18. C++异常

程序的错误大致可以分为三种，分别是语法错误、逻辑错误和运行时错误：

1. 语法错误在编译和链接阶段就能发现，只有 100% 符合语法规则的代码才能生成可执行程序。语法错误是最容易发现、最容易定位、最容易排除的错误，程序员最不需要担心的就是这种错误。
2. 逻辑错误是说我们编写的代码思路有问题，不能够达到最终的目标，这种错误可以通过调试来解决。
3. 运行时错误是指程序在运行期间发生的错误，例如除数为 0、内存分配失败、数组越界、文件不存在等。异常（Exception）机制就是为解决运行时错误而引入的。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main(){
    string str = "https://www.baidu.com";
    char ch1 = str[100];  //下标越界，ch1为垃圾值
    cout<<ch1<<endl;
    char ch2 = str.at(100);  //下标越界，抛出异常
    cout<<ch2<<endl;
    return 0;
}

---

18.1 捕获异常

借助 C++ 异常机制来捕获上面的异常，避免程序崩溃。捕获异常的语法为：

try{
    // 可能抛出异常的语句
}catch(exceptionType variable){
    // 处理异常的语句
}

try和catch都是 C++ 中的关键字，后跟语句块，不能省略{ }。try 中包含可能会抛出异常的语句，一旦有异常抛出就会被后面的 catch 捕获。从 try 的意思可以看出，它只是“检测”语句块有没有异常，如果没有发生异常，它就“检测”不到。catch 是“抓住”的意思，用来捕获并处理 try 检测到的异常；如果 try 语句块没有检测到异常（没有异常抛出），那么就不会执行 catch 中的语句。

#include <iostream>
#include <string>
#include <exception>
using namespace std;

int main(){
    string str = "https://www.baidu.com/";
    try{
        char ch1 = str[100];
        cout<<ch1<<endl;
    }catch(exception e){
        cout<<"越界1"<<endl;
    }

    try{
        char ch2 = str.at(100);
        cout<<ch2<<endl;
    }catch(exception &e){  //exception类位于<exception>头文件中
        cout<<"越界2"<<endl;
    }

    return 0;
}

image.png

第一个 try 没有捕获到异常，输出了一个没有意义的字符（垃圾值）。因为[ ]不会检查下标越界，不会抛出异常，所以即使有错误，try 也检测不到。换句话说，发生异常时必须将异常明确地抛出，try 才能检测到；如果不抛出来，即使有异常 try 也检测不到。所谓抛出异常，就是明确地告诉程序发生了什么错误。

第二个 try 检测到了异常，并交给 catch 处理，执行 catch 中的语句。需要说明的是，异常一旦抛出，会立刻被 try 检测到，并且不会再执行异常点（异常发生位置）后面的语句。本例中抛出异常的位置是第 17 行的 at() 函数，它后面的 cout 语句就不会再被执行，所以看不到它的输出。

异常的处理流程：
抛出（Throw）--> 检测（Try） --> 捕获（Catch）

---

18.2 多级catch匹配

catch 和真正的函数调用又有区别：
1、真正的函数调用，形参和实参的类型必须要匹配，或者可以自动转换，否则在编译阶段就报错了。
2、而对于 catch，异常是在运行阶段产生的，它可以是任何类型，没法提前预测，所以不能在编译阶段判断类型是否正确，只能等到程序运行后，真的抛出异常了，再将异常类型和 catch 能处理的类型进行匹配，匹配成功的话就“调用”当前的 catch，否则就忽略当前的 catch。

总起来说，catch 和真正的函数调用相比，多了一个「在运行阶段将实参和形参匹配」的过程。

try{
    //可能抛出异常的语句
}catch (exception_type_1 e){
    //处理异常的语句
}catch (exception_type_2 e){
    //处理异常的语句
}
//其他的catch
catch (exception_type_n e){
    //处理异常的语句
}

当异常发生时，程序会按照从上到下的顺序，将异常类型和 catch 所能接收的类型逐个匹配。一旦找到类型匹配的 catch 就停止检索，并将异常交给当前的 catch 处理（其他的 catch 不会被执行）。如果最终也没有找到匹配的 catch，就只能交给系统处理，终止程序的运行。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Base{ };
class Derived: public Base{ };

int main(){
    try{
        throw Derived();  //抛出自己的异常类型，实际上是创建一个Derived类型的匿名对象
    }catch(int){
        cout<<"int 异常"<<endl;
    }catch(char *){
        cout<<"char* 异常"<<endl;
    }catch(Base){  //匹配成功（向上转型）
        cout<<"基类异常"<<endl;
    }catch(Derived){
        cout<<"派生类异常"<<endl;
    }

    return 0;
}

image.png

18.2.1 catch 在匹配过程中的类型转换

C/C++ 中存在多种多样的类型转换，以普通函数（非模板函数）为例，发生函数调用时，如果实参和形参的类型不是严格匹配，那么会将实参的类型进行适当的转换，以适应形参的类型，这些转换包括：
1、 算数转换：例如 int 转换为 float，char 转换为 int，double 转换为 int 等。
2、 向上转型：也就是派生类向基类的转换。
3、 const 转换：也即将非 const 类型转换为 const 类型，例如将 char * 转换为 const char *。
4、数组或函数指针转换：如果函数形参不是引用类型，那么数组名会转换为数组指针，函数名也会转换为函数指针。
5、用户自定的类型转换。

catch 在匹配异常类型的过程中，也会进行类型转换，但是这种转换受到了更多的限制，仅能进行「向上转型」、「const 转换」和「数组或函数指针转换」，其他的都不能应用于 catch。

const 转换以及数组和指针的转换例程：

#include <iostream>
using namespace std;

int main(){
    int nums[] = {1, 2, 3};
    try{
        throw nums;
    }catch(const int *){
        cout<<"const int * 异常"<<endl;
    }

    return 0;
}

image.png

nums 本来的类型是int [3]，但是 catch 中没有严格匹配的类型，所以先转换为int *，再转换为const int *。

---

18.3 throw（抛出异常）

throw 关键字来显式地抛出异常，它的用法为：

throw 异常数据;

异常数据，可以包含任意的信息，由程序员决定，可以是 int、float、bool 等基本类型，也可以是指针、数组、字符串、结构体、类等聚合类型。

char str[] = "https://www.baidu.com/";
char *pstr = str;

class Base{};
Base obj;

throw 100;  //int 类型
throw str;  //数组类型
throw pstr;  //指针类型
throw obj;  //对象类型

动态数组异常例程

#include <iostream>
#include <cstdlib>
using namespace std;

//自定义的异常类型
class OutOfRange{
public:
    OutOfRange(): m_flag(1){ }
    OutOfRange(int len, int index): m_len(len), m_index(index), m_flag(2){ }
public:
    void what() const;  //获取具体的错误信息
private:
    int m_flag;  //不同的flag表示不同的错误
    int m_len;  //当前数组的长度
    int m_index;  //当前使用的数组下标
};

void OutOfRange::what() const {
    if(m_flag == 1){
        cout<<"空数组，元素无法获取"<<endl;
    }else if(m_flag == 2){
        cout<<"数组越界当前长度是："<<m_len<<", 使用了 "<<m_index<<" 下标位置"<<endl;
    }else{
        cout<<"未知异常"<<endl;
    }
}

//实现动态数组
class Array{
public:
    Array();
    ~Array(){ free(m_p); }
public:
    int operator[](int i) const;  //获取数组元素
    int push(int ele);  //在末尾插入数组元素
    int pop();  //在末尾删除数组元素
    int length() const{ return m_len; }  //获取数组长度
private:
    int m_len;  //数组长度
    int m_capacity;  //当前的内存能容纳多少个元素
    int *m_p;  //内存指针
private:
    static const int m_stepSize = 50;  //每次扩容的步长
};

Array::Array(){
    m_p = (int*)malloc( sizeof(int) * m_stepSize );
    m_capacity = m_stepSize;
    m_len = 0;
}
int Array::operator[](int index) const {
    if( index<0 || index>=m_len ){  //判断是否越界
        throw OutOfRange(m_len, index);  //抛出异常（创建一个匿名对象）
    }

    return *(m_p + index);
}
int Array::push(int ele){
    if(m_len >= m_capacity){  //如果容量不足就扩容
        m_capacity += m_stepSize;
        m_p = (int*)realloc( m_p, sizeof(int) * m_capacity );  //扩容
    }

    *(m_p + m_len) = ele;
    m_len++;
    return m_len-1;
}
int Array::pop(){
    if(m_len == 0){
         throw OutOfRange();  //抛出异常（创建一个匿名对象）
    }

    m_len--;
    return *(m_p + m_len);
}

//打印数组元素
void printArray(Array &arr){
    int len = arr.length();

    //判断数组是否为空
    if(len == 0){
        cout<<"空数组无元素，无法打印"<<endl;
        return;
    }

    for(int i=0; i<len; i++){
        if(i == len-1){
            cout<<arr[i]<<endl;
        }else{
            cout<<arr[i]<<", ";
        }
    }
}

int main(){
    Array nums;
    //向数组中添加十个元素
    for(int i=0; i<10; i++){
        nums.push(i);
    }
    printArray(nums);

    //尝试访问第20个元素
    try{
        cout<<nums[20]<<endl;
    }catch(OutOfRange &e){
        e.what();
    }

    //尝试弹出20个元素
    try{
        for(int i=0; i<20; i++){
            nums.pop();
        }
    }catch(OutOfRange &e){
        e.what();
    }

    printArray(nums);

    return 0;
}

image.png

---

18.4 throw 用作异常规范

throw 关键字除了可以用在函数体中抛出异常，还可以用在函数头和函数体之间，指明当前函数能够抛出的异常类型，这称为异常规范，也称为异常指示符或异常列表。

double func (char param) throw (int);

这条语句声明了一个名为 func 的函数，它的返回值类型为 double，有一个 char 类型的参数，并且只能抛出 int 类型的异常。如果抛出其他类型的异常，try 将无法捕获，只能终止程序。

如果函数会抛出多种类型的异常，那么可以用逗号隔开：

double func (char param) throw (int, char, exception);

如果函数不会抛出任何异常，那么( )中什么也不写：

double func (char param) throw ();

如此，func() 函数就不能抛出任何类型的异常了，即使抛出了，try 也检测不到。

18.4.1 虚函数中的异常规范

派生类虚函数的异常规范必须与基类虚函数的异常规范一样严格，或者更严格。只有这样，当通过基类指针（或者引用）调用派生类虚函数时，才能保证不违背基类成员函数的异常规范。

class Base{
public:
    virtual int fun1(int) throw();
    virtual int fun2(int) throw(int);
    virtual string fun3() throw(int, string);
};
class Derived:public Base{
public:
    int fun1(int) throw(int);   //错！异常规范不如 throw() 严格
    int fun2(int) throw(int);   //对！有相同的异常规范
    string fun3() throw(string);  //对！异常规范比 throw(int,string) 更严格
}

18.4.2 异常规范与函数定义和函数声明

异常规范在函数声明和函数定义中必须同时指明，并且要严格保持一致，不能更加严格或者更加宽松。

//错！定义中有异常规范，声明中没有
void func1();
void func1() throw(int) { }

//错！定义和声明中的异常规范不一致
void func2() throw(int);
void func2() throw(int, bool) { }

//对！定义和声明中的异常规范严格一致
void func3() throw(float, char*);
void func3() throw(float, char*) { }

注意：异常规范是 C++98 新增的一项功能，但是后来的 C++11 已经将它抛弃了，不再建议使用。我们只是了解这个知识就可以了。

---

18.5 C++异常基类exception

exception 类位于 <exception> 头文件中，它被声明为：

class exception{
public:
  exception () throw(); //构造函数
  exception (const exception&) throw(); //拷贝构造函数
  exception& operator= (const exception&) throw(); //运算符重载
  virtual ~exception() throw(); //虚析构函数
  virtual const char* what() const throw(); //虚函数
}

what() 函数返回一个能识别异常的字符串，C++标准并没有规定这个字符串的格式，各个编译器的实现也不同，所以 what() 的返回值仅供参考。

exception 类的继承层次 exception 类的直接派生类 logic_error 的派生类 runtime_error 的派生类