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8.异常处理：优雅地处理错误

news 2025/7/26 11:46:22

异常处理：优雅地处理错误

🎯 前言：当程序遇到"意外"

想象一下，你正在厨房里做饭，突然发现盐罐子空了、鸡蛋坏了、或者煤气没了。如果你是个新手厨师，可能会手忙脚乱，甚至放弃做饭。但如果你是个经验丰富的厨师，你会优雅地处理这些"意外"：没盐就用其他调料、鸡蛋坏了就重新拿一个、煤气没了就改用电磁炉。

编程也是如此！程序在运行时总会遇到各种"意外"：文件找不到、网络连接断开、用户输入了奇怪的数据…这些就是我们所说的"异常"。今天我们要学习如何像资深厨师一样，优雅地处理这些编程中的"意外"。

让我们一起成为处理异常的高手吧！🚀

📚 目录

什么是异常？
异常的种类
try-except：异常处理的基本套路
多种异常处理
else和finally：锦上添花的控制
主动抛出异常
自定义异常
异常处理的最佳实践
实战项目：健壮的计算器

🧠 什么是异常？

异常就像是程序运行时的"突发状况"。当程序遇到无法正常处理的情况时，Python会抛出一个异常对象，告诉我们"出事了！"

🎭 没有异常处理的悲剧

# 这个程序看起来很正常，但是...
def divide_numbers():a = int(input("请输入第一个数字："))b = int(input("请输入第二个数字："))result = a / bprint(f"结果是：{result}")# 当用户输入0作为除数时...
divide_numbers()
# 💥 ZeroDivisionError: division by zero
# 程序直接崩溃了！

🎪 有异常处理的优雅

# 优雅的版本
def divide_numbers_gracefully():try:a = int(input("请输入第一个数字："))b = int(input("请输入第二个数字："))result = a / bprint(f"结果是：{result}")except ZeroDivisionError:print("哎呀！除数不能为0哦，数学老师会生气的！")except ValueError:print("请输入有效的数字，不要调皮输入文字！")# 现在程序不会崩溃了，而是友好地提示用户
divide_numbers_gracefully()

🎨 异常的种类

Python中的异常就像是不同类型的"意外事件"，每种异常都有自己的"个性"：

🔢 常见的内置异常

# 1. ValueError：值错误（数据类型对，但值不对）
try:age = int("abc")  # 想把字母转换成数字？门都没有！
except ValueError as e:print(f"数值错误：{e}")# 2. TypeError：类型错误（数据类型不对）
try:result = "hello" + 5  # 字符串和数字谈恋爱？不可能！
except TypeError as e:print(f"类型错误：{e}")# 3. IndexError：索引错误（数组越界）
try:my_list = [1, 2, 3]print(my_list[10])  # 想访问不存在的位置？超出范围了！
except IndexError as e:print(f"索引错误：{e}")# 4. KeyError：键错误（字典中不存在的键）
try:my_dict = {"name": "张三", "age": 25}print(my_dict["salary"])  # 想要不存在的键？没有这个字段！
except KeyError as e:print(f"键错误：{e}")# 5. FileNotFoundError：文件未找到
try:with open("不存在的文件.txt", "r") as file:content = file.read()
except FileNotFoundError as e:print(f"文件未找到：{e}")

🎯 异常的"家族谱"

# 所有异常都有一个共同的祖先：BaseException
# 我们通常处理的是Exception及其子类print("异常家族谱：")
print("BaseException（所有异常的祖宗）")
print("├── Exception（我们主要处理的异常）")
print("│   ├── ValueError（值错误）")
print("│   ├── TypeError（类型错误）")
print("│   ├── IndexError（索引错误）")
print("│   ├── KeyError（键错误）")
print("│   ├── FileNotFoundError（文件未找到）")
print("│   └── ... 还有很多其他异常")

🛡️ try-except：异常处理的基本套路

try-except就像是给程序穿上了"防护服"，让它在遇到危险时不会受伤。

🎪 基本语法

# 基本模式
try:# 可能出错的代码放这里risky_code()
except 异常类型:# 出错时的处理方案handle_error()

🎭 实际例子

# 例子1：安全的数字输入
def safe_input_number():while True:  # 一直循环直到用户输入正确try:num = int(input("请输入一个整数："))return num  # 成功了就返回except ValueError:print("这不是一个有效的整数！请重新输入。")# 不返回，继续循环# 例子2：安全的列表访问
def safe_list_access(my_list, index):try:return my_list[index]except IndexError:print(f"索引{index}超出了列表范围！")return None# 测试
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
print(safe_list_access(numbers, 2))   # 正常访问
print(safe_list_access(numbers, 10))  # 越界访问

🎨 多种异常处理

有时候一段代码可能产生多种异常，我们需要分别处理：

🎯 方法1：多个except块

def comprehensive_calculator():try:# 获取用户输入expression = input("请输入计算表达式（如：10 / 2）：")# 分割表达式parts = expression.split()num1 = float(parts[0])operator = parts[1]num2 = float(parts[2])# 执行计算if operator == '+':result = num1 + num2elif operator == '-':result = num1 - num2elif operator == '*':result = num1 * num2elif operator == '/':result = num1 / num2else:raise ValueError("不支持的运算符")print(f"结果：{result}")except IndexError:print("输入格式不正确！请按照'数字 运算符 数字'的格式输入")except ValueError as e:print(f"数值错误：{e}")except ZeroDivisionError:print("除数不能为0！数学老师说了算！")except Exception as e:print(f"发生了未知错误：{e}")# 测试不同的异常情况
comprehensive_calculator()

🎪 方法2：捕获多种异常

# 把相似的异常放在一个tuple里
def process_data(data):try:# 尝试处理数据result = int(data) * 2return resultexcept (ValueError, TypeError) as e:print(f"数据处理错误：{e}")return Noneexcept Exception as e:print(f"其他错误：{e}")return None# 测试
print(process_data("123"))    # 正常
print(process_data("abc"))    # ValueError
print(process_data(None))     # TypeError

🎭 else和finally：锦上添花的控制

else和finally是异常处理的高级技巧，让我们的代码更加精细：

🎯 else：没有异常时执行

def read_file_safely(filename):try:file = open(filename, 'r', encoding='utf-8')content = file.read()except FileNotFoundError:print(f"文件{filename}不存在！")return Noneexcept PermissionError:print(f"没有权限读取文件{filename}！")return Noneelse:# 只有当没有异常时才执行print(f"成功读取文件{filename}")file.close()return contentfinally:# 无论是否有异常都会执行print("文件读取操作完成")# 测试
content = read_file_safely("test.txt")
if content:print(f"文件内容：{content}")

🎪 finally：无论如何都要执行

def database_operation():"""模拟数据库操作"""database_connection = Nonetry:print("正在连接数据库...")database_connection = "模拟数据库连接"# 模拟可能出错的操作risky_operation = int(input("输入1执行成功，输入0产生错误："))if risky_operation == 0:raise ValueError("模拟数据库错误")print("数据库操作成功！")except ValueError as e:print(f"数据库操作失败：{e}")finally:# 无论成功失败都要关闭连接if database_connection:print("正在关闭数据库连接...")database_connection = Noneprint("数据库连接已关闭")# 测试
database_operation()

🚀 主动抛出异常

有时候我们需要主动抛出异常，就像是设置"警报器"：

🎯 使用raise抛出异常

def check_age(age):"""检查年龄是否合法"""if not isinstance(age, (int, float)):raise TypeError("年龄必须是数字！")if age < 0:raise ValueError("年龄不能是负数！时光倒流了吗？")if age > 150:raise ValueError("年龄不能超过150岁！你是神仙吗？")return Truedef register_user(name, age):"""用户注册"""try:# 检查年龄check_age(age)# 其他验证...if not name.strip():raise ValueError("姓名不能为空！")print(f"用户{name}（{age}岁）注册成功！")return Trueexcept (TypeError, ValueError) as e:print(f"注册失败：{e}")return False# 测试
register_user("张三", 25)     # 正常
register_user("李四", -5)     # 年龄负数
register_user("王五", "abc")  # 年龄非数字
register_user("", 30)        # 姓名为空

🎪 重新抛出异常

def divide_with_logging(a, b):"""带日志的除法运算"""try:result = a / bprint(f"计算成功：{a} / {b} = {result}")return resultexcept ZeroDivisionError as e:print(f"错误日志：尝试除以零 - {e}")# 记录日志后重新抛出异常raise  # 重新抛出同样的异常def main():try:result = divide_with_logging(10, 0)except ZeroDivisionError:print("主程序：检测到除零错误，使用默认值")result = 0print(f"最终结果：{result}")# 测试
main()

🎨 自定义异常

当内置异常不够用时，我们可以创建自己的异常类：

🎯 创建自定义异常

# 自定义异常类
class CustomError(Exception):"""自定义错误基类"""passclass InvalidPasswordError(CustomError):"""密码不符合要求的错误"""def __init__(self, message="密码不符合要求"):self.message = messagesuper().__init__(self.message)class UserNotFoundError(CustomError):"""用户不存在的错误"""def __init__(self, username):self.username = usernameself.message = f"用户'{username}'不存在"super().__init__(self.message)class InsufficientFundsError(CustomError):"""余额不足的错误"""def __init__(self, balance, amount):self.balance = balanceself.amount = amountself.message = f"余额不足！当前余额：{balance}，尝试支付：{amount}"super().__init__(self.message)# 使用自定义异常
class BankAccount:def __init__(self, username, balance=0):self.username = usernameself.balance = balancedef withdraw(self, amount):"""取款"""if amount > self.balance:raise InsufficientFundsError(self.balance, amount)self.balance -= amountprint(f"成功取款{amount}元，余额：{self.balance}元")def deposit(self, amount):"""存款"""if amount <= 0:raise ValueError("存款金额必须大于0！")self.balance += amountprint(f"成功存款{amount}元，余额：{self.balance}元")# 测试自定义异常
def test_bank_account():try:account = BankAccount("张三", 1000)account.withdraw(500)   # 正常取款account.withdraw(600)   # 余额不足except InsufficientFundsError as e:print(f"取款失败：{e}")except ValueError as e:print(f"操作失败：{e}")test_bank_account()

🎭 异常处理的最佳实践

🎯 DO：好的做法

# 1. 具体异常优于通用异常
def good_practice_1():try:data = {"name": "张三"}print(data["age"])except KeyError:  # 具体的异常print("缺少age字段")# 2. 不要忽略异常
def good_practice_2():try:risky_operation()except SpecificError as e:logger.error(f"操作失败：{e}")  # 记录日志return default_value  # 返回默认值# 3. 使用异常链
def good_practice_3():try:process_data()except ValueError as e:raise ProcessingError("数据处理失败") from e  # 保留原始异常# 4. 资源管理用with语句
def good_practice_4():# 推荐：自动管理资源with open("file.txt", "r") as f:content = f.read()# 文件会自动关闭

🚫 DON’T：不好的做法

# 1. 避免捕获所有异常
def bad_practice_1():try:risky_operation()except:  # 🚫 太宽泛了pass  # 🚫 还忽略了异常# 2. 避免异常用于控制流程
def bad_practice_2():try:return my_dict[key]except KeyError:return None  # 🚫 应该用 dict.get(key) 代替# 3. 避免在异常处理中抛出新异常
def bad_practice_3():try:risky_operation()except Exception as e:print(f"Error: {e.invalid_attribute}")  # 🚫 可能再次抛出异常

🚀 实战项目：健壮的计算器

让我们创建一个健壮的计算器，展示异常处理的实际应用：

import math
import operatorclass AdvancedCalculator:"""高级计算器类"""def __init__(self):self.operations = {'+': operator.add,'-': operator.sub,'*': operator.mul,'/': operator.truediv,'**': operator.pow,'%': operator.mod,'//': operator.floordiv,}self.history = []def calculate(self, expression):"""计算表达式"""try:# 记录历史self.history.append(expression)# 解析表达式tokens = self.parse_expression(expression)# 执行计算result = self.evaluate_tokens(tokens)print(f"✅ {expression} = {result}")return resultexcept ZeroDivisionError:error_msg = "❌ 除零错误：不能除以零！"print(error_msg)raise CalculationError(error_msg)except ValueError as e:error_msg = f"❌ 数值错误：{e}"print(error_msg)raise CalculationError(error_msg)except KeyError as e:error_msg = f"❌ 不支持的运算符：{e}"print(error_msg)raise CalculationError(error_msg)except Exception as e:error_msg = f"❌ 计算错误：{e}"print(error_msg)raise CalculationError(error_msg)def parse_expression(self, expression):"""解析表达式"""# 简单的解析，支持基本运算expression = expression.replace(' ', '')# 处理特殊函数if expression.startswith('sqrt(') and expression.endswith(')'):value = float(expression[5:-1])if value < 0:raise ValueError("不能计算负数的平方根")return ['sqrt', value]# 处理基本运算for op in ['**', '//', '+', '-', '*', '/', '%']:if op in expression:parts = expression.split(op, 1)if len(parts) == 2:left = float(parts[0])right = float(parts[1])return [left, op, right]# 如果没有运算符，可能是单个数字return [float(expression)]def evaluate_tokens(self, tokens):"""计算token列表"""if len(tokens) == 1:return tokens[0]elif len(tokens) == 2 and tokens[0] == 'sqrt':return math.sqrt(tokens[1])elif len(tokens) == 3:left, op, right = tokensif op not in self.operations:raise KeyError(op)return self.operations[op](left, right)else:raise ValueError("无效的表达式格式")def show_history(self):"""显示计算历史"""if not self.history:print("📝 暂无计算历史")returnprint("📝 计算历史：")for i, expr in enumerate(self.history, 1):print(f"   {i}. {expr}")def clear_history(self):"""清空历史"""self.history.clear()print("🧹 历史记录已清空")# 自定义异常
class CalculationError(Exception):"""计算错误"""pass# 主程序
def main():calc = AdvancedCalculator()print("🔢 欢迎使用高级计算器！")print("支持的运算：+, -, *, /, **, %, //, sqrt()")print("输入 'history' 查看历史，'clear' 清空历史，'quit' 退出")print("-" * 50)while True:try:user_input = input("\n请输入表达式：").strip()if not user_input:continueif user_input.lower() == 'quit':print("👋 再见！")breakelif user_input.lower() == 'history':calc.show_history()elif user_input.lower() == 'clear':calc.clear_history()else:result = calc.calculate(user_input)except CalculationError:# 计算错误已经在calculate方法中处理了continueexcept KeyboardInterrupt:print("\n\n👋 程序被中断，再见！")breakexcept Exception as e:print(f"😱 发生了意外错误：{e}")print("请检查输入格式或联系开发者")if __name__ == "__main__":main()

🎮 使用示例

# 测试计算器
def test_calculator():calc = AdvancedCalculator()# 测试各种情况test_cases = ["10 + 5",      # 正常计算"10 / 0",      # 除零错误"sqrt(16)",    # 平方根"sqrt(-4)",    # 负数平方根"2 ** 3",      # 幂运算"10 % 3",      # 取模"abc + def",   # 无效输入]for expression in test_cases:print(f"\n测试：{expression}")try:result = calc.calculate(expression)print(f"结果：{result}")except CalculationError as e:print(f"计算失败：{e}")except Exception as e:print(f"其他错误：{e}")# 运行测试
test_calculator()

🔧 常见问题与解决方案

❓ Q: 什么时候应该使用异常处理？

A: 当你的程序可能遇到以下情况时：

用户输入不合法
文件操作失败
网络连接问题
数据转换错误
资源不足

❓ Q: 应该捕获所有异常吗？

A: 不应该！只捕获你知道如何处理的异常：

# 🚫 错误做法
try:some_operation()
except:  # 捕获所有异常pass  # 忽略所有错误# ✅ 正确做法
try:some_operation()
except SpecificError as e:handle_specific_error(e)
except AnotherError as e:handle_another_error(e)

❓ Q: 异常处理会影响性能吗？

A: 在正常情况下影响很小，但在异常频繁发生时影响较大。不要用异常来控制程序流程！

# 🚫 错误：用异常控制流程
def find_item(items, target):try:return items[target]except KeyError:return None# ✅ 正确：用正常逻辑
def find_item(items, target):return items.get(target, None)