計算機程序的思惟邏輯 (24) - 異常 (上)

本系列文章經補充和完善，已修訂整理成書《Java編程的邏輯》（馬俊昌著），由機械工業出版社華章分社出版，於2018年1月上市熱銷，讀者好評如潮！各大網店和書店有售，歡迎購買：京東自營連接

以前咱們介紹的基本類型、類、接口、枚舉都是在表示和操做數據，操做的過程當中可能有不少出錯的狀況，出錯的緣由多是多方面的，有的是不可控的內部緣由，好比內存不夠了、磁盤滿了，有的是不可控的外部緣由，好比網絡鏈接有問題，更多的多是程序的編程錯誤，好比引用變量未初始化就直接調用實例方法。

這些非正常狀況在Java中統一被認爲是異常，Java使用異常機制來統一處理，因爲內容較多，咱們分爲兩節來介紹，本節介紹異常的初步概念，以及異常類自己，下節主要介紹異常的處理。

咱們先來經過一些例子認識一下異常。

初始異常

NullPointerException (空指針異常)

咱們來看段代碼：

public class ExceptionTest {
    public static void main(String[] args) {
        String s = null;
        s.indexOf("a");
        System.out.println("end");
    }
}
複製代碼

變量s沒有初始化就調用其實例方法indexOf，運行，屏幕輸出爲：

Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
    at ExceptionTest.main(ExceptionTest.java:5)
複製代碼

輸出是告訴咱們：在ExceptionTest類的main函數中，代碼第5行，出現了空指針異常(java.lang.NullPointerException)。

但，具體發生了什麼呢？當執行s.indexOf("a")的時候，Java系統發現s的值爲null，沒有辦法繼續執行了，這時就啓用異常處理機制，首先建立一個異常對象，這裏是類NullPointerException的對象，而後查找看誰能處理這個異常，在示例代碼中，沒有代碼能處理這個異常，Java就啓用默認處理機制，那就是打印異常棧信息到屏幕，並退出程序。

在介紹函數調用原理的時候，咱們介紹過棧，異常棧信息就包括了從異常發生點到最上層調用者的軌跡，還包括行號，能夠說，這個棧信息是分析異常最爲重要的信息。

Java的默認異常處理機制是退出程序，異常發生點後的代碼都不會執行，因此示例代碼中最後一行System.out.println("end")不會執行。

NumberFormatException (數字格式異常)

咱們再來看一個例子，代碼以下：

public class ExceptionTest {
    public static void main(String[] args) {
        if(args.length<1){
            System.out.println("請輸入數字");
            return;
        }
        int num = Integer.parseInt(args[0]);
        System.out.println(num);
    }
}
複製代碼

args表示命令行參數，這段代碼要求參數爲一個數字，它經過Integer.parseInt將參數轉換爲一個整數，並輸出這個整數。參數是用戶輸入的，咱們沒有辦法強制用戶輸入什麼，若是用戶輸的是數字，好比123，屏幕會輸出123，但若是用戶輸的不是數字，好比abc，屏幕會輸出：

Exception in thread "main" java.lang.NumberFormatException: For input string: "abc"
    at java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65)
    at java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:492)
    at java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:527)
    at ExceptionTest.main(ExceptionTest.java:7)
複製代碼

出現了異常NumberFormatException。這個異常是怎麼產生的呢？根據異常棧信息，咱們看相關代碼：

這是NumberFormatException類65行附近代碼：

64 static NumberFormatException forInputString(String s) {
65     return new NumberFormatException("For input string: \"" + s + "\"");
66 }
複製代碼

這是Integer類492行附近代碼：

490 digit = Character.digit(s.charAt(i++),radix);
491 if (digit < 0) {
492     throw NumberFormatException.forInputString(s);
493 }
494 if (result < multmin) {
495     throw NumberFormatException.forInputString(s);
496 }
複製代碼

將這兩處合爲一行，主要代碼就是：

throw new NumberFormatException(...)
複製代碼

new NumberFormatException(...)是咱們容易理解的，就是建立了一個類的對象，只是這個類是一個異常類。throw是什麼意思呢？就是拋出異常，它會觸發Java的異常處理機制。在以前的空指針異常中，咱們沒有看到throw的代碼，能夠認爲throw是由Java虛擬機本身實現的。

throw關鍵字能夠與return關鍵字進行對比，return表明正常退出，throw表明異常退出，return的返回位置是肯定的，就是上一級調用者，而throw後執行哪行代碼則常常是不肯定的，由異常處理機制動態肯定。

異常處理機制會從當前函數開始查找看誰"捕獲"了這個異常，當前函數沒有就查看上一層，直到主函數，若是主函數也沒有，就使用默認機制，即輸出異常棧信息並退出，這正是咱們在屏幕輸出中看到的。

對於屏幕輸出中的異常棧信息，程序員是能夠理解的，但普通用戶沒法理解，也不知道該怎麼辦，咱們須要給用戶一個更爲友好的信息，告訴用戶，他應該輸入的是數字，要作到這一點，咱們須要本身"捕獲"異常。

"捕獲"是指使用try/catch關鍵字，咱們看捕獲異常後的示例代碼：

public class ExceptionTest {
    public static void main(String[] args) {
        if(args.length<1){
            System.out.println("請輸入數字");
            return;
        }
        try{
            int num = Integer.parseInt(args[0]);
            System.out.println(num);    
        }catch(NumberFormatException e){
            System.err.println("參數"+args[0]
                    +"不是有效的數字，請輸入數字");
        }
    }
}
複製代碼

咱們使用try/catch捕獲並處理了異常，try後面的大括號{}內包含可能拋出異常的代碼，括號後的catch語句包含能捕獲的異常和處理代碼，catch後面括號內是異常信息，包括異常類型和變量名，這裏是NumberFormatException e，經過它能夠獲取更多異常信息，大括號{}內是處理代碼，這裏輸出了一個更爲友好的提示信息。

捕獲異常後，程序就不會異常退出了，但try語句內異常點以後的其餘代碼就不會執行了，執行完catch內的語句後，程序會繼續執行catch大括號外的代碼。

這樣，咱們就對異常有了一個初步的瞭解，異常是相對於return的一種退出機制，能夠由系統觸發，也能夠由程序經過throw語句觸發，異常能夠經過try/catch語句進行捕獲並處理，若是沒有捕獲，則會致使程序退出並輸出異常棧信息。異常有不一樣的類型，接下來，咱們來認識一下。

異常類

Throwable

NullPointerException和NumberFormatException都是異常類，全部異常類都有一個共同的父類Throwable，它有4個public構造方法：

1. public Throwable()
2. public Throwable(String message)
3. public Throwable(String message, Throwable cause)
4. public Throwable(Throwable cause)

有兩個主要參數，一個是message，表示異常消息，另外一個是cause，表示觸發該異常的其餘異常。異常能夠造成一個異常鏈，上層的異常由底層異常觸發，cause表示底層異常。

Throwable還有一個public方法用於設置cause：

Throwable initCause(Throwable cause) 複製代碼

Throwable的某些子類沒有帶cause參數的構造方法，就能夠經過這個方法來設置，這個方法最多隻能被調用一次。

全部構造方法中都有一句重要的函數調用：

fillInStackTrace();
複製代碼

它會將異常棧信息保存下來，這是咱們能看到異常棧的關鍵。

Throwable有一些經常使用方法用於獲取異常信息：

void printStackTrace() 複製代碼

打印異常棧信息到標準錯誤輸出流，它還有兩個重載的方法：

void printStackTrace(PrintStream s) void printStackTrace(PrintWriter s) 複製代碼

打印棧信息到指定的流，關於PrintStream和PrintWriter咱們後續文章介紹。

String getMessage() Throwable getCause() 複製代碼

獲取設置的異常message和cause

StackTraceElement[] getStackTrace()
複製代碼

獲取異常棧每一層的信息，每一個StackTraceElement包括文件名、類名、函數名、行號等信息。

異常類體系

以Throwable爲根，Java API中定義了很是多的異常類，表示各類類型的異常，部分類示意以下：

Throwable是全部異常的基類，它有兩個子類Error和Exception。

Error表示系統錯誤或資源耗盡，由Java系統本身使用，應用程序不該拋出和處理，好比圖中列出的虛擬機錯誤(VirtualMacheError)及其子類內存溢出錯誤(OutOfMemoryError)和棧溢出錯誤(StackOverflowError)。

Exception表示應用程序錯誤，它有不少子類，應用程序也能夠經過繼承Exception或其子類建立自定義異常，圖中列出了三個直接子類：IOException(輸入輸出I/O異常)，SQLException(數據庫SQL異常)，RuntimeException(運行時異常)。

RuntimeException(運行時異常)比較特殊，它的名字有點誤導，由於其餘異常也是運行時產生的，它表示的實際含義是unchecked exception (未受檢異常)，相對而言，Exception的其餘子類和Exception自身則是checked exception (受檢異常)，Error及其子類也是unchecked exception。

checked仍是unchecked，區別在於Java如何處理這兩種異常，對於checked異常，Java會強制要求程序員進行處理，不然會有編譯錯誤，而對於unchecked異常則沒有這個要求。下節咱們會進一步解釋。

RuntimeException也有不少子類，下表列出了其中常見的一些：

異常	說明
NullPointerException	空指針異常
IllegalStateException	非法狀態
ClassCastException	非法強制類型轉換
IllegalArgumentException	參數錯誤
NumberFormatException	數字格式錯誤
IndexOutOfBoundsException	索引越界
ArrayIndexOutOfBoundsException	數組索引越界
StringIndexOutOfBoundsException	字符串索引越界

這麼多不一樣的異常類其實並無比Throwable這個基類多多少屬性和方法，大部分類在繼承父類後只是定義了幾個構造方法，這些構造方法也只是調用了父類的構造方法，並無額外的操做。

那爲何定義這麼多不一樣的類呢？主要是爲了名字不一樣，異常類的名字自己就表明了異常的關鍵信息，不管是拋出仍是捕獲異常時，使用合適的名字都有助於代碼的可讀性和可維護性。

自定義異常

除了Java API中定義的異常類，咱們也能夠本身定義異常類，通常經過繼承Exception或者它的某個子類，若是父類是RuntimeException或它的某個子類，則自定義異常也是unchecked exception，若是是Exception或Exception的其餘子類，則自定義異常是checked exception。

咱們經過繼承Exception來定義一個異常，代碼以下：

public class AppException extends Exception {
    public AppException() {
        super();
    }

    public AppException(String message, Throwable cause) {
        super(message, cause);
    }

    public AppException(String message) {
        super(message);
    }

    public AppException(Throwable cause) {
        super(cause);
    }
}
複製代碼

和不少其餘異常類同樣，咱們沒有定義額外的屬性和代碼，只是繼承了Exception，定義了構造方法並調用了父類的構造方法。

小結

本節，咱們經過兩個例子對異常作了基本介紹，介紹了try/catch和throw關鍵字及其含義，同時介紹了Throwable以及以它爲根的異常類體系。

下一節，讓咱們進一步探討異常。

---

未完待續，查看最新文章，敬請關注微信公衆號「老馬說編程」(掃描下方二維碼)，深刻淺出，老馬和你一塊兒探索Java編程及計算機技術的本質。用心原創，保留全部版權。