【C++高阶】深入理解C++异常处理机制：从try到catch的全面解析

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前言：在编程的浩瀚宇宙中，C++以其卓越的性能、强大的灵活性和对底层硬件的直接控制而著称，是无数开发者心中的瑰宝。然而，在追求高效与极致的路上，错误处理与异常管理往往成为不可忽视的重要环节。C++通过引入异常处理机制，为开发者提供了一套强大而灵活的工具，以优雅地应对程序执行过程中可能遇到的各种异常情况，从而确保程序的健壮性和可靠性

C++的异常处理机制，通过try、catch和throw三个关键字，为开发者构建了一个结构清晰、易于理解的异常处理框架。当程序执行到可能抛出异常的代码段时，可以使用try块将其包围起来；随后，通过一个或多个catch块来捕获并处理可能发生的特定类型的异常；而throw关键字则用于在程序中显式地抛出异常，通知上层调用者当前代码遇到了无法继续执行的情况

这种机制不仅使得异常处理代码与正常业务逻辑代码分离，提高了代码的可读性和可维护性，还通过异常的传播机制，使得开发者能够在更高层次上统一处理异常，从而避免了错误处理的代码在程序中到处蔓延，导致代码结构混乱

我们将一起踏上探索C++异常处理的奇妙旅程，让我们携手前行，在C++的编程世界中，共同书写属于自己的辉煌篇章！

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📒1. C++异常概念

🌸C语言处理错误方式

传统的错误处理机制：

• 终止程序，如assert，缺陷：用户难以接受。如发生内存错误，除0错误时就会终止程序。
• 返回错误码，缺陷：需要程序员自己去查找对应的错误。如系统的很多库的接口函数都是通
  过把错误码放到errno中，表示错误

实际中C语言基本都是使用返回错误码的方式处理错误，部分情况下使用终止程序处理非常严重的
错误

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🌺C++异常概念

异常是一种处理错误的方式，当一个函数发现自己无法处理的错误时就可以抛出异常，让函数的
直接或间接的调用者处理这个错误

• throw: 当问题出现时，程序会抛出一个异常。这是通过使用 throw 关键字来完成的。
• catch: 在您想要处理问题的地方，通过异常处理程序捕获异常.catch 关键字用于捕获异
  常，可以有多个catch进行捕获
• try: try 块中的代码标识将被激活的特定异常,它后面通常跟着一个或多个 catch 块

如果有一个块抛出一个异常，捕获异常的方法会使用 try 和 catch 关键字。try 块中放置可能抛出异常的代码，try 块中的代码被称为保护代码

代码示例 (C++)：

double Division(int x, int y)
{// 当y == 0时抛出异常if (y == 0)throw "Division by zero condition!";elsereturn ((double)x / (double)y);
}
void Func()
{int x, y;cin >> x >> y;cout << Division(x, y) << endl;
}
int main()
{try {Func();}catch (const char* str){cout << str << endl;}return 0;
}

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📜2. 异常的使用

⛰️异常的抛出和捕获

异常的抛出和匹配原则

• 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

代码示例 (C++)：

double Division(int x, int y)
{// 当y == 0时抛出异常if (y == 0)throw "Division by zero condition!";elsereturn ((double)x / (double)y);
}......
try 
{Division(1, 0);
}
// 类型不匹配不会激活	catch，往下执行
catch (const int* p)
{cout << p << endl;
}catch (const char* str)
{cout << str << endl;
}

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• 被选中的处理代码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

代码示例 (C++)：

double Division(int x, int y)
{// 当y == 0时抛出异常if (y == 0)throw "Division by zero condition!";elsereturn ((double)x / (double)y);
}
void Func()
{// 会执行Func()中的 try catchtry{int x, y;cin >> x >> y;cout << Division(x, y) << endl;}catch (const char* str){cout << str << endl;}
}
int main()
{try {Func();}catch (const char* str){cout << str << endl;}return 0;
}

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• catch(...)可以捕获任意类型的异常，问题是不知道异常错误是什么

代码示例 (C++)：

double Division(int x, int y)
{// 当y == 0时抛出异常if (y == 0)throw "Division by zero condition!";elsereturn ((double)x / (double)y);
}
void Func()
{int x, y;cin >> x >> y;cout << Division(x, y) << endl;
}
int main()
{try {Func();}catch (const char* str){cout << str << endl;}catch (...){cout << "unkown exception" << endl;}return 0;
}

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• 抛出异常对象后，会生成一个异常对象的拷贝，因为抛出的异常对象可能是一个临时对象，
  所以会生成一个拷贝对象，这个拷贝的临时对象会在被catch以后销毁。（这里的处理类似
  于函数的传值返回）
• 实际中抛出和捕获的匹配原则有个例外，并不都是类型完全匹配，可以抛出的派生类对象，
  使用基类捕获，这个在实际中非常实用，我们后面会详细讲解这个

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在函数调用链中异常栈展开匹配原则

• 首先检查throw本身是否在try块内部，如果是再查找匹配的catch语句。如果有匹配的，则
  调到catch的地方进行处理
• 没有匹配的catch则退出当前函数栈，继续在调用函数的栈中进行查找匹配的catch
• 如果到达main函数的栈，依旧没有匹配的，则终止程序。上述这个沿着调用链查找匹配的
  catch子句的过程称为栈展开。所以实际中我们最后都要加一个catch(…)捕获任意类型的异
  常，否则当有异常没捕获，程序就会直接终止
• 找到匹配的catch子句并处理以后，会继续沿着catch子句后面继续执行

代码示例 (C++)：

double Division(int x, int y)
{// 当y == 0时抛出异常if (y == 0)throw "Division by zero condition!";elsereturn ((double)x / (double)y);
}
void Func()
{// 会执行Func()中的 try catchtry{int x, y;cin >> x >> y;cout << Division(x, y) << endl;}catch (const char* str){cout << str << endl;}// 在结束错误后会执行 "hello,world"cout << "hello,world" << endl;
}
int main()
{try {Func();}catch (const char* str){cout << str << endl;}return 0;
}

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🌄异常的重新抛出

有可能单个的catch不能完全处理一个异常，在进行一些校正处理以后，希望再交给更外层的调用链函数来处理，catch则可以通过重新抛出将异常传递给更上层的函数进行处理

代码示例 (C++)：

double Division(int x, int y)
{// 当y == 0时抛出异常if (y == 0){throw "Division by zero condition!";}return (double)x / (double)y;
}
void Func()
{int* array = new int[10];try {int x, y;cin >> x >> y;cout << Division(x, y) << endl;}// 这里可以看到如果发生除0错误抛出异常，另外下面的array没有得到释放。// 所以这里捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外面处理，这里捕获了再// 重新抛出去。catch (const char* errmsg){cout << "delete []" << array << endl;delete[] array;throw errmsg;}// ...cout << "delete []" << array << endl;delete[] array;
}
int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}return 0;
}

如果在抛出问题的时候，我们申请的空间没有得到释放，会跟随异常跳转到其他栈而导致内存泄漏

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🌞异常安全

• 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
• 析构函数主要完成资源的清理，最好不要在析构函数内抛出异常，否则可能导致资源泄漏(内
  存泄漏、句柄未关闭等)
• C++中异常经常会导致资源泄漏的问题，比如在new和delete中抛出了异常，导致内存泄
  漏，在lock和unlock之间抛出了异常导致死锁，C++经常使用RAII来解决以上问题，关于RAII
  我们智能指针这节进行讲解

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⭐异常规范

• 异常规格说明的目的是为了让函数使用者知道该函数可能抛出的异常有哪些。 可以在函数的
  后面接throw(类型)，列出这个函数可能抛掷的所有异常类型。
• 函数的后面接throw()，表示函数不抛异常。
• 若无异常接口声明，则此函数可以抛掷任何类型的异常

代码示例 (C++)：

// 这里表示这个函数会抛出A/B/C/D中的某种类型的异常
void fun() throw(A，B，C，D);// 这里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);// 这里表示这个函数不会抛出异常
void* operator delete (std::size_t size, void* ptr) throw();// C++11 中新增的noexcept，表示不会抛异常
thread() noexcept;
thread (thread&& x) noexcept;

注意：throw()中的类型即使与出现的异常类型不同，也不会有事

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📚3. 自定义异常体系

实际使用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，因为一个项目中如果大家随意抛异常，那么外层的调用者基本就没办法玩了，所以实际中都会定义一套继承的规范体系

我们可以通过继承，多态，只用在函数中通过捕获基类来捕获所有的异常再来进行特殊的处理，这里有个服务器开发中通常使用的异常继承体系，感兴趣的铁子们可以看看

// 服务器开发中通常使用的异常继承体系
class Exception
{
public:Exception(const string& errmsg, int id):_errmsg(errmsg), _id(id){}virtual string what() const{return _errmsg;}
protected:string _errmsg; // 错误描述int _id; // 错误编号
};
class SqlException : public Exception
{
public:SqlException(const string& errmsg, int id, const string& sql):Exception(errmsg, id), _sql(sql){}virtual string what() const{string str = "SqlException:";str += _errmsg;str += "->";str += _sql;return str;}
private:const string _sql;
};
class CacheException : public Exception
{
public:CacheException(const string& errmsg, int id):Exception(errmsg, id){}virtual string what() const{string str = "CacheException:";str += _errmsg;return str;}
};
class HttpServerException : public Exception
{
public:HttpServerException(const string& errmsg, int id, const string& type):Exception(errmsg, id), _type(type){}virtual string what() const{string str = "HttpServerException:";str += _type;str += ":";str += _errmsg;return str;}
private:const string _type;
};
void SQLMgr()
{srand(time(0));if (rand() % 7 == 0){throw SqlException("权限不足", 100, "select * from name = '张三'");}//throw "xxxxxx";
}
void CacheMgr()
{srand(time(0));if (rand() % 5 == 0){throw CacheException("权限不足", 100);}else if (rand() % 6 == 0){throw CacheException("数据不存在", 101);}SQLMgr();
}
void HttpServer()
{// ...srand(time(0));if (rand() % 3 == 0){throw HttpServerException("请求资源不存在", 100, "get");}else if (rand() % 4 == 0){throw HttpServerException("权限不足", 101, "post");}CacheMgr();
}
int main()
{while (1){Sleep(500);try {HttpServer();}catch (const Exception& e) // 这里捕获父类对象就可以{// 多态cout << e.what() << endl;}catch (...){cout << "Unkown Exception" << endl;}}return 0;
}

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📝4. C++标准库的异常体系

C++ 提供了一系列标准的异常，定义在 中，我们可以在程序中使用这些标准的异常。它们是以父子类层次结构组织起来的

异常	描述
std::exception	该异常是所有标准 C++ 异常的父类。
std.bad alloc	该异常可以通过 new 抛出。
std.bad cast	该异常可以通过 dynamic_cast 抛出。
std.bad exception	这在处理 C++程序中无法预期的异常时非常有用。
std::bad typeid	该异常可以通过 typeid 抛出。
std::logic error	理论上可以通过读取代码来检测到的异常。
std::domain error	当使用了一个无效的数学域时，会抛出该异常。
std::invalid argument	当使用了无效的参数时，会抛出该异常。
std::length error	当创建了太长的 std::string 时，会抛出该异常。
std.out of range	该异常可以通过方法抛出，例如 std::vector和 std::bitset<>.operator()。
std::runtime error	理论上不可以通过读取代码来检测到的异常。
std.overflow error	当发生数学上溢时，会抛出该异常。
std…range error	当尝试存储超出范围的值时，会抛出该异常。
std.:underflow error	当发生数学下溢时，会抛出该异常。

说明：实际中我们可以可以去继承exception类实现自己的异常类。但是实际中很多公司像上面一样自己定义一套异常继承体系。因为C++标准库设计的不够好用

代码示例 (C++)：

int main()
{try {vector<int> v(10, 5);// 这里如果系统内存不够也会抛异常v.reserve(1000000000);// 这里越界会抛异常v.at(10) = 100;}catch (const exception& e) // 这里捕获父类对象就可以{cout << e.what() << endl;}catch (...){cout << "Unkown Exception" << endl;}return 0;
}

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📙5. 异常的优缺点

C++异常的优点

• 异常对象定义好了，相比错误码的方式可以清晰准确的展示出错误的各种信息，甚至可以包
  含堆栈调用的信息，这样可以帮助更好的定位程序的bug

• 返回错误码的传统方式有个很大的问题就是，在函数调用链中，深层的函数返回了错误，那
  么我们得层层返回错误，最外层才能拿到错误

int ConnnectSql()
{// 用户名密码错误if (...)return 1;// 权限不足if (...)return 2;
}
int ServerStart() {if (int ret = ConnnectSql() < 0)return ret;int fd = socket()if（fd < 0）return errno;
}
int main()
{if(ServerStart()<0)...return 0;
}

如果是异常体系，不管是ConnnectSql还是ServerStart及调用函数出错，都不用检查，因
为抛出的异常异常会直接跳到main函数中catch捕获的地方，main函数直接处理错误

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• 很多的第三方库都包含异常，比如boost、gtest、gmock等等常用的库，那么我们使用它们
  也需要使用异常
• 部分函数使用异常更好处理，比如构造函数没有返回值，不方便使用错误码方式处理。比如
  T& operator这样的函数，如果pos越界了只能使用异常或者终止程序处理，没办法通过返回
  值表示错误

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C++异常的缺点

• 异常会导致程序的执行流乱跳，并且非常的混乱，并且是运行时出错抛异常就会乱跳。这会
  导致我们跟踪调试时以及分析程序时，比较困难
• 异常会有一些性能的开销。当然在现代硬件速度很快的情况下，这个影响基本忽略不计。
• C++没有垃圾回收机制，资源需要自己管理。有了异常非常容易导致内存泄漏、死锁等异常
  安全问题。这个需要使用RAII来处理资源的管理问题。学习成本较高
• C++标准库的异常体系定义得不好，导致大家各自定义各自的异常体系，非常的混乱
• 异常尽量规范使用，否则后果不堪设想，随意抛异常，外层捕获的用户苦不堪言。所以异常
  规范有两点：一、抛出异常类型都继承自一个基类。二、函数是否抛异常、抛什么异常，都
  使用 func（） noexpct();的方式规范化

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📖6. 总结

随着我们一同探索了C++异常处理的广阔天地，相信每一位读者都对这一强大的错误处理机制有了更深的理解和认识。从异常的基本概念到实际应用，从自定义异常到异常规范的变迁，我们见证了C++异常处理如何以其独特的魅力，助力开发者构建出更加健壮、可靠的软件系统

在这个过程中，我们学会了如何使用try、catch和throw这三个关键字来构建异常处理的框架，理解了异常如何在程序中传播，并掌握了如何通过捕获和处理异常来避免程序崩溃和数据丢失的风险。我们还探讨了异常规格说明、异常安全保证等高级话题，深入理解了C++异常处理背后的设计哲学和实现原理

我们应该积极拥抱异常处理，将其视为提升我们编程能力和软件质量的重要工具。当我们能够熟练地运用C++异常处理机制时，我们就能够编写出更加健壮、更加可靠的代码，为用户带来更好的体验和价值

希望本文能够为你提供有益的参考和启示，让我们一起在编程的道路上不断前行！
谢谢大家支持本篇到这里就结束了，祝大家天天开心！