Java异常详解

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前言

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Java异常是在程序执行过程中发生的一些错误或异常情况。当程序运行时，如果出现了一些不可预料的情况，如除零错误、空指针引用等，程序会抛出一个异常对象。异常可以被捕获并进行相应的处理，以防止程序崩溃或产生错误的结果。Java中提供了一些异常类和异常处理机制，用于处理不同类型的异常。

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一、异常类的定义

Java异常

Java 中的异常是一种特殊的错误运行对象，又称例外，是Throwable 子类的实例，描述了出现在一段编码中的错误条件，当条件生成时，错误将引发异常。

为了能够及时有效地处理程序中的运行错误，Java 引入了异常和异常类，异常是异常类的对象。一旦一个异常对象产生了，系统中就一定有相应的机制来处理它，确保不会产生死机、死循环或其他对操作系统的损害，保证整个程序运行的安全性。

Java 异常处理中的关键字有 try、catch、finally、throw、throws、return。

异常类的构成

Java通过 API中 Throvable 类的众多子类描述各种不同的异常。在Java 中，所有的异常都有一个共同的祖先 Throwable （可抛出）。Throwable 位于 java.lang包中，有两个重要的子类：Exception（异常）和 Error （错误）。

Error 是程序无法处理的错误，表示运行应用程序中较严重的问题。大多数错误与代码编写者执行的操作无关，而表示代码运行时 JVM 出现的问题。

Exception 是程序本身可以处理的异常。每一种异常类对应一种特定的错误，异常类都是系统 Exception 类的子类。Exception 类有一个重要的子类 RuntimeException。该类及其子类表示“JVM 常用操作”引发的错误。

Java常见运行错误

Java 中常见的系统定义的运行异常与所对应的系统运行错误见表3-5。

表3-5 系统定义的常见运行异常一览表

系统定义的运行异常	异常对应的系统运行错误
ClassNotFoundException	未找到欲装载使用的类
ArrayIndexOutOfBoundsException	数组越界使用
FileNotFoundException	未找到指定的文件或目录
IOException	输入、输出错误
ArithmeticException	算术错误，如除数为零
NullPointerException	引用了未被初始化的对象

异常示例

我们曾经的代码中已经接触了一些 “异常” 了.

例如:

除以 0

System.out.println(10 / 0);
// 执行结果
Exception in thread "main" java.lang.ArithmeticException: / by zero

数组下标越界

int[] arr = {1, 2, 3};
System.out.println(arr[100]);
// 执行结果
Exception in thread "main" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 100

访问 null 对象

public class Test {public int num = 10;public static void main(String[] args) {Test t = null;System.out.println(t.num);}
}
// 执行结果
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException

所谓异常指的就是程序在 运行时 出现错误时通知调用者的一种机制.

关键字 “运行时”

有些错误是这样的, 例如将 System.out.println 拼写错了, 写成了 system.out.println. 此时编译过程中就会出错, 这是 “编译期” 出错.

而运行时指的是程序已经编译通过得到 class 文件了, 再由 JVM 执行过程中出现的错误.

异常的种类有很多, 不同种类的异常具有不同的含义, 也有不同的处理方式.

防御式编程

错误在代码中是客观存在的. 因此我们要让程序出现问题的时候及时通知程序猿.

我们有两种主要的方式

• LBYL: Look Before You Leap. 在操作之前就做充分的检查.
• EAFP: It’s Easier to Ask Forgiveness than Permission. “事后获取原谅比事前获取许可更容易”. 也就是先操作, 遇到问题再处理.

异常的核心思想就是 EAFP.

异常的好处

例如, 我们用伪代码演示一下开始一局王者荣耀的过程.

LBYL 风格的代码

boolean ret = false;
ret = 登陆游戏();
if (!ret) {处理登陆游戏错误;return;
}
ret = 开始匹配();
if (!ret) {处理匹配错误;return;
}
ret = 游戏确认();
if (!ret) {处理游戏确认错误;return;
}
ret = 选择英雄();
if (!ret) {处理选择英雄错误;return;
}
ret = 载入游戏画面();
if (!ret) {处理载入游戏错误;return;
}
......

EAFP 风格的代码

try {登陆游戏();开始匹配();游戏确认();选择英雄();载入游戏画面();...
} catch (登陆游戏异常) {处理登陆游戏异常;
} catch (开始匹配异常) {处理开始匹配异常;
} catch (游戏确认异常) {处理游戏确认异常;
} catch (选择英雄异常) {处理选择英雄异常;
} catch (载入游戏画面异常) {处理载入游戏画面异常;
}
......

对比两种不同风格的代码, 我们可以发现, 使用第一种方式, 正常流程和错误处理流程代码混在一起, 代码整体显的比较混乱. 而第二种方式正常流程和错误流程是分离开的, 更容易理解代码.

二、异常的基本用法

捕获异常

基本语法

try{ 有可能出现异常的语句 ; 
}[catch (异常类型 异常对象) {
} ... ]
[finally {异常的出口
}]

• try 代码块中放的是可能出现异常的代码.
• catch 代码块中放的是出现异常后的处理行为.
• finally 代码块中的代码用于处理善后工作, 会在最后执行.
• 其中 catch 和 finally 都可以根据情况选择加或者不加.

代码示例

不处理异常

int[] arr = {1, 2, 3};
System.out.println("before");
System.out.println(arr[100]);
System.out.println("after");
// 执行结果
before
Exception in thread "main" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 100

我们发现一旦出现异常, 程序就终止了. after 没有正确输出.

使用 try catch 后的程序执行过程

int[] arr = {1, 2, 3};
try {System.out.println("before");System.out.println(arr[100]);System.out.println("after");
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {// 打印出现异常的调用栈e.printStackTrace();
}
System.out.println("after try catch");
// 执行结果
before
java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 100at demo02.Test.main(Test.java:10)
after try catch

我们发现, 一旦 try 中出现异常, 那么 try 代码块中的程序就不会继续执行, 而是交给 catch 中的代码来执行. catch 执行完毕会继续往下执行.

catch 只能处理对应种类的异常

我们修改了代码, 让代码抛出的是空指针异常.

int[] arr = {1, 2, 3};
try {System.out.println("before");arr = null;System.out.println(arr[100]);System.out.println("after");
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {e.printStackTrace();
}
System.out.println("after try catch");
// 执行结果
before
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerExceptionat demo02.Test.main(Test.java:11)

此时, catch 语句不能捕获到刚才的空指针异常. 因为异常类型不匹配.

catch 可以有多个

int[] arr = {1, 2, 3};
try {System.out.println("before");arr = null;System.out.println(arr[100]);System.out.println("after");
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
System.out.println("这是个数组下标越界异常");e.printStackTrace();
} catch (NullPointerException e) {System.out.println("这是个空指针异常");e.printStackTrace();
}
System.out.println("after try catch");
// 执行结果
before
这是个空指针异常
java.lang.NullPointerExceptionat demo02.Test.main(Test.java:12)
after try catch

一段代码可能会抛出多种不同的异常, 不同的异常有不同的处理方式. 因此可以搭配多个 catch 代码块.

如果多个异常的处理方式是完全相同, 也可以写成这样

catch (ArrayIndexOutOfBoundsException | NullPointerException e) {...
}

也可以用一个 catch 捕获所有异常

int[] arr = {1, 2, 3};
try {System.out.println("before");arr = null;System.out.println(arr[100]);System.out.println("after");
} catch (Exception e) {e.printStackTrace();
}
System.out.println("after try catch");
// 执行结果
before
java.lang.NullPointerExceptionat demo02.Test.main(Test.java:12)
after try catch

由于 Exception 类是所有异常类的父类. 因此可以用这个类型表示捕捉所有异常.

ps：catch 进行类型匹配的时候, 不光会匹配相同类型的异常对象, 也会捕捉目标异常类型的子类对象.如刚才的代码, NullPointerException 和 ArrayIndexOutOfBoundsException 都是 Exception 的子类, 因此都能被捕获到.

finally 表示最后的善后工作, 例如释放资源

int[] arr = {1, 2, 3};
try {System.out.println("before");arr = null;System.out.println(arr[100]);System.out.println("after");
} catch (Exception e) {e.printStackTrace();
} finally {System.out.println("finally code");
}
// 执行结果
before
java.lang.NullPointerExceptionat demo02.Test.main(Test.java:12)
finally code

无论是否存在异常, finally 中的代码一定都会执行到. 保证最终一定会执行到 Scanner 的 close 方法.

使用 try 负责回收资源

刚才的代码可以有一种等价写法, 将 Scanner 对象在 try 的 ( ) 中创建, 就能保证在 try 执行完毕后自动调用 Scanner的 close 方法.

try (Scanner sc = new Scanner(System.in)) {int num = sc.nextInt();System.out.println("num = " + num);
} catch (Exception e) {e.printStackTrace();
}

如果本方法中没有合适的处理异常的方式, 就会沿着调用栈向上传递

public static void main(String[] args) {try {func();} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("after try catch");
}
public static void func() {int[] arr = {1, 2, 3};System.out.println(arr[100]);
}
// 直接结果
java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 100at demo02.Test.func(Test.java:18)at demo02.Test.main(Test.java:9)
after try catch

如果向上一直传递都没有合适的方法处理异常, 最终就会交给 JVM 处理, 程序就会异常终止(和我们最开始未使用 try catch 时是一样的).

public static void main(String[] args) {func();System.out.println("after try catch");
}
public static void func() {int[] arr = {1, 2, 3};System.out.println(arr[100]);
}
// 执行结果
Exception in thread "main" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 100at demo02.Test.func(Test.java:14)at demo02.Test.main(Test.java:8)

可以看到, 程序已经异常终止了, 没有执行到 System.out.println("after try catch"); 这一行.

小知识

IDEA 能自动检查我们的代码风格, 并给出一些更好的建议.

如我们之前写的代码, 在 try 上有一个 “加深底色” , 这时 IDEA 针对我们的代码提出了一些更好的建议.

此时把光标放在 try 上悬停, 会给出原因. 按下 alt + enter, 会弹出一个改进方案的弹窗. 我们选择其中的

此时我们的代码就自动被 IDEA 调整成上面的 代码的模样

关于异常的处理方式

异常的种类有很多, 我们要根据不同的业务场景来决定.

• 对于比较严重的问题(例如和算钱相关的场景), 应该让程序直接崩溃, 防止造成更严重的后果

• 对于不太严重的问题(大多数场景), 可以记录错误日志, 并通过监控报警程序及时通知程序猿

• 对于可能会恢复的问题(和网络相关的场景), 可以尝试进行重试.

在我们当前的代码中采取的是经过简化的第二种方式. 我们记录的错误日志是出现异常的方法调用信息, 能很快速的让我们找到出现异常的位置. 以后在实际工作中我们会采取更完备的方式来记录异常信息.

关于 “调用栈”

方法之间是存在相互调用关系的, 这种调用关系我们可以用 “调用栈” 来描述.

在 JVM 中有一块内存空间称为 “虚拟机栈” 专门存储方法之间的调用关系. 当代码中出现异常的时候, 我们就可以使用e.printStackTrace(); 的方式查看出现异常代码的调用栈.

异常处理流程

• 程序先执行 try 中的代码
• 如果 try 中的代码出现异常, 就会结束 try 中的代码, 看和 catch 中的异常类型是否匹配.
• 如果找到匹配的异常类型, 就会执行 catch 中的代码
• 如果没有找到匹配的异常类型, 就会将异常向上传递到上层调用者.
• 无论是否找到匹配的异常类型, finally 中的代码都会被执行到(在该方法结束之前执行).
• 如果上层调用者也没有处理的了异常, 就继续向上传递.
• 一直到 main 方法也没有合适的代码处理异常, 就会交给 JVM 来进行处理, 此时程序就会异常终止.

抛出异常

除了 Java 内置的类会抛出一些异常之外, 程序猿也可以手动抛出某个异常. 使用 throw 关键字完成这个操作.

public static void main(String[] args) { System.out.println(divide(10, 0)); 
} public static int divide(int x, int y) { if (y == 0) { throw new ArithmeticException("抛出除 0 异常"); } return x / y; 
} // 执行结果 
Exception in thread "main" java.lang.ArithmeticException: 抛出除 0 异常 at demo02.Test.divide(Test.java:14) at demo02.Test.main(Test.java:9) 

在这个代码中, 我们可以根据实际情况来抛出需要的异常. 在构造异常对象同时可以指定一些描述性信息.

异常说明

我们在处理异常的时候, 通常希望知道这段代码中究竟会出现哪些可能的异常.

我们可以使用 throws 关键字, 把可能抛出的异常显式的标注在方法定义的位置. 从而提醒调用者要注意捕获这些异常.

public static int divide(int x, int y) throws ArithmeticException { if (y == 0) { throw new ArithmeticException("抛出除 0 异常"); } return x / y; 
}

关于 finally 的注意事项

finally 中的代码保证一定会执行到. 这也会带来一些麻烦.

public static void main(String[] args) {System.out.println(func());
}public static int func() {try {return 10;} finally {return 20;}
} // 执行结果 
20 

注意

finally 执行的时机是在方法返回之前(try 或者 catch 中如果有 return 会在这个 return 之前执行 finally). 但是如果finally 中也存在 return 语句, 那么就会执行 finally 中的 return, 从而不会执行到 try 中原有的 return.

一般我们不建议在 finally 中写 return (被编译器当做一个警告).

三、Java 异常体系

Java 内置了丰富的异常体系, 用来表示不同情况下的异常.

下图表示 Java 内置的异常类之间的继承关系:

• 顶层类 Throwable 派生出两个重要的子类, Error 和 Exception
• 其中 Error 指的是 Java 运行时内部错误和资源耗尽错误. 应用程序不抛出此类异常. 这种内部错误一旦出现，除了告知用户并使程序终止之外, 再无能无力. 这种情况很少出现.
• Exception 是我们程序猿所使用的异常类的父类.
• 其中 Exception 有一个子类称为 RuntimeException , 这里面又派生出很多我们常见的异常类NullPointerException , IndexOutOfBoundsException 等.

Java语言规范将派生于 Error 类或 RuntimeException 类的所有异常称为 非受查异常, 所有的其他异常称为 受查异常.

如果一段代码可能抛出 受查异常, 那么必须显式进行处理.

public static void main(String[] args) {System.out.println(readFile());
}public static String readFile() {// 尝试打开文件, 并读其中的一行. File file = new File("d:/test.txt");// 使用文件对象构造 Scanner 对象. Scanner sc = new Scanner(file);return sc.nextLine();
} // 编译出错 
Error:(13, 22) java: 未报告的异常错误java.io.FileNotFoundException; 必须对其进行捕获或声明以便抛出 

查看 Scanner 的构造方法可以发现, 存在 FileNotFoundException 这样的异常说明.

public Scanner(File source) throws FileNotFoundException { ... 
} 

如 FileNotFoundException 这样的异常就是受查异常. 如果不显式处理, 编译无法通过.

显示处理

显式处理的方式有两种

使用 try catch 包裹起来

public static void main(String[] args) {System.out.println(readFile());
}public static String readFile() {File file = new File("d:/test.txt");Scanner sc = null;try {sc = new Scanner(file);} catch (FileNotFoundException e) {e.printStackTrace();}return sc.nextLine();
}

在方法上加上异常说明, 相当于将处理动作交给上级调用者

public static void main(String[] args) {try {System.out.println(readFile());} catch (FileNotFoundException e) {e.printStackTrace();}
}public static String readFile() throws FileNotFoundException {File file = new File("d:/test.txt");Scanner sc = new Scanner(file);return sc.nextLine();
}

四、自定义异常类

Java 中虽然已经内置了丰富的异常类, 但是我们实际场景中可能还有一些情况需要我们对异常类进行扩展, 创建符合我们实际情况的异常.

例如, 我们实现一个用户登陆功能.

public class Test {private static String userName = "admin";private static String password = "123456";public static void main(String[] args) {login("admin", "123456");}public static void login(String userName, String password) {if (!Test.userName.equals(userName)) {// TODO 处理用户名错误 }if (!Test.password.equals(password)) {// TODO 处理密码错误 }System.out.println("登陆成功");}
} 

此时我们在处理用户名密码错误的时候可能就需要抛出两种异常.

我们可以基于已有的异常类进行扩展(继承), 创建和我们业务相关的异常类.

class UserError extends Exception {public UserError(String message) {super(message);}
}class PasswordError extends Exception {public PasswordError(String message) {super(message);}
}

此时我们的 login 代码可以改成

public static void main(String[] args) {try {login("admin", "123456");} catch (UserError userError) {userError.printStackTrace();} catch (PasswordError passwordError) {passwordError.printStackTrace();}
}public static void login(String userName, String password) throws UserError,PasswordError {if (!Test.userName.equals(userName)) {throw new UserError("用户名错误");}if (!Test.password.equals(password)) {throw new PasswordError("密码错误");}System.out.println("登陆成功");
}

注意事项

• 自定义异常通常会继承自 Exception 或者 RuntimeException
• 继承自 Exception 的异常默认是受查异常
• 继承自 RuntimeException 的异常默认是非受查异常

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