C语言异常处理

异常的概念

• 异常的说明
  • 程序在运行过程中可能产生异常
  • 异常（Exception）与Bug的区别
    • 异常是程序运行时可预料的执行分支
    • Bug是程序中的错误，是不被预期的运行方式
• 异常（Exception）和Bug的对比：
  • 异常
    • 运行时产生除0的情况
    • 需要打开的外部文件不存在
    • 数组访问时越界
  • Bug
    • 使用野指针
    • 堆数组使用结束后未释放
    • 选择排序无法处理长度为0的数组

异常处理

C语言经典处理方式：if ... else ...

void func()
{
    if(判断是否产生异常)
    {
        正常情况代码逻辑；
    }
    else
    {
        异常情况代码逻辑；
    }
}

这里举一个例子：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

//除法判断
double divide(double a, double b, int* valid)
{
    const double delta = 0.000000000000001;
    double ret = 0;
    
    //强制判断
    if( !((-delta < b) && (b < delta)) )
    {//正常情况
        ret = a / b;
        
        *valid = 1;
    }
    else
    {//异常情况
        *valid = 0;
    }
    
    return ret;
}

int main(int argc, char *argv[])
{   
    int valid = 0;
    double r = divide(1, 0, &valid);
    
    if( valid )
    {
        cout << "r = " << r << endl;
    }
    else
    {
        cout << "Divided by zero..." << endl;
    }
    
    return 0;
}

运行结果为：

Divided by zero...

这种做法也有缺陷：

• divide函数有3个参数，难以理解其用法
• divide函数调用后必须判断valid代表的结果
  • 当valid为true时，运算结果正常
  • 当valid为false时，运算过程出现异常

所以这里再介绍另外一种方法：

• 通过setjmp( ) 和 longjmp( ) 进行优化
  • int setjmp(jmp_buf env)
    • 将当前上下文保存在jmp_buf结构体中
  • void longjmp(jmp_buf env, int val)
    • 从jmp_buf 结构体中恢复setjmp( )保存的上下文
    • 最终从setjmp函数调用点返回，返回值为val

举一个例子：

#include <iostream>
#include <string>
#include <csetjmp>

using namespace std;

//创建一个静态的结构体
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
    {
        //假如程序执行到这里，就恢复setjmp保存的上下文，然后返回1
        longjmp(env, 1);
    }
    
    return ret;
}

int main(int argc, char *argv[])
{   
    //将当前的上下文保存到env结构体中
    if( setjmp(env) == 0 )
    {
        double r = divide(1, 0);
        
        cout << "r = " << r << endl;
    }
    else
    {
        //返回1以后，与0不相等，就执行到这里
        cout << "Divided by zero..." << endl;
    }
    
    return 0;
}

执行结果为：

Divided by zero...

这种方法的缺陷是：

• setjmp( )和longjmp( )的引入
  • 必然涉及到使用全局变量
  • 暴力跳转导致代码可读性降低
  • 本质还是if ... else ... 异常处理方式

最后再介绍一种方法，还是用 if ... else ... 来做，但是使用宏定义来说明语义：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

#define SUCCESS           0 
#define INVALID_POINTER   -1
#define INVALID_LENGTH    -2
#define INVALID_PARAMETER -3

int MemSet(void* dest, unsigned int length, unsigned char v)
{
    if( dest == NULL )
    {
        return INVALID_POINTER;
    }
    
    if( length < 4 )
    {
        return INVALID_LENGTH;
    }
    
    if( (v < 0) || (v > 9) )
    {
        return INVALID_PARAMETER;
    }
    
    unsigned char* p = (unsigned char*)dest;
    
    for(int i=0; i<length; i++)
    {
        p[i] = v;
    }
    
    return SUCCESS;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int ai[5];
    int ret = MemSet(ai, sizeof(ai), 0);
    
    if( ret == SUCCESS )
    {
    }
    else if( ret == INVALID_POINTER )
    {
    }
    else if( ret == INVALID_LENGTH )
    {
    }
    else if( ret == INVALID_PARAMETER )
    {
    }
    
    return ret;
}

小结

• 程序中不可避免的会发生异常
• 异常是在开发阶段就可以预见的运行时问题
• C语言中通过经典的 if ... else ... 方式处理异常
• C++中存在更好的异常处理方式

C++的异常处理

异常处理介绍

C++内置了异常处理的语法元素 try ... catch ...

• try语句处理正常代码逻辑
• catch语句处理异常情况
• try语句中的异常由对应的catch语句处理
• 语法：

try
{
    double r = divide(1, 0);
}
catch(...)
{
    cout << "Divided by zero..." << endl;
}

• C++通过throw语句抛出异常信息

double divide(double a, double b)
{
    const double delta = 0.0000000000001;
    double ret = 0;
    if(!((-delta < b) && (b < delta)))
    {
        ret = a / b;
    }
    else
    {
        //产生除0异常
        throw 0;
    }

    return ret;
}

异常处理分析

• 这里对C++异常处理分析一下：
  • throw抛出的异常必须被catch处理
    • 当前函数能够处理异常，程序继续往下执行
    • 当前函数无法处理异常，则函数停止执行，并返回

未被处理的异常会顺着函数调用栈向上传播，知道被处理为止，否则程序将停止执行。

function1 ==> function2 ==> function3
          <==           <== throw1;

这里举一个例子：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

double divide(double a, double b)
{
    const double delta = 0.000000000000001;
    double ret = 0;
    
    if( !((-delta < b) && (b < delta)) )
    {
        ret = a / b;
    }
    else
    {
        //用throw抛出异常信息
        throw 0;
    }
    
    return ret;
}

int main(int argc, char *argv[])
{    
    try
    {
        double r = divide(1, 0);
            
        cout << "r = " << r << endl;
    }
    catch(...)
    {
        //try语句中抛出的异常在这里接受并处理
        cout << "Divided by zero..." << endl;
    }
    
    return 0;
}

继续学习 try... catch ...的知识点：

• 同一个try 语句可以跟上多个catch语句

  • catch语句可以定义具体处理的异常类型
  • 不同类型的异常由不同的catch语句负责处理
  • try语句中可以抛出任何类型的异常
  • catch( ... ) 用于处理所有类型的异常
  • 任何异常都只能被捕获（catch）一次

• 异常处理的匹配规则：

//异常处理匹配时，不进行任何的类型转换
|   try
|   {
|       throw 1;
|   }   
|   catch(Type1 t1)
|   {
|   }
|   catch(Type2 t2)
|   {
|   }
|   catch(TypeN tn)
|   {
|   }
v
异常抛出后，自上而下严格匹配每一个catch语句处理的类型

这里用一个例子来试验一下匹配规则：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

void Demo1()
{
    try
    {   
        //这里抛出一个字符
        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;
    }
}

void Demo2()
{
    //这里抛出string类字符串
    throw string("D.T.Software");
}

int main(int argc, char *argv[])
{    
    Demo1();
    
    try
    {
        Demo2();
    }
    catch(char* s)
    {
        cout << "catch(char *s)" << endl;
    }
    catch(const char* cs)
    {
        cout << "catch(const char *cs)" << endl;
    }
    catch(string ss)
    {
        cout << "catch(string ss)" << endl;
    }
    
    return 0;
}

执行结果如下：

catch(char c)
catch(string ss)

catch再抛出异常

在try ... catch ... 语句中，catch语句块中可以抛出异常

try
{
    func();
}
catch(int i)
{
    //将捕获的异常重新抛出
    throw i;
}
catch(...)
{
    //将捕获的异常重新抛出
    throw;
}

//catch中抛出的异常需要外层的try ... catch ...捕获

可是为什么要重新抛出异常呢？因为：

catch中捕获的异常可以被重新解释后抛出，这样就可以在工程开发中使用这样的方式统一异常类型。

//工程开发
通过调用 MyFunc 获得 func函数的功能和统一的异常信息
    |
    | 调用
    V

//私有库
void MyFunc(int i);
/*异常类型为Exception*/
    |
    | 封装
    V

//第三方库
void func(int i);
/*异常类型为int*/

这里举一个例子：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

void Demo()
{
    
    try
    {
        try
        {
            //这里抛出的异常由内层try ... catch ...来捕获处理
            throw 'c';
        }
        catch(int i)
        {
            cout << "Inner: catch(int i)" << endl;
            //这里再次抛出的异常由外层来捕获并处理
            throw i;
        }
        catch(...)
        {
            cout << "Inner: catch(...)" << endl;
            //这里再次抛出的异常由外层来捕获并处理
            throw;
        }
    }
    catch(...)
    {
        cout << "Outer: catch(...)" << endl;
    }
}

/*
    假设： 当前的函数式第三方库中的函数，因此，我们无法修改源代码
    
    函数名： void func(int i)
    抛出异常的类型： int
                        -1 ==》 参数异常
                        -2 ==》 运行异常
                        -3 ==》 超时异常
*/
void func(int i)
{
    if( i < 0 )
    {
        throw -1;
    }
    
    if( i > 100 )
    {
        throw -2;
    }
    
    if( i == 11 )
    {
        throw -3;
    }
    
    cout << "Run func..." << endl;
}

void MyFunc(int i)
{
    try
    {
        func(i);
    }
    catch(int i)
    {
        switch(i)
        {
            case -1:
                throw "Invalid Parameter";
                break;
            case -2:
                throw "Runtime Exception";
                break;
            case -3:
                throw "Timeout Exception";
                break;
        }
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    Demo();
    
    try
    {
        MyFunc(11);
    }
    catch(const char* cs)
    {
        cout << "Exception Info: " << cs << endl;
    }
    
    return 0;
}

运行结果为：

Inner: catch(...)
Outer: catch(...)
Exception Info: Timeout Exception

自定义异常类型

自定义类类型及匹配：

• 异常的类型可以是自定义类类型
• 对于类类型异常的匹配依旧是自上而下严格匹配
• 赋值兼容性原则在异常匹配中依然适用
• 一般而言
  • 匹配子类异常的catch放在上部
  • 匹配父类异常的catch放在下部

工程中的异常类：

• 在工程中会定义一系列的异常类
• 每个类代表工程中可能出现的一种异常类型
• 代码复用时可能需要重解释不同的异常类
• 在定义 catch语句块时推荐使用引用作为参数

这里举一个例子：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Base
{
};

class Exception : public Base
{
    int m_id;
    string m_desc;
public:
    Exception(int id, string desc)
    {
        m_id = id;
        m_desc = desc;
    }
    
    int id() const
    {
        return m_id;
    }
    
    string description() const
    {
        return m_desc;
    }
};


/*
    假设： 当前的函数式第三方库中的函数，因此，我们无法修改源代码
    
    函数名： void func(int i)
    抛出异常的类型： int
                        -1 ==》 参数异常
                        -2 ==》 运行异常
                        -3 ==》 超时异常
*/
void func(int i)
{
    if( i < 0 )
    {
        throw -1;
    }
    
    if( i > 100 )
    {
        throw -2;
    }
    
    if( i == 11 )
    {
        throw -3;
    }
    
    cout << "Run func..." << endl;
}

void MyFunc(int i)
{
    try
    {
        func(i);
    }
    catch(int i)
    {
        switch(i)
        {
            case -1:
                //这里直接抛出一个类
                throw Exception(-1, "Invalid Parameter");
                break;
            case -2:
                //这里直接抛出一个类
                throw Exception(-2, "Runtime Exception");
                break;
            case -3:
                //这里直接抛出一个类
                throw Exception(-3, "Timeout Exception");
                break;
        }
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    try
    {
        MyFunc(11);
    }
    //接受到的时候 判断为引用类型
    catch(const Exception& e)
    {
        cout << "Exception Info: " << endl;
        cout << "   ID: " << e.id() << endl;
        cout << "   Description: " << e.description() << endl;
    }
    //接受到的时候 判断为引用类型
    catch(const Base& e)
    {
        cout << "catch(const Base& e)" << endl;
    }
    
    return 0;
}

运行结果为：

Exception Info: 
   ID: -3
   Description: Timeout Exception

C++标准库的异常类族

在C++标准库中提供了实用异常类族

• 标准库中的异常都是从 exception 类派生的
• exception 类有两个主要的分支
  • logic_error
    • 常用于程序中的可避免逻辑错误
  • runtime_error
    • 常用于程序中无法避免的恶性错误

这里演示一下如何使用：

#include <iostream>
#include <string>
#include "Array.h"
#include "HeapArray.h"

using namespace std;

void TestArray()
{
    Array<int, 5> a;
    
    /*
        这里如果越界会抛出异常：
        throw out_of_range("T& Array<T, N>::operator[] (int index)");
        throw out_of_range("T Array<T, N>::operator[] (int index) const");
        */
    for(int i=0; i<a.length(); i++)
    {
        a[i] = i;
    }
        
    for(int i=0; i<a.length(); i++)
    {
        cout << a[i] << endl;
    }
}

void TestHeapArray()
{
    HeapArray<double>* pa = HeapArray<double>::NewInstance(5);
    
    if( pa != NULL )
    {
        HeapArray<double>& array = pa->self();
        
        /*
        这里如果越界会抛出异常：
        throw out_of_range("T& HeapArray<T>::operator [] (int index)");
        throw out_of_range("T HeapArray<T>::operator [] (int index) const");
        */
        for(int i=0; i<array.length(); i++)
        {
            array[i] = i;
        }
            
        for(int i=0; i<array.length(); i++)
        {
            cout << array[i] << endl;
        }
    }
    
    delete pa;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    try
    {
        TestArray();
        
        cout << endl;
        
        TestHeapArray();
    }
    catch(...)
    {
        cout << "Exception" << endl;
    }
    
    return 0;
}

小结

• C++中直接支持异常处理的概念
• try ... catch ...是C++中异常处理的专用语句
• try 语句处理正常代码逻辑，catch 语句处理异常情况
• 同一个 try 语句可以跟上多个 catch 语句
• 异常处理必须严格匹配，不进行任何的类型转换
• catch语句块中可以抛出异常
• 异常的类型可以是自定义类类型
• 赋值兼容性原则在异常匹配中依然适用
• 标准库中的异常都是从exception类派生的