C++解析(28)：異常處理

時間  2019-11-08
標籤 c++ 解析 異常 處理 欄目 C&C++ 简体版
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0.目錄

1.C語言異常處理

2.C++中的異常處理

3.小結

1.C語言異常處理

異常的概念：ios

  • 程序在運行過程當中可能產生異常
  • 異常（Exception）與 Bug 的區別
    1. 異常是程序運行時可預料的執行分支
    2. Bug 是程序的錯誤，是不被預期的運行方式

異常（Exception）與 Bug 的對比：數組

  • 異常
    1. 運行時產生除0的狀況
    2. 須要打開的外部文件不存在
    3. 數組訪問時越界
  • Bug
    1. 使用野指針
    2. 堆數組使用結束後未釋放
    3. 選擇排序沒法處理長度爲0的數組

異常處理的方式：
C語言經典處理方式：if ... else ...
ide

示例——除法操做異常處理：函數

#include <iostream>

using namespace std;

double divide(double a, double b, int* valid)
{
    const double delta = 0.000000000000001;
    double ret = 0;
    
    if( !((-delta < b) && (b < delta)) )
    {
        ret = a / b;
        
        *valid = 1;
    }
    else
    {
        *valid = 0;
    }
    
    return ret;
}

int main(int argc, char *argv[])
{   
    int valid = 0;
    double r = divide(1, 0, &valid);
    
    if( valid )
    {
        cout << "r = " << r << endl;
    }
    else
    {
        cout << "Divided by zero..." << endl;
    }
    
    return 0;
}

運行結果爲：優化

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
Divided by zero...

缺陷：this

  • divide函數有3個參數，難以理解其用法
  • divide函數調用後必須判斷valid表明的結果
    1. 當valid爲true時，運算結果正常
    2. 當valid爲false時，運算結果出現異常

經過 setjmp() 和 longjmp() 進行優化：spa

  • int setjmp(jmp_buf env)
    1. 將當前上下文保存在jmp_buf結構體中
  • void longjmp(jmp_buf env, int val)
    1. 從jmp_buf結構體中恢復setjmp()保存的上下文
    2. 最終從setjmp函數調用點返回，返回值爲val

示例——除法操做異常處理優化：指針

#include <iostream>
#include <csetjmp>

using namespace std;

static jmp_buf env;

double divide(double a, double b)
{
    const double delta = 0.000000000000001;
    double ret = 0;
    
    if( !((-delta < b) && (b < delta)) )
    {
        ret = a / b;
    }
    else
    {
        longjmp(env, 1);
    }
    
    return ret;
}

int main(int argc, char *argv[])
{   
    if( setjmp(env) == 0 )
    {
        double r = divide(1, 0);
        
        cout << "r = " << r << endl;
    }
    else
    {
        cout << "Divided by zero..." << endl;
    }
    
    return 0;
}

運行結果爲：code

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
Divided by zero...

setjmp() 和 longjmp() 的引入：對象

  • 必然涉及到使用全局變量
  • 暴力跳轉致使代碼可讀性下降
  • 本質仍是if ... else ... 異常處理方式

C語言中的經典異常處理方式會使得程序中邏輯中混入大量的處理異常的代碼。
正常邏輯代碼和異常處理代碼混合在一塊兒，致使代碼迅速膨脹，難以維護。。。

示例——異常處理代碼分析：

#include <iostream>

using namespace std;

#define SUCCESS           0 
#define INVALID_POINTER   -1
#define INVALID_LENGTH    -2
#define INVALID_PARAMETER -3

int MemSet(void* dest, unsigned int length, unsigned char v)
{
    if( dest == NULL )
    {
        return INVALID_POINTER;
    }
    
    if( length < 4 )
    {
        return INVALID_LENGTH;
    }
    
    if( (v < 0) || (v > 9) )
    {
        return INVALID_PARAMETER;
    }
    
    unsigned char* p = (unsigned char*)dest;
    
    for(int i=0; i<length; i++)
    {
        p[i] = v;
    }
    
    return SUCCESS;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int ai[5];
    int ret = MemSet(ai, sizeof(ai), 0);
    
    if( ret == SUCCESS )
    {
    }
    else if( ret == INVALID_POINTER )
    {
    }
    else if( ret == INVALID_LENGTH )
    {
    }
    else if( ret == INVALID_PARAMETER )
    {
    }
    
    return ret;
}

2.C++中的異常處理

C++內置了異常處理的語法元素try ... catch ...：

  • try語句處理正常代碼邏輯
  • catch語句處理異常狀況
  • try語句中的異常由對應的catch語句處理

C++經過throw語句拋出異常信息：

throw拋出的異常必須被catch處理：

  • 當前函數可以處理異常，程序繼續往下執行
  • 當前函數沒法處理異常，則函數中止執行，並返回

未被處理的異常會順着函數調用棧向上傳播，直到被處理爲止，不然程序將中止執行。

示例——C++異常處理：

#include <iostream>

using namespace std;

double divide(double a, double b)
{
    const double delta = 0.000000000000001;
    double ret = 0;
    
    if( !((-delta < b) && (b < delta)) )
    {
        ret = a / b;
    }
    else
    {
        throw 0;
    }
    
    return ret;
}

int main(int argc, char *argv[])
{    
    try
    {
        double r = divide(1, 0);
            
        cout << "r = " << r << endl;
    }
    catch(...)
    {
        cout << "Divided by zero..." << endl;
    }
    
    return 0;
}

運行結果爲：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
Divided by zero...

同一個try語句能夠跟上多個catch語句：

  • catch語句能夠定義具體處理的異常類型
  • 不一樣類型的異常由不一樣的catch語句負責處理
  • try語句中能夠拋出任何類型的異常
  • catch(...)用於處理全部類型的異常
  • 任何異常都只能被捕獲(catch)一次

異常處理的匹配規則：

示例——異常類型匹配：

#include <iostream>

using namespace std;

void Demo1()
{
    try
    {   
        throw 'c';
    }
    catch(char c)
    {
        cout << "catch(char c)" << endl;
    }
    catch(short c)
    {
        cout << "catch(short c)" << endl;
    }
    catch(double c)
    {
        cout << "catch(double c)" << endl;
    }
    catch(...)
    {
        cout << "catch(...)" << endl;
    }
}

void Demo2()
{
    throw string("HelloWorld!");
}

int main(int argc, char *argv[])
{    
    Demo1();
    
    try
    {
        Demo2();
    }
    catch(char* s)
    {
        cout << "catch(char *s)" << endl;
    }
    catch(const char* cs)
    {
        cout << "catch(const char *cs)" << endl;
    }
    catch(string ss)
    {
        cout << "catch(string ss)" << endl;
    }
    
    return 0;
}

運行結果爲：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
catch(char c)
catch(string ss)

catch語句塊中能夠拋出異常：

爲何要在catch中從新拋出異常？

  • catch中捕獲的異常能夠被從新解釋後拋出
  • 工程開發中使用這樣的方式統一異常類型

示例——在catch中從新拋出異常：

#include <iostream>

using namespace std;

void Demo()
{
    try
    {
        try
        {
            throw 'c';
        }
        catch(int i)
        {
            cout << "Inner: catch(int i)" << endl;
            throw i;
        }
        catch(...)
        {
            cout << "Inner: catch(...)" << endl;
            throw;
        }
    }
    catch(...)
    {
        cout << "Outer: catch(...)" << endl;
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    Demo();
    
    return 0;
}

運行結果爲：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
Inner: catch(...)
Outer: catch(...)

示例——異常的從新解釋：

#include <iostream>

using namespace std;

/*
    假設： 當前的函數式第三方庫中的函數，所以，咱們沒法修改源代碼
    
    函數名： void func(int i)
    拋出異常的類型： int
                        -1 ==》 參數異常
                        -2 ==》 運行異常
                        -3 ==》 超時異常
*/
void func(int i)
{
    if( i < 0 )
    {
        throw -1;
    }
    
    if( i > 100 )
    {
        throw -2;
    }
    
    if( i == 11 )
    {
        throw -3;
    }
    
    cout << "Run func..." << endl;
}

void MyFunc(int i)
{
    try
    {
        func(i);
    }
    catch(int i)
    {
        switch(i)
        {
            case -1:
                throw "Invalid Parameter";
                break;
            case -2:
                throw "Runtime Exception";
                break;
            case -3:
                throw "Timeout Exception";
                break;
        }
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    try
    {
        MyFunc(11);
    }
    catch(const char* cs)
    {
        cout << "Exception Info: " << cs << endl;
    }
    
    return 0;
}

運行結果爲：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
Exception Info: Timeout Exception

C++中的異常處理：

  • 異常的類型能夠是自定義類類型
  • 對於類類型異常的匹配依舊是至上而下嚴格匹配
  • 賦值兼容性原則在異常匹配中依然適用
  • 通常而言
    1. 匹配子類異常的catch放在上部
    2. 匹配父類異常的catch放在下部

（根據賦值兼容性原則：子類的異常對象能夠被父類的catch語句塊抓住。）

C++中的異常處理：

  • 在工程中會定義一系列的異常類
  • 每一個類表明工程中可能出現的一種異常類型
  • 代碼複用時可能須要重解釋不一樣的異常類
  • 在定義catch語句塊時推薦使用引用做爲參數

示例——類類型的異常：

#include <iostream>

using namespace std;

class Base
{
};

class Exception : public Base
{
    int m_id;
    string m_desc;
public:
    Exception(int id, string desc)
    {
        m_id = id;
        m_desc = desc;
    }
    
    int id() const
    {
        return m_id;
    }
    
    string description() const
    {
        return m_desc;
    }
};

/*
    假設： 當前的函數式第三方庫中的函數，所以，咱們沒法修改源代碼
    
    函數名： void func(int i)
    拋出異常的類型： int
                        -1 ==》 參數異常
                        -2 ==》 運行異常
                        -3 ==》 超時異常
*/
void func(int i)
{
    if( i < 0 )
    {
        throw -1;
    }
    
    if( i > 100 )
    {
        throw -2;
    }
    
    if( i == 11 )
    {
        throw -3;
    }
    
    cout << "Run func..." << endl;
}

void MyFunc(int i)
{
    try
    {
        func(i);
    }
    catch(int i)
    {
        switch(i)
        {
            case -1:
                throw Exception(-1, "Invalid Parameter");
                break;
            case -2:
                throw Exception(-2, "Runtime Exception");
                break;
            case -3:
                throw Exception(-3, "Timeout Exception");
                break;
        }
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    try
    {
        MyFunc(11);
    }
    catch(const Exception& e)
    {
        cout << "Exception Info: " << endl;
        cout << "   ID: " << e.id() << endl;
        cout << "   Description: " << e.description() << endl;
    }
    catch(const Base& e)
    {
        cout << "catch(const Base& e)" << endl;
    }
    
    return 0;
}

運行結果爲：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
Exception Info: 
   ID: -3
   Description: Timeout Exception

C++中的異常處理：

  • C++標準庫中提供了實用異常類族
  • 標準庫中的異常都是從exception類派生的
  • exception類有兩個主要的分支
    1. logic_error——經常使用於程序中的可避免邏輯錯誤
    2. runtime_error——經常使用於程序中沒法避免的惡性錯誤

標準庫中的異常：

示例——標準庫中的異常使用（優化以前的Array.h和HeapArray.h）：

// Array.h
#ifndef _ARRAY_H_
#define _ARRAY_H_

#include <stdexcept>

using namespace std;

template
< typename T, int N >
class Array
{
    T m_array[N];
public:
    int length() const;
    bool set(int index, T value);
    bool get(int index, T& value);
    T& operator[] (int index);
    T operator[] (int index) const;
    virtual ~Array();
};

template
< typename T, int N >
int Array<T, N>::length() const
{
    return N;
}

template
< typename T, int N >
bool Array<T, N>::set(int index, T value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < N);
    
    if( ret )
    {
        m_array[index] = value;
    }
    
    return ret;
}

template
< typename T, int N >
bool Array<T, N>::get(int index, T& value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < N);
    
    if( ret )
    {
        value = m_array[index];
    }
    
    return ret;
}

template
< typename T, int N >
T& Array<T, N>::operator[] (int index)
{
    if( (0 <= index) && (index < N) )
    {
        return m_array[index];
    }
    else
    {
        throw out_of_range("T& Array<T, N>::operator[] (int index)");
    }
}

template
< typename T, int N >
T Array<T, N>::operator[] (int index) const
{
    if( (0 <= index) && (index < N) )
    {
        return m_array[index];
    }
    else
    {
        throw out_of_range("T Array<T, N>::operator[] (int index) const");
    }
}

template
< typename T, int N >
Array<T, N>::~Array()
{
}

#endif
// HeapArray.h
#ifndef _HEAPARRAY_H_
#define _HEAPARRAY_H_

#include <stdexcept>

using namespace std;

template
< typename T >
class HeapArray
{
private:
    int m_length;
    T* m_pointer;
    
    HeapArray(int len);
    HeapArray(const HeapArray<T>& obj);
    bool construct();
public:
    static HeapArray<T>* NewInstance(int length); 
    int length() const;
    bool get(int index, T& value);
    bool set(int index ,T value);
    T& operator [] (int index);
    T operator [] (int index) const;
    HeapArray<T>& self();
    const HeapArray<T>& self() const;
    ~HeapArray();
};

template
< typename T >
HeapArray<T>::HeapArray(int len)
{
    m_length = len;
}

template
< typename T >
bool HeapArray<T>::construct()
{   
    m_pointer = new T[m_length];
    
    return m_pointer != NULL;
}

template
< typename T >
HeapArray<T>* HeapArray<T>::NewInstance(int length) 
{
    HeapArray<T>* ret = new HeapArray<T>(length);
    
    if( !(ret && ret->construct()) ) 
    {
        delete ret;
        ret = 0;
    }
        
    return ret;
}

template
< typename T >
int HeapArray<T>::length() const
{
    return m_length;
}

template
< typename T >
bool HeapArray<T>::get(int index, T& value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < length());
    
    if( ret )
    {
        value = m_pointer[index];
    }
    
    return ret;
}

template
< typename T >
bool HeapArray<T>::set(int index, T value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < length());
    
    if( ret )
    {
        m_pointer[index] = value;
    }
    
    return ret;
}

template
< typename T >
T& HeapArray<T>::operator [] (int index)
{
    if( (0 <= index) && (index < length()) )
    {
        return m_pointer[index];
    }
    else
    {
        throw out_of_range("T& HeapArray<T>::operator [] (int index)");
    }
}

template
< typename T >
T HeapArray<T>::operator [] (int index) const
{
    if( (0 <= index) && (index < length()) )
    {
        return m_pointer[index];
    }
    else
    {
        throw out_of_range("T HeapArray<T>::operator [] (int index) const");
    }
}

template
< typename T >
HeapArray<T>& HeapArray<T>::self()
{
    return *this;
}

template
< typename T >
const HeapArray<T>& HeapArray<T>::self() const
{
    return *this;
}

template
< typename T >
HeapArray<T>::~HeapArray()
{
    delete[]m_pointer;
}

#endif
// test.cpp
#include <iostream>
#include "Array.h"
#include "HeapArray.h"

using namespace std;

void TestArray()
{
    Array<int, 5> a;
    
    for(int i=0; i<a.length(); i++)
    {
        a[i] = i;
    }
        
    for(int i=0; i<a.length(); i++)
    {
        cout << a[i] << endl;
    }
}

void TestHeapArray()
{
    HeapArray<double>* pa = HeapArray<double>::NewInstance(5);
    
    if( pa != NULL )
    {
        HeapArray<double>& array = pa->self();
        
        for(int i=0; i<array.length(); i++)
        {
            array[i] = i;
        }
            
        for(int i=0; i<array.length(); i++)
        {
            cout << array[i] << endl;
        }
    }
    
    delete pa;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    try
    {
        TestArray();
        
        cout << endl;
        
        TestHeapArray();
    }
    catch(...)
    {
        cout << "Exception" << endl;
    }
    
    return 0;
}

運行結果爲：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
0
1
2
3
4

0
1
2
3
4

3.小結

  • 程序中不可避免的會發生異常
  • 異常是在開發階段就能夠預見的運行時問題
  • C語言中經過經典的if .... else ... 方式處理異常
  • C++中存在更好的異常處理方式
  • C++中直接支持異常處理的概念
  • try ... catch ... 是C++中異常處理的專用語句
  • try語句處理正常代碼邏輯，catch語句處理異常狀況
  • 同一個try語句能夠跟上多個catch語句
  • 異常處理必須嚴格匹配，不進行任何的類型轉換
  • catch語句塊中能夠拋出異常
  • 異常的類型能夠是自定義類類型
  • 賦值兼容性原則在異常匹配中依然適用
  • 標準庫中的異常都是從exception類派生的
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