C++的异常的使用和规范

C语言的错误处理

C语言传统的处理错误的方式或者说机制：

1. 终止程序，如断言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。且assert在编译环境为 Release 模式下不会生效。

   //c语言的话展开assert.h
   #include<cassert>int main(){assert(false);//当括号内的bool值为false或0时触发断言return 0;
   }
   

2. 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。

实际情况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。但多数人其实是不知道错误码表示的含义是什么，得去查表差资料。

且并不是所有情况都适合直接终止程序。比如某个大型程序在某个环节出现错误时，传统的处理方式是终止程序，导致已经运行的数据没有及时存储到硬盘，造成严重损失。

而写日志只是在捕获错误以后进行记录，方便回溯进行查询，但很难做到快速反应。

更重要的是断言在Debug模式会起作用，但Release模式不会起作用。

所以c语言传统的错误处理机制存在局限性，急需改进。

C++的异常

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。

异常的使用

异常主要由3个关键字组成：

• 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。也就是说，异常可能是人为设置，也可能是库中的函数自带（制作c++的人添加的）。

• catch: 在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。使用 try/catch 语句的语法如下所示：

try {//保护的标识代码//内部关联代码可能含throw语句
}
catch( ExceptionName e1) {// catch 块
}
catch( ExceptionName e2) {// catch 块
}
catch( ExceptionName eN) {// catch 块
}
//...

例如，这里凭空捏造的错误，抛出一个char*型的异常信息。

#include<iostream>
using namespace std;int main() {try {//抛出异常，以字符串的形式抛出//也可以抛别的throw "啥都没有，单纯抛错误";}catch (const char* e) {cout << e << endl;}return 0;
}

输出：

啥都没有，抛着玩的

若不用try{}catch(){}捕获抛出的异常，而是只用throw，程序在 Debug 模式下运行会触发断言，在 Release 模式下直接崩溃。从 try 中捕获的异常若匹配不到合适的 catch，程序也会崩溃，现象和只抛出异常一致。

通过try{}catch(){}，程序员可以从catch中获取错误信息写成日志，若错误不是很严重，可以迅速对出错的源码做出反应。

异常没有被捕获时，底层会调用abort()函数（MSVC）。

异常的抛出和匹配原则

1. 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。若程序运行过程中没有抛出异常，则 catch 不会执行。

2. 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。

3. 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）。

   在c++11新增右值引用和相关联的移动构造、移动赋值后拷贝数据带来的开销会小很多。

4. 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。

   同一个项目写不同模块的人，抛异常时需要按照规定去抛。不能因为一个未知异常就终止整个程序，所以需要设置一个catch能捕获任何异常。用catch(...)主要用于检测团队中是否有人没有按规范或没有按约定抛异常。

   且异常没有被任何catch捕获等同于使用assert也就是断言。

   #include<iostream>
   using namespace std;int main() {try {throw 114514;}catch (...) {cout << "未知异常" << endl;}return 0;
   }
   

5. 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，再调用父类指定的虚函数，这个虚函数在派生类有重写，这个在实际中非常实用。

   即写同一个项目的多人小组，每人实现部分类时对同一个父类去继承，这时每人在可能出问题的地方抛出子类对象，检查错误时只需要捕获父类的异常即可，防止有人在自己的代码里乱抛异常，不好检查的情况。

   #include<iostream>
   #include<string>
   using namespace std;class Father {
   public:Father():st("测试错误抛出：") {}virtual string what() {return st;};
   protected:string st;
   };class Kid :public Father {
   public:Kid() {};string what() {return st + "测试抛出子类";}
   };int main() {try {throw Kid();}catch (Father& father) {cout << father.what() << endl;}return 0;
   }

   输出：

   测试错误抛出：测试抛出子类

函数调用链中异常栈展开匹配原则

1. 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，不是则直接终止程序（断言或崩溃）。如果有匹配的，则调到最近且和抛出的异常的类型匹配的catch所在的{}内进行处理。

2. 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。

3. 如果到达main函数的栈，依旧没有匹配的，则终止程序（断言或崩溃）。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。

4. 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。

这个程序将展示异常的抛出和匹配原则。

#include<iostream>
using namespace std;double Division(int len, int time) {if (time == 0)//抛出char*型的异常throw "除0错误";elsereturn (double)len / (double)time;
}void Func1() {try {int len=3, time=0;//cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl;cout << "金恩是酒厂卧底";//Division抛出异常，这里不会执行}catch (const int s) {//和抛出的异常不匹配cout << "Func1()内的catch" << endl;cout << s << endl;}cout << "xxxxxxxxxxxx" << endl;
}void Func2() {try {int len = 3, time = 0;//cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl;cout << "金恩是酒厂卧底";//Division抛出异常，这里不会执行}catch (const char* s) {//和抛出的异常匹配cout << "Func1()内的catch" << endl;cout << s << endl;}cout << "xxxxxxxxxxxx" << endl;
}int main() {try {//{}不能省略Func1();}catch (const char* str) {cout << "main()内的catch" << endl;cout << str << endl;}cout << endl;try {Func2();}catch (const char* str) {cout << "main()内的catch" << endl;cout << str << endl;}return 0;
}

输出：

main()内的catch
除0错误Func1()内的catch
除0错误
xxxxxxxxxxxx

分析：
首先函数栈里调用的函数顺序依次是main、Func1、Division。后Division因提前设计好的除0错误抛出异常，Division内无try-catch语句块，所以退出Division的函数栈帧，在Func1的catch，因为类型不匹配（抛出的异常是const char*型，而Func1的catch是const int型），于是Func1的函数栈也弹出。在main函数中终于找到匹配异常的catch语句块，于是执行catch语句块后，继续执行下一个try-catch语句。

main、Func2、Division的函数调用顺序也是如此，但因为Func2内有匹配的catch语句，所以调用Func2中的catch语句块后，继续执行后续的
cout << "xxxxxxxxxxxx" << endl;。弹出Func2的函数栈后，回到main函数，因为没有匹配main函数的异常（一个异常匹配一个catch语句块，且catch语句块中没有抛出新的异常），所以程序结束。

此外还有一个特性：一旦抛出异常，抛出异常的地方，之后的语句将不会执行，而是直接跳转寻找合适的catch语句块。但之前的语句该进行还是得进行，函数栈帧也能正常销毁。catch结束后的语句也会正常执行。

例如这个代码，A类对象bb并不会创建，但aa的基本工作不会变。

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;class A {
public:A() {cout << "A()" << endl;}~A() {cout << "~A()" << endl;}
};double Division(int len, int time) {if (time == 0) {throw "除0错误";}else {return (double)len / (double)time;}
}void Func() {A aa;//aa的构造和析构会正常调用cout << "aa创建\n";int len, time;//cin >> len >> time;len = 3; time = 0;cout << Division(len, time) << endl;//异常从这里抛出并在函数栈中传递A bb;//这里并不会调用cout << "bb创建\n";
}int main() {try {Func();}catch (const char* str) {cout << str << endl;}return 0;
}

输出：

A()
aa创建
~A()
除0错误

异常的使用规范

内存泄漏的规避

在使用异常时可能会出现这样的情况：在try语句块中或之前存在资源申请，然后中间某个语句或某个函数抛出异常时，导致资源没能及时释放。

void test{try{int* p = new int[100000]{0};test2();//假设这里抛出了异常，则后续的delete[]不会执行，造成内存泄漏delete[] p;}catch(const char* e){//...}
}

最好的解决方式是在所有使用new的地方都设置try，然后在相关的catch进行delete操作。delete完后在catch中再抛异常。

这是比较常见的异常的重新抛出：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。

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;double Division(int a, int b) {// 当b == 0时抛出异常if (b == 0) {throw "Division by zero condition!";}return (double)a / (double)b;
}void Func() {int* array = new int[10];try {int len, time;//cin >> len >> time;len = 3; time = 0;cout << Division(len, time) << endl;}catch (...) {cout << "delete []" << (void*)array << endl;delete[] array;throw;//catch(...)捕获到什么异常，这里就抛什么//若不重新抛出异常，这个catch结束后依旧会执行catch(...)后的语句}// ...cout << "delete []" << (void*)array << endl;delete[] array;
}int main() {try {Func();}catch (const char* errmsg) {cout << errmsg << endl;}return 0;
}

这里可以看到如果发生除0错误抛出异常，首先被catch(...)捕获，先将在这个函数栈帧内申请的外部资源释放，再将异常传递。在这里的catch(...)捕获异常后并不处理异常，而是处理申请的外部资源等安全问题，异常还是交给外面其他的catch处理，通过将异常重新重新抛出去的方式。

但若是这个场景：

void Func() {int* array1 = new int[10];int* array2 = new int[10];try {int len, time;//cin >> len >> time;len = 3; time = 0;cout << Division(len, time) << endl;}catch (...) {delete[] array1;throw;}delete[] array2;
}

情况1：int* array1 = new int[10];抛异常（new抛的异常），直接弹出Func的函数栈帧，这没什么问题。

情况2：int* array2 = new int[10];抛异常，直接弹出Func的函数栈帧，导致array1申请的资源没来得及释放，导致内存泄漏。

因此异常对内存泄漏的规避所能做的也很有限。

类似的场景还有：

1. 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。
2. 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）。

这些资源泄漏的问题，比如在new和delete中抛出了异常，或捕捉异常时处理不到位，导致内存泄漏，c++经常使用RAII来解决以上问题，关于RAII详见智能指针。

异常规范

1. 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。

   c++98的throw(类型)只是提示可能会出什么类型的异常，并不限制函数抛出的异常种类。实际情况程序员可能都不知道自己写的代码会抛什么异常，或者就算知道也不一定会遵守规则列出来。所以这套规则实际上很少人用。

2. 函数的后面接throw()，表示函数不抛异常。

   在c++11新增关键字noexcept，用于告诉编译器函数不会抛出异常。

   但需要注意，若使用了noexcept，但函数中仍然抛处了异常，则这个异常不会被捕获，程序会直接崩溃。

   例如这个程序，f()使用了noexcept修饰，但内部依旧抛出了异常，运行这个程序会导致程序直接崩溃。

   #include<iostream>
   #include<vector>
   #include<exception>
   using namespace std;void f() noexcept {throw 6;
   }int main() {try {f();}catch (...) {cout << "ababa" << endl;}return 0;
   }
   

3. 若无异常接口声明（noexcept），则此函数可以抛掷任何类型的异常。

其他的经验总结：

异常最好包含 id（错误编号）和错误描述。因为需要针对某些错误做针对性处理。例如有的异常可能是某种现象例如某种请求超时（例如微信发信息没发出去），可能是请求还在等待，这时应该重新请求。

异常体系

c++ 提供了一系列标准的异常，定义在exception头文件中，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，箭头表示继承关系。如下所示：

在c++学习早期，见得最多的异常是std::bad_alloc（内存申请异常）和std::out_of_range（越界访问）。下面是对上面层次结构中出现的每个异常的说明：

实际中我们可以去继承exception类实现自己的异常类，这样就只需设置catch(const exception& e){//处理e.what()}即可，这个what()是exception的虚函数what，实际调用时用的是子类重写的版本。例如这里演示vector的越界异常抛出：

#include<iostream>
#include<vector>
#include<exception>
using namespace std;int main() {try {vector<int>a;//vector的[]不会抛出异常，要用atcout << a.at(1) << endl;}//2个都可以，out_of_range是exception的子类catch (const out_of_range& e) {cout << e.what() << endl;}catch (const exception& e) {cout << e.what() << endl;}return 0;
}

输出：

invalid vector subscript

早期 C++ 标准库更倾向于信任程序员自行保证安全性，因此operator[]没有对越界进行检查，保持和 c 语言一样的风格。

但总有不讲武德的程序员，总是设计出越界的场景（例如输入数据），于是新增一个at弥补[]不会抛出异常的缺陷，但又保留有[]，提供了灵活的选择。

但实际上截止今日（2025年8月），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。所以异常体系是不统一的（指各个异常体系百家争鸣，官方有体系但大伙有不用官方的）。

继承体系的原理大致都是多态：通过子类对父类的虚函数的重写，遇到情况时抛出子类对象，在catch处将捕获的异常用父类的指针或引用进行输出。这样大家抛出的都是继承的派生类对象，捕获一个基类就可以了。但在继承的基础上还有很多细节，取决于定制体系的公司或第三方。

异常的优缺点

C++异常的优点：

1. 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 。

2. 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，具体看下面的详细解释。

3. 很多的第三方库都包含异常，比如boost、gtest（谷歌的单元测试框架）、gmock（也是谷歌的测试框架）等等常用的库，那么我们使用它们也需要使用异常。

4. 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。

C++异常的缺点：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

   java就规范得很好。c++的官方、公司、第三方都规定自己的异常体系。但c++就十分的混乱，官方弄了一套，有的公司自己弄了一套，第三方又弄了一套。

   所以还需要有智能指针。

5. 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() throw()或func() noexcept的方式规范化。

总结：异常总体而言，利大于弊，所以工程中我们还是鼓励使用异常的。另外OO（面向对象）的语言基本都是用异常处理错误，这也可以看出这是大势所趋。