有限的；

② 在自己的異常類中，可以添加自己的信息。（標準庫中的異常類值允許設置一個用來描述異常的字符串）。

2. 如何編寫自己的異常類？

①建議自己的異常類要繼承標準異常類。因為C++中可以拋出任何類型的異常，所以我們的異常類可以不繼承自標準異常，但是這樣可能會導致程序混亂，尤其是當我們多人協同開發時。

② 當繼承標準異常類時，應該重載父類的what函數和虛析構函數。

③ 因為棧展開的過程中，要復制異常類型，那麼要根據你在類中添加的成員考慮是否提供自己的復制構造函數。

九、用類來封裝資源分配和釋放

為什麼要使用類來封裝資源分配和釋放？

為瞭防止內存泄露。因為在函數中發生異常，那麼對於動態分配的資源，就不會自動釋放，必須要手動顯式釋放，否則就會內存泄露。而對於類對象，會自動調用其析構函數。如果我們在析構函數中顯式delete這些資源，就能保證這些動態分配的資源會被釋放。

如何編寫這樣的類？

將資源的分配和銷毀用類封轉起來。在析構函數中要顯式的釋放（delete或delete[]）這些資源。這樣，若用戶代碼中發生異常，當作用域結束時，會調用給該類的析構函數釋放資源。這種技術被稱為：資源分配即初始化。（resource allocation is initialization，縮寫為”RAII”）。

十、auto_ptr的使用（非常重要）

“用類封裝資源的分配和釋放”是如此的重要，C++標準庫為我們提供瞭一個模板類來實現這個功能。名稱為auto_ptr，在memory頭文件中。

auto_ptr類的成員如下：（摘自《C++ Primer》）

函數 功能
auto_ptr <T> ap() 默認構造函數，創建名為ap的未綁定的auto_ptr對象
auto_ptr<T> ap(p); 創建名為 ap 的 auto_ptr 對象，ap 擁有指針 p 指向的對象。該構造函數為 explicit
auto_ptr<T> ap1(ap2); 創建名為 ap1 的 auto_ptr 對象，ap1 保存原來存儲在 ap2 中的指針。將所有權轉給 ap1，ap2 成為未綁定的 auto_ptr 對象
ap1 = ap2 將所有權 ap2 轉給 ap1。刪除 ap1 指向的對象並且使 ap1 指向 ap2 指向的對象，使 ap2 成為未綁定的
~ap 析構函數。刪除 ap 指向的對象
*ap 返回對 ap 所綁定的對象的引用
ap-> 返回 ap 保存的指針
ap.reset(p) 如果 p 與 ap 的值不同，則刪除 ap 指向的對象並且將 ap 綁定到 p
ap.release() 返回 ap 所保存的指針並且使 ap 成為未綁定的
ap.get() 返回 ap 保存的指針

auto_ptr類的使用：

1. 用來保存一個指向對象類型的指針。註意必須是動態分配的對象（即使用new非配的）的指針。既不能是動態分配的數組（使用new []）指針，也不能是非動態分配的對象指針。

2. 慣用的初始化方法：在用戶代碼中，使用new表達式作為auto_ptr構造函數的參數。（註意：auto_ptr類接受指針參數的構造函數為explicit，所以必須顯式的進行初始化）。

3. auto_ptr的行為特征：類似普通指針行為。auto_ptr存在的主要原因就是，為瞭防止動態分配的對象指針造成的內存泄露，既然是指針，其具有”*”操作符和”->”操作符。所以auto_ptr的主要目的就是：首先保證自動刪除auto_ptr所引用的對象，並且要支持普通指針行為。

4. auto_ptr對象的復制和賦值是有破壞性的。① 會導致右操作數成為未綁定的，導致auto_ptr對象不能放到容器中；② 在賦值的時候，將有操作符修改為未綁定，即修改瞭右操作數，所以要保證這裡的賦值操作符右操作數是可以修改的左值（然而普通的賦值操作符中，右操作數可以不是左值）；③和普通的賦值操作符一樣，如果是自我賦值，那麼沒有效果；④ 導致auto_ptr對象不能放到容器中。

5. 如果auto_ptr初始化的時候，使用默認構造函數，成為未綁定的auto_ptr對象，那麼可以通過reset操作將其綁定到一個對象。

6. 如果希望測試auto_ptr是否已經綁定到瞭一個對象，那麼使用get()函數的返回值與NULL進行比較。

auto_ptr的缺陷：

1. 不能使用auto_ptr對象保存指向靜態分配的對象的指針，也不能保存指向動態分配的數組的指針。

2. 不能講兩個auto_ptr對象指向同一個對象。因為在一個auto_ptr對象析構以後，造成另一個auto_ptr對象指向瞭已經釋放的內存。造成這種情況的兩種主要常見原因是：① 用同一個指針來初始化或者reset兩個不同的auto_ptr對象；② 使用一個auto_ptr對象的get函數返回值去初始化或者reset另一個auto_ptr對象。

3.不能將auto_ptr對象放到容器中。因為其復制和賦值操作具有破壞性。

十一、常見的異常處理問題

動態內存分配錯誤

① 分配動態內存使用的是new和new[]操作符，如果他們分配內存失敗，就會拋出bad_alloc異常，在new頭文件中，所以我們的代碼中應該捕捉這些異常。常見的代碼形式如下：

try{//其他代碼 ptr =newint[num_max];//其他代碼 }catch(bad_alloc &e) {//這裡常見的處理方式為：先釋放已經分配的內存，然後結束程序，或者打印一條錯誤信息並繼續執行 }

② 可以使用類似C語言的方式處理，但這時要使用的nothrow版本，使用”new (nothrow)”的形式分配內存。這時，如果分配不成功，返回的是NULL指針，而不再是拋出bad_alloc異常。

③ 可以定制內存分配失敗行為。C++允許指定一個new 處理程序（newhandler）回調函數。默認的並沒有new 處理程序，如果我們設置瞭new 處理程序，那麼當new和new[] 分配內存失敗時，會調用我們設定的new 處理程序，而不是直接拋出異常。通過set_new_handler函數來設置該回調函數。要求被回調的函數沒有返回值，也沒有形式參數。

十二、來自C++之父Bjarne Stroustrup的建議

節選自《The C++ Programming Language》 ——C++之父Bjarne Stroustrup

1.Don’t use exceptions where more local control structures will suffice; 當局部的控制能夠處理時，不要使用異常；

2.Use the “resource allocation is initialization” technique to manage resources; 使用“資源分配即初始化”技術去管理資源；
3.Minimize the use of try-blocks. Use “resource acquisition is initialization” instead of explicit handler code; 盡量少用try-catch語句塊，而是使用“資源分配即初始化”技術。

4.Throw an exception to indicate failure in a constructor; 如果構造函數內發生錯誤，通過拋出異常來指明。

5.Avoid throwing exceptions from destructors; 避免在析構函數中拋出異常。

6.Keep ordinary code and error-handling code separate; 保持普通程序代碼和異常處理代碼分開。

7.Beware of memory leaks caused by memory allocated bynewnot being released in case of an exception; 小心通過new分配的內存在發生異常時，可能造成內存泄露。

8.Assume that every exception that can be thrown by a function will be thrown; 如果一個函數可能拋出某種異常，那麼我們調用它時，就要假定它一定會拋出該異常，即要進行處理。

9.Don’t assume that every exception is derived from classexception; 要記住，不是所有的異常都繼承自exception類。

10.A library shouldn’t unilaterally terminate a program. Instead, throw an exception and let a caller decide; 編寫的供別人調用的程序庫，不應該結束程序，而應該通過拋出異常，讓調用者決定如何處理（因為調用者必須要處理拋出的異常）。

11.Develop an error-handling strategy early in a design; 若開發一個項目，那麼在設計階段就要確定“錯誤處理的策略”。

以上就是詳解c++中的異常的詳細內容，更多關於c++中的異常的資料請關註WalkonNet其它相關文章！

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