C++語(yǔ)言學(xué)習(xí)（十八）——異常處理

一、C語(yǔ)言異常處理

異常是指程序在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生可預(yù)料的執(zhí)行分支。如除0操作，數(shù)組訪問(wèn)越界、要打開的文件不存在。
Bug是指程序中的錯(cuò)誤，是不被預(yù)期的運(yùn)行方式。如野指針、堆空間使用結(jié)束未釋放。
C語(yǔ)言中處理異常的方式一般是使用if....else...分支語(yǔ)句。

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double divide(double a, double b)
{
    const double delta = 0.000000000000001;
    double ret = 0;

    if( !((-delta < b) && (b < delta)) )
    {
        ret = a / b;
    }
    else
    {
        cout << "a is  devieded by zero" <<endl;
    }
    return ret;
}

C語(yǔ)言通過(guò)setjmp和longjmp對(duì)異常處理進(jìn)行優(yōu)化。
int setjmp(jmp_buf env);
將上下文保存到j(luò)mp_buf結(jié)構(gòu)體中
void longjmp(jmp_buf env, int value);
從jmp_buf結(jié)構(gòu)體中恢復(fù)setjmp保存的上下文，最終從setjmp函數(shù)調(diào)用點(diǎn)返回，返回值為value。

#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, 1);
        cout << "r = " << r << endl;
    }
    else
    {
        cout << "Divided by zero..." << endl;
    }

    return 0;
}

二、C++語(yǔ)言異常處理機(jī)制

1、異常處理簡(jiǎn)介

C++語(yǔ)言中內(nèi)置了異常處理的語(yǔ)法，try.....catch......。
try語(yǔ)句塊用來(lái)處理正常代碼邏輯，catch語(yǔ)句塊用來(lái)處理異常處理情況，throw拋出異常。在try語(yǔ)句塊拋出的異常在相應(yīng)的catch語(yǔ)句塊捕獲處理。
同一個(gè)try語(yǔ)句塊可以對(duì)應(yīng)多個(gè)catch語(yǔ)句塊，catch語(yǔ)句塊可以定義具體處理的異常類型，不同的類型的異常由不同的catch語(yǔ)句塊處理，try語(yǔ)句塊可以拋出任何類型的異常，catch(...)用于處理所有類型的異常，任何異常都只能被捕獲一次。
throw拋出的異常必須被catch處理，如果當(dāng)前函數(shù)能夠處理異常，繼續(xù)執(zhí)行；如果當(dāng)前函數(shù)不能處理異常，函數(shù)停止執(zhí)行并返回。未被處理的異常會(huì)順著函數(shù)調(diào)用棧向上傳遞，直到被處理為止，否則程序?qū)⑼Ｖ箞?zhí)行。
異常處理的匹配：
A、異常拋出后從上到下嚴(yán)格匹配每個(gè)catch語(yǔ)句塊處理的類型，不能進(jìn)行任何類型轉(zhuǎn)換。
B、catch(...)語(yǔ)句塊只能放到catch語(yǔ)句塊分支的最后位置。
異常處理的使用實(shí)例：

    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;
    }

catch語(yǔ)句塊捕獲的異常重新解釋后可以拋出異常，拋出的異常在外層的try...catch中捕獲。

    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;
    }

通常在catch語(yǔ)句塊中捕獲的異常重新解釋后可以再次拋出異常，工程實(shí)踐中通常用于統(tǒng)一異常類型，如通過(guò)捕獲第三方庫(kù)函數(shù)中拋出的異常，重新解釋后拋出統(tǒng)一的異常處理信息。
異常的類型可以是自定義類型，自定義類型的異常匹配依舊是自上而下嚴(yán)格匹配，但由于賦值兼容性原則在異常匹配中適用，所以匹配子類異常的catch語(yǔ)句塊放在catch分支的上部，匹配父類異常的catch語(yǔ)句塊放在catch分支的下部。

#include <iostream>

using namespace std;

class Parent
{
public:
    Parent(int i):code(i)
    {

    }
private:
    int code;
};

class Child : public Parent
{
public:
    Child(int i):Parent(i),code(i)
    {

    }
private:
    int code;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    try
    {
        Child child(1);
        throw child;
    }
    catch(const Child& e)
    {
        cout << "catch(const Child& e)" << endl;
    }
    catch(const Parent& e)
    {
        cout << "catch(const Parent& e)" << endl;
    }

    return 0;
}

2、STL中的異常處理

STL提供了實(shí)用的異常處理類，STL中的異常都是從exception類繼承而來(lái)，exception類只要有兩個(gè)分支，logic_error和runtime_error。logic_error用于處理程序中可避免邏輯錯(cuò)誤，runtime_error用于處理程序中無(wú)法處理的惡性錯(cuò)誤。

#include <iostream>
#include <stdexcept>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    int array[5] = {0};
    for(int i = 0; i < 5; i++)
    {
        array[i] = i;
    }
    try
    {
        for(int i = 0; i < 10; i++)
        {
            if(i >= 5)
            {
                throw out_of_range("out of range");
            }
            else
            {
                cout << array[i] <<endl;
            }
        }
    }
    catch(const out_of_range& e)
    {
        cout << e.what() << endl;
    }
    return 0;
}

3、try...catch特殊語(yǔ)法

try...catch語(yǔ)句用于分隔正常功能代碼與異常處理代碼。try...catch語(yǔ)句也可以將函數(shù)體分隔為兩部分。
函數(shù)聲明和定義時(shí)可以直接指定可能拋出的異常類型，異常聲明作為函數(shù)的一部分可以提高代碼可讀性。
函數(shù)異常聲明是一種與編譯器之間的契約，函數(shù)聲明異常后就只能拋出聲明的異常。如果拋出其它異常將會(huì)導(dǎo)致程序運(yùn)行終止。也可以通過(guò)函數(shù)異常聲明定義無(wú)異常函數(shù)。

#include <iostream>

using namespace std;
//聲明拋出的異常類型為int
void func(int i, int j)throw(int)
{
    if(0 < j && j < 10)
    {

    }
    else
    {
        throw 0;
    }
}

void test(int i)try
{
    func(i,i);
}
catch(int i)
{
    cout << "catch(int i): " << i << endl;
}
catch(...)
{
    cout << "Exception:" << endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    test(10);
    test(1);
    return 0;
}

上述代碼中，func函數(shù)聲明了拋出的異常類型為int，因此func函數(shù)只能拋出int類型異常，如果拋出其它類型異常將導(dǎo)致程序運(yùn)行終止。即使test函數(shù)可以對(duì)拋出的其它類型異常進(jìn)行捕獲，程序也會(huì)運(yùn)行終止。
如果函數(shù)內(nèi)部可能會(huì)拋出多種類型的異常，需要在函數(shù)聲明異常時(shí)指定聲明的異常類型，代碼如下：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;
//聲明拋出的異常類型為int,char,string
void func(int i, int j)throw(int,char,string)
{
    if(0 < j && j < 10)
    {
        throw j;
    }
    if(10 < j && j < 100)
    {
        throw 'A';
    }
    else
    {
        throw string("string exception.");
    }
}

void test(int i)try
{
    func(i,i);
}
catch(int i)
{
    cout << "catch(int i): " << i << endl;
}
catch(char c)
{
    cout << "Exception:" << c << endl;
}
catch(string s)
{
    cout << s << endl;
}
catch(...)
{
    cout << "Exception:" << endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    test(115);//string exception.
    test(1);//catch(int i): 1
    test(20);//Exception:A
    return 0;
}

上述代碼中，func函數(shù)可以拋出多種類型的異常，test函數(shù)會(huì)捕獲func函數(shù)拋出的多種異常類型。

4、未被處理的異常

如果異常沒(méi)有被處理，terminate函數(shù)會(huì)被自動(dòng)調(diào)用。terminate函數(shù)是整個(gè)程序釋放系統(tǒng)資源的最后機(jī)會(huì)。默認(rèn)情況下，terminate函數(shù)調(diào)用abort庫(kù)函數(shù)終止程序。abort函數(shù)使得程序執(zhí)行異常而立即退出。

#include <iostream>

using namespace std;

class Test
{
public:
    Test()
    {
        cout << "Test()" << endl;
    }
    ~Test()
    {
        cout << "~Test()" << endl;
    }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    static Test test;
    throw 1;
    return 0;
}

上述代碼運(yùn)行結(jié)果如下：

C++支持使用自定義的terminate函數(shù)實(shí)現(xiàn)替換默認(rèn)的terminate函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
自定義terminate函數(shù)的實(shí)現(xiàn)規(guī)則如下：
A、自定義一個(gè)無(wú)返回值、無(wú)參數(shù)的函數(shù)
B、不能拋出任何異常
C、必須以某種方式結(jié)束當(dāng)前程序
通過(guò)調(diào)用set_terminate函數(shù)可以設(shè)置自定義的terminate結(jié)束函數(shù)，其用法如下：
A、參數(shù)類型為void (*)()
B、返回值為默認(rèn)的terminate函數(shù)入口地址

#include <iostream>
#include <cstdlib>

using namespace std;

class Test
{
public:
    Test()
    {
        cout << "Test()" << endl;
    }
    ~Test()
    {
        cout << "~Test()" << endl;
    }
};

void terminate_test()
{
    cout << "void terminate_test()" << endl;
    exit(1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    set_terminate(terminate_test);
    static Test test;
    throw 1;
    return 0;
}
// output:
// Test()
// void terminate_test()
// ~Test()

上述代碼在最終terminate_test結(jié)束函數(shù)中調(diào)用了exit(1)，exit函數(shù)會(huì)確保程序中全局、靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)的對(duì)象被正確銷毀。如果使用abort函數(shù)替換exit函數(shù)，程序運(yùn)行結(jié)果如下：

析構(gòu)函數(shù)中拋出異?？赡軙?huì)導(dǎo)致最終結(jié)束函數(shù)terminate函數(shù)會(huì)被重復(fù)調(diào)用。

5、函數(shù)的異常規(guī)格說(shuō)明

C++語(yǔ)言提供用于聲明函數(shù)拋出異常的語(yǔ)法聲明。異常聲明作為函數(shù)聲明的修飾符，位于函數(shù)參數(shù)表的后面。函數(shù)異常聲明的示例如下：

//可能拋出任何異常
void func1();
//只能拋出的異常類型：char,int
void func2() throw(char, int);
//不拋出任何異常
void func3() throw();

函數(shù)異常聲明的意義如下：
A、提示函數(shù)調(diào)用者必須做好異常處理的準(zhǔn)備
B、提示函數(shù)的維護(hù)者不要拋出其它異常
C、函數(shù)異常規(guī)格說(shuō)明是函數(shù)接口的一部分
如果函數(shù)拋出的異常類型不在函數(shù)異常聲明中，全局unexpected()函數(shù)會(huì)被調(diào)用。默認(rèn)的unexpected()函數(shù)會(huì)調(diào)用全局的terminate函數(shù)，可以自定義函數(shù)替換默認(rèn)的unexpected()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
自定義的unexpected()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)規(guī)則如下：
A、自定義一個(gè)無(wú)返回值、無(wú)參數(shù)的函數(shù)
B、能夠再次拋出異常，當(dāng)異常符合觸發(fā)函數(shù)的異常規(guī)格說(shuō)明時(shí)，恢復(fù)程序執(zhí)行。否則，調(diào)用全局terminate函數(shù)結(jié)束程序。
通過(guò)調(diào)用set_unexpected函數(shù)可以設(shè)置自定義的unexpected()函數(shù)，用法如下：
A、參數(shù)類型為void (*)()
B、返回值為默認(rèn)的unexpected()函數(shù)入口地址。

#include <iostream>
#include <cstdlib>

using namespace std;

void func() throw(int)
{
    cout << "void func()throw(int)" << endl;
    throw 'A';
}

void unexpected_test()
{
    cout << "void unexpected_test()" << endl;
    throw 1;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    set_unexpected(unexpected_test);
    try
    {
        func();
    }
    catch(int)
    {
        cout << "catch(int)" << endl;
    }
    catch(char)
    {
        cout << "catch(char)" << endl;
    }

    return 0;
}
// output:
// void func()throw(int)
// void unexpected_test()
// catch(int)

C++編譯器不一定對(duì)C++語(yǔ)言中函數(shù)異常規(guī)格說(shuō)明進(jìn)行支持。VC++編譯器不支持，G++編譯器支持。

6、動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)異常

C語(yǔ)言中，malloc函數(shù)申請(qǐng)內(nèi)存失敗時(shí)返回NULL值。
C++語(yǔ)言中，對(duì)于早期的C++編譯器，new關(guān)鍵字申請(qǐng)內(nèi)存失敗時(shí)，返回NULL值；對(duì)于現(xiàn)代C++編譯器，new關(guān)鍵字申請(qǐng)內(nèi)存失敗時(shí)，拋出std::bad_alloc異常。
C++語(yǔ)言規(guī)范中，new關(guān)鍵字的標(biāo)準(zhǔn)行為如下：
A、new在內(nèi)存分配時(shí)，如果空間不足，會(huì)調(diào)用全局的new_handler函數(shù)，new_handler函數(shù)中拋出std::bad_alloc異常；如果成功，會(huì)在分配的空間調(diào)用構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建對(duì)象，并返回對(duì)象的地址。
B、可以自定義new_handler函數(shù)，處理默認(rèn)new內(nèi)存分配失敗的情況。

#include <iostream>
#include <cstdlib>

using namespace std;

void new_handler_test()
{
    cout << "void new_handler_test()" << endl;
    cout << "No enough memory" << endl;
    exit(1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    set_new_handler(new_handler_test);
    int* p = new(std::nothrow) int[10000000000];

    return 0;
}
// output:
// void new_handler_test()
// No enough memory

上述代碼中，自定義new_handler函數(shù)，拋出異常時(shí)會(huì)調(diào)用。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <new>

using namespace std;

void new_handler_test()
{
    cout << "void new_handler_test()" << endl;
    cout << "No enough memory" << endl;
    exit(1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    new_handler func = set_new_handler(new_handler_test);
    cout << "func = " << func << endl;
    if(func)
    {
        try
        {
            func();
        }
        catch(const bad_alloc& e)
        {
            cout << e.what() << endl;
        }
    }
    return 0;
}
// func = 0

上述代碼是在G++編譯器、VC++編譯器下編譯執(zhí)行后打印的結(jié)果，表明G++編譯器、VC++編譯器沒(méi)有設(shè)置默認(rèn)的new_handler函數(shù)。如果C++編譯器（如BCC編譯器）設(shè)置有默認(rèn)的new_handler函數(shù)，func函數(shù)執(zhí)行時(shí)將會(huì)拋出bad_alloc異常，被捕獲后打印出bad_alloc異常的相關(guān)信息。
不同的C++編譯器，new關(guān)鍵字申請(qǐng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存失敗時(shí)表現(xiàn)不同。
工程實(shí)踐中，為了在不同C++編譯器間統(tǒng)一new關(guān)鍵字的行為，提高代碼的可移植性，解決方案如下:
A、重新定義全局的new/delete實(shí)現(xiàn)，不拋出任何異常；自定義new_handler函數(shù)，不拋出任何異常（不推薦）。
B、在類內(nèi)重載new/delete操作符，不拋出任何異常。
C、單次動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配時(shí)使用nothrow參數(shù)，指明new不拋出異常。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <new>

using namespace std;

class Test
{
    int m_data;
public:
    Test()
    {
        cout << "Test()" << endl;
        m_data = 0;//異常
    }

    ~Test()
    {
        cout << "~Test()" << endl;
    }

    void* operator new (unsigned int size)
    {
        cout << "operator new: " << size << endl;
        // return malloc(size);
        return NULL;
    }

    void operator delete (void* p)
    {
        cout << "operator delete: " << p << endl;
        free(p);
    }

    void* operator new[] (unsigned int size)
    {
        cout << "operator new[]: " << size << endl;
        // return malloc(size);
        return NULL;
    }

    void operator delete[] (void* p)
    {
        cout << "operator delete[]: " << p << endl;
        free(p);
    }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Test* p = new Test();
    cout << p << endl;
    delete p;

    return 0;
}
// output:
// operator new: 4
// Test()
// 異常

上述代碼在執(zhí)行new操作符函數(shù)后會(huì)調(diào)用Test構(gòu)造函數(shù)，并在初始化m_data成員變量時(shí)拋出異常。為了確保不同C++編譯器在調(diào)用new關(guān)鍵字時(shí)具有相同的行為，需要在new失敗時(shí)不拋出異常，因此需要在new操作符增加函數(shù)的異常聲明。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <new>

using namespace std;

class Test
{
    int m_data;
public:
    Test()
    {
        cout << "Test()" << endl;
        m_data = 0;//異常
    }

    ~Test()
    {
        cout << "~Test()" << endl;
    }

    void* operator new (unsigned int size) throw()
    {
        cout << "operator new: " << size << endl;
        // return malloc(size);
        return NULL;
    }

    void operator delete (void* p)
    {
        cout << "operator delete: " << p << endl;
        free(p);
    }

    void* operator new[] (unsigned int size) throw()
    {
        cout << "operator new[]: " << size << endl;
        // return malloc(size);
        return NULL;
    }

    void operator delete[] (void* p)
    {
        cout << "operator delete[]: " << p << endl;
        free(p);
    }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Test* p = new Test();
    cout << p << endl;
    delete p;
    p = new Test[5];
    cout << p << endl;
    delete [] p;

    return 0;
}
// output:
// operator new: 4
// 0
// operator new[]: 24
// 0

上述代碼對(duì)Test類的new和delete關(guān)鍵字進(jìn)行了重載，統(tǒng)一了new失敗時(shí)的行為。

#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    //不拋出異常
    int* p = new(nothrow) int[1000000000];
    cout << "p = " << p << endl;
    delete [] p;
    int array[2] = {0};
    struct Test
    {
        int x;
        int y;
    };
    //在?？臻g創(chuàng)建對(duì)象
    Test* pTest = new(array) Test();
    pTest->x = 100;
    pTest->y = 200;
    cout << array[0] << endl;
    cout << array[1] << endl;
    //顯示析構(gòu)
    pTest->~Test();

    return 0;
}
// output:
// p = 0
// 100
// 200

上述代碼中使用nothrow關(guān)鍵字對(duì)象new進(jìn)行限制，確保new創(chuàng)建對(duì)象失敗時(shí)不會(huì)拋出異常。new關(guān)鍵字也可以指定創(chuàng)建對(duì)象的地址空間，比如?？臻g。

7、C++編譯器對(duì)new關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)

不是所有的C++編譯器都遵循C++標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，C++編譯器可能重新定義new關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)，并在實(shí)現(xiàn)中拋出bad_alloc異常。VC++編譯器對(duì)new關(guān)鍵字進(jìn)行了重定義，new關(guān)鍵字在new.cpp文件中進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

#ifdef _SYSCRT
#include <cruntime.h>
#include <crtdbg.h>
#include <malloc.h>
#include <new.h>
#include <stdlib.h>
#include <winheap.h>
#include <rtcsup.h>
#include <internal.h>

void * operator new( size_t cb )
{
    void *res;

    for (;;) {

        //  allocate memory block
        res = _heap_alloc(cb);

        //  if successful allocation, return pointer to memory

        if (res)
            break;

        //  call installed new handler
        if (!_callnewh(cb))
            break;

        //  new handler was successful -- try to allocate again
    }

    RTCCALLBACK(_RTC_Allocate_hook, (res, cb, 0));

    return res;
}
#else  /* _SYSCRT */

#include <cstdlib>
#include <new>

_C_LIB_DECL
int __cdecl _callnewh(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc);
_END_C_LIB_DECL

void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
        {       // try to allocate size bytes
        void *p;
        while ((p = malloc(size)) == 0)
                if (_callnewh(size) == 0)
                {       // report no memory
                static const std::bad_alloc nomem;
                _RAISE(nomem);
                }

        return (p);
        }

/*
 * Copyright (c) 1992-2002 by P.J. Plauger.  ALL RIGHTS RESERVED.
 * Consult your license regarding permissions and restrictions.
 V3.13:0009 */
#endif  /* _SYSCRT */

上述代碼顯示，在new失敗時(shí)默認(rèn)拋出bad_alloc異常。

標(biāo)題名稱：C++語(yǔ)言學(xué)習(xí)（十八）——異常處理
網(wǎng)站鏈接：http://www.rwnh.cn/article34/jgpose.html

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