【C++】：异常

目录

C语言处理错误的方式

C++异常的概念

C++异常的使用

异常的抛出与捕获匹配原则

函数调用链中的栈展开 

异常重新抛出 

异常安全

异常规范

标准库异常体系

自定义异常体系

异常的优缺点

C语言处理错误的方式

  1. 返回值检查：函数返回特定错误码或值标识失败，但需逐层检查且易被忽略。

  2. 全局变量 errno：依赖全局变量记录错误类型，存在线程安全隐患和覆盖风险。

  3. 断言（Assert）：通过断言验证逻辑假设，但仅适用于调试且失败直接终止程序。

  4. 非局部跳转（setjmp/longjmp）：支持跨函数错误跳转，但易导致资源泄漏和代码混乱。

  5. 信号处理：捕获系统信号处理严重错误，但处理函数功能受限且不可靠。

  6. Goto清理：集中释放资源避免冗余，但滥用会破坏代码结构化逻辑。

C++异常的概念

C++ 异常处理是一种用于管理程序运行时错误的机制，它通过分离错误处理代码和正常逻辑来提高代码的可维护性。 

  • try：包裹可能抛出异常的代码块

  • throw：抛出异常对象（任意类型）

  • catch：捕获并处理特定类型的异常

try {// 可能抛出异常的代码if (error) throw MyException("Error occurred");
} 
catch (const MyException& e) {// 处理 MyException 类型异常std::cerr << e.what() << std::endl;
}
catch (...) {  // 捕获所有异常std::cerr << "Unknown error" << std::endl;
}

C++异常的使用

异常的抛出与捕获匹配原则

1、类型精确匹配

  • 异常捕获基于 类型匹配，catch 块按顺序尝试匹配异常类型

  • 被选中的处理代码（catch块）是调用链中与该对象类型匹配且离抛出异常位置最近的那一个。
  • 异常是通过抛出对象而引发的，该对象的类型决定了应该激活哪个catch的处理代码，如果抛出的异常对象没有捕获，或是没有匹配类型的捕获，那么程序会终止报错。
try {throw 42;  // 抛出 int 类型异常
}
catch (double d) { /* 不会捕获 */ }
catch (int i) {   // 匹配成功std::cout << "Caught int: " << i;
}

2、继承体系中的匹配

  • 基类 catch 块可以捕获派生类异常（需通过 引用或指针 捕获避免对象切片）

  • 捕获和抛出的异常类型并不一定要完全匹配，可以抛出派生类对象，使用基类进行捕获。

  • 推荐实践：优先捕获派生类异常，再捕获基类

try {throw std::runtime_error("Error");
}
catch (const std::runtime_error& e) {  // 优先匹配具体类型std::cerr << "Runtime error: " << e.what();
}
catch (const std::exception& e) {      // 基类捕获兜底std::cerr << "Standard exception: " << e.what();
}

3、特殊匹配规则

  • catch (...) 捕获所有异常（通常用于资源清理），但捕获后无法知道异常错误是什么。

  • const 修饰不影响匹配：catch (std::exception) 与 catch (const std::exception) 视为相同

函数调用链中的栈展开 

  • 当异常被抛出后，首先检查 throw 本身是否在try块内部，如果在则查找匹配的catch语句，如果有匹配的，则跳到catch的地方进行处理。
  • 如果当前函数栈没有匹配的 catch 则退出当前函数栈，继续在上一个调用函数栈中进行查找匹配的catch。找到匹配的catch子句并处理以后，会沿着 catch 子句后面继续执行，而不会跳回到原来抛异常的地方。
  • 如果到达main函数的栈，依旧没有找到匹配的catch，则终止程序。
void func3() 
{std::vector<int> localObj(100);  // RAII 对象throw std::runtime_error("Boom"); // 抛出异常// localObj 自动析构
}void func2() { func3(); }  // 异常继续传播
void func1() { func2(); }  // 异常继续传播int main() 
{try {func1();}catch (const std::exception& e) {std::cerr << "Caught: " << e.what();}return 0;
}

  1. 函数调用链：

    • main() 调用 func1()

    • func1() 调用 func2()

    • func2() 调用 func3()

  2. 异常抛出（func3）：

    • 在 func3() 中，首先构造局部对象 std::vector<int> localObj(100)（RAII管理内存）。

    • 执行 throw std::runtime_error("Boom")，抛出异常，函数执行中断。

  3. 栈展开（Stack Unwinding）：

    • func3 栈帧销毁：localObj 的析构函数自动调用，释放分配的100个int内存（RAII确保资源释放）。

    • func2 栈帧销毁：因无局部对象，直接退出。

    • func1 栈帧销毁：同理，无资源需清理。

  4. 异常捕获（main）：

    • 异常传播至 main() 的 try 块。

    • catch (const std::exception& e) 捕获异常（std::runtime_error 是 std::exception 的派生类）。

    • 输出错误信息：Caught: Boom。

异常重新抛出 

在 catch 块中使用 throw; 重新抛出当前异常

典型场景：

  • 记录日志后继续传播异常

  • 部分处理异常后交由上层处理

异常安全

  1. 构造函数完成对象的构造和初始化，最好不要在构造函数中抛出异常，否则可能导致对象不完整或没有完全初始化。
  2. 析构函数主要完成对象资源的清理，最好不要在析构函数中抛出异常，否则可能导致资源泄露（内存泄露、句柄未关闭等）。
  3. C++中异常经常会导致资源泄露的问题，比如在new和delete中抛出异常，导致内存泄露，在lock和unlock之间抛出异常导致死锁，C++经常使用RAII的方式来解决以上问题。

异常规范

1、优先使用 noexcept

  • 适用场景：

    • 移动操作、析构函数、内存释放函数（如 operator delete）。

    • 明确无失败可能的函数（如数学计算）。

double sqrt(double x) noexcept 
{ // 假设输入已校验，不会抛异常return std::sqrt(x); 
}

2. 避免使用动态异常声明

void oldFunc() throw(std::runtime_error); // C++17 已移除，禁止使用
// 替代方案：通过文档说明可能抛出的异常类型。

3、注意事项 

  1. 在函数的后面接throw(type1, type2, ...)，列出这个函数可能抛掷的所有异常类型。
  2. 在函数的后面接throw()或noexcept（C++11），表示该函数不抛异常。
  3. 若无异常接口声明，则此函数可以抛掷任何类型的异常。（异常接口声明不是强制的）
// 表示func函数可能会抛出A/B/C/D类型的异常
void func() throw(A, B, C, D);// 表示这个函数只会抛出bad_alloc的异常
void* operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc);// 表示这个函数不会抛出异常
void* operator new(std::size_t size, void* ptr) throw();

标准库异常体系

C++ 标准库提供了一套层次化的异常类体系，所有标准异常均继承自 std::exception 基类。这些异常类型覆盖了常见的程序错误场景，开发者可以直接使用或继承它们实现自定义异常。

std::exception
├── std::bad_alloc                // 内存分配失败（new 失败）
├── std::bad_cast                 // dynamic_cast 转换失败（非多态类型）
├── std::bad_typeid               // typeid 操作符作用于空指针
├── std::ios_base::failure        // I/O 流错误（如文件打开失败）
|
├── std::logic_error              // 程序逻辑错误（可预防的）
│   ├── std::invalid_argument     // 无效参数（如参数不符合预期范围）
│   ├── std::domain_error         // 数学运算定义域错误（如对负数取对数）
│   ├── std::length_error         // 超出允许长度（如 vector::reserve 超过 max_size）
│   └── std::out_of_range         // 访问越界（如 vector::at 越界索引）
|
└── std::runtime_error            // 运行时错误（不可预见的）├── std::range_error          // 计算结果超出有效范围（如浮点数转换溢出）├── std::overflow_error       // 算术上溢错误├── std::underflow_error      // 算术下溢错误└── std::system_error         // 系统调用错误（含错误码，C++11 引入）
  • exception类的 what成员函数 和 析构函数都定义成了虚函数，方便子类对其进行重写，从而达到多态的效果。
  • 我们也可以去继承exception类来实现自己的异常类，但实际中很多公司都会自己定义一套异常继承体系。

 自定义异常：通过继承 std::runtime_error 或 std::logic_error 添加额外信息。

#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");

代码示例

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <stdexcept>
#include <string>void readConfigFile(const std::string& filename) 
{std::ifstream file(filename);if (!file) {throw std::runtime_error("无法打开文件: " + 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 << "参数错误: " << e.what() << std::endl;}catch (const std::runtime_error& e) {std::cerr << "运行时错误: " << e.what() << std::endl;}catch (const std::exception& e) {std::cerr << "标准异常: " << e.what() << std::endl;}return 0;
}

自定义异常体系

实际中很多公司都会自定义自己的异常体系进行规范的异常管理。

  • 公司中的项目一般会进行模块划分，让不同的程序员或小组完成不同的模块，如果不对抛异常这件事进行规范，那么负责最外层捕获异常的程序员就非常难受了，因为他需要捕获大家抛出的各种类型的异常对象。
  • 因此实际中都会定义一套继承的规范体系，先定义一个最基础的异常类，所有人抛出的异常对象都必须是继承于该异常类的派生类对象，因为异常语法规定可以用基类捕获抛出的派生类对象，因此最外层就只需捕获基类就行了。

一、为何需要自定义异常？

  1. 错误分类：为特定领域（如文件I/O、网络、数据库）定义明确的错误类型。

  2. 携带额外信息：在异常对象中封装错误码、文件名、操作步骤等上下文信息。

  3. 统一接口：继承自 std::exception，兼容标准异常处理逻辑。

二、设计原则

  1. 继承标准异常：所有自定义异常应直接或间接继承 std::exception。

  2. 层次化结构：按错误类型分层（如 NetworkException 派生出 TimeoutException）。

  3. 支持多态：通过虚函数（如 what()）提供统一的错误信息接口。

  4. 异常安全：确保自定义异常类的构造函数和成员函数不抛出异常。

三、实现步骤

1. 基类设计（兼容标准异常） 

#include <exception>
#include <string>class Exception
{
public:// 构造函数（允许传入错误描述）Exception(int errid, const char* errmsg):_errid(errid), _errmsg(errmsg){}int GetErrid() const{return _errid;}// 重写 what()，返回错误信息virtual string what() const{return _errmsg;}
protected:int _errid;     //错误编号string _errmsg; //错误描述//...
};

2. 派生具体异常类

// 文件操作异常
class FileIOException : public Exception 
{
public:explicit FileIOException(const std::string& filename, const std::string& action): Exception("File Error: Failed to " + action + " file '" + filename + "'") {}
};// 网络超时异常
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. 使用自定义异常

void readFile(const std::string& filename) 
{std::ifstream file(filename);if (!file.is_open()) {// 抛出异常throw FileIOException(filename, "open");}// 文件操作...
}try 
{readFile("config.yaml");
} 
catch (const FileIOException& e) 
{std::cerr << "文件操作失败: " << e.what() << std::endl;// 尝试恢复或重试
}
catch (const MyBaseException& e) 
{std::cerr << "通用错误: " << e.what() << std::endl;
}

异常的优缺点

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