C++异常处理全面解析：从基础到应用
目录
1. 异常处理的基本概念
1.1 什么是异常处理？
1.2 异常的基本语法
2. 异常的抛出和捕获机制
2.1 抛出异常
2.2 栈展开
3. 异常匹配机制
3.1 匹配规则
3.2 继承体系中的异常处理
4. 异常重新抛出
5. 异常安全
5.1 资源泄漏问题
5.1.1 问题定义
5.1.2 常见类型
5.1.3 影响与后果
5.2 解决方案
5.3 析构函数中的异常处理
6. 异常规范
6.1 C++98 vs C++11异常规范
6.2 现代C++异常规范
7. 标准库异常体系
7.1 标准异常类层次结构
7.2 常用标准异常
8. 实际项目中的异常处理策略
8.1 异常处理最佳实践
9. 性能考虑
9.1 异常处理的成本
9.2 优化建议
10. 总结
本文将深入探讨C++异常处理机制，涵盖核心概念、使用方法和最佳实践，帮助开发者构建更健壮的应用程序。
1. 异常处理的基本概念
1.1 什么是异常处理？
异常处理是C++中处理程序运行时错误的重要机制。与C语言通过错误码处理错误的方式不同，C++异常机制通过抛出对象来传递错误信息，提供了更加丰富和灵活的错误处理能力。
传统错误码处理 vs 异常处理对比：
| 特性 | 错误码处理 | 异常处理 |
|---|---|---|
| 错误信息 | 有限的错误码 | 丰富的对象信息 |
| 传播方式 | 手动检查返回值 | 自动沿调用栈传播 |
| 代码结构 | 错误处理与业务逻辑混合 | 清晰的分离关注点 |
| 性能 | 无额外开销 | 有栈展开开销 |
1.2 异常的基本语法
C++异常处理使用三个关键字：try、catch 和 throw，构成完整的异常处理机制：
// 抛出异常
throw exception_object;// 捕获异常
try {// 可能抛出异常的代码
} catch (exception_type1& e) {// 处理特定类型异常
} catch (exception_type2& e) {// 处理其他类型异常
} catch (...) {// 处理所有其他异常
}2. 异常的抛出和捕获机制
2.1 抛出异常
当程序检测到错误时，通过throw表达式抛出一个异常对象：
double Divide(int a, int b) {if (b == 0) {// 抛出字符串异常throw "Division by zero condition!";}return static_cast<double>(a) / b;
}抛出异常的关键特性：
-
throw后面的语句不会被执行
-
控制权立即转移到匹配的catch块
-
会创建异常对象的拷贝
2.2 栈展开
-
抛出异常后，程序暂停当前函数的执行，开始寻找与之匹配的catch子句，首先检查throw本身是否在try块内部，如果在则查找匹配的catch语句，如果有匹配的，则跳到catch的地方进行处理。
-
如果当前函数中没有try/catch子句，或者有try/catch子句但是类型不匹配，则退出当前函数，继续 在外层调用函数链中查找，上述查找的catch过程被称为栈展开。
-
如果到达main函数，依旧没有找到匹配的catch子句，程序会调用标准库的terminate函数终止程序。
-
如果找到匹配的catch子句处理后，catch子句代码会继续执行。
代码演示栈展开：
void func1() {throw string("异常来自func1");
}void func2() {func1(); // 异常从这里抛出
}void func3() {func2();
}int main() {try {func3(); // 调用链: main -> func3 -> func2 -> func1} catch (const string& e) {cout << "捕获异常: " << e << endl;}return 0;
}3. 异常匹配机制
3.1 匹配规则
异常匹配遵循特定规则，支持以下转换类型：
| 转换类型 | 示例 | 说明 |
|---|---|---|
| 权限缩小 | throw int → catch(const int) | 非常量到常量 |
| 指针转换 | throw int[] → catch(int*) | 数组到指针 |
| 继承转换 |
| 派生类到基类 |
3.2 继承体系中的异常处理
在项目实践中，我们通常采用继承体系来组织异常类结构：
// 异常基类
class Exception {
public:Exception(const string& errmsg, int id) : _errmsg(errmsg), _id(id) {}virtual string what() const {return _errmsg;}int getid() const {return _id;}protected:string _errmsg;int _id;
};// 具体异常类型
class SqlException : public Exception {
public:SqlException(const string& errmsg, int id, const string& sql): Exception(errmsg, id), _sql(sql) {}virtual string what() const override {return "SqlException:" + _errmsg + "->" + _sql;}private:const string _sql;
};class CacheException : public Exception {
public:CacheException(const string& errmsg, int id): Exception(errmsg, id) {}virtual string what() const override {return "CacheException:" + _errmsg;}
};继承异常体系的优势：
-
提供统一的异常处理接口
-
实现异常的多态处理能力
-
提升代码的可扩展性和可维护性
4. 异常重新抛出
有时catch到一个异常对象后，需要对错误进行分类，其中的某种异常错误需要进行特殊的处理，其他错误则重新抛出异常给外层调用链处理。捕获异常后需要重新抛出，直接 throw; 就可以把捕获的对象直接抛出。
void SendMsg(const string& s) {// 最多重试3次for (size_t i = 0; i < 4; i++) {try {_SeedMsg(s); // 尝试发送消息break; // 成功则退出循环} catch (const Exception& e) {// 网络不稳定错误，尝试重试if (e.getid() == 102) {if (i == 3) {throw; // 重试3次后仍失败，重新抛出}cout << "开始第" << i + 1 << "次重试" << endl;} else {throw; // 其他错误直接重新抛出}}}
}5. 异常安全
5.1 资源泄漏问题
5.1.1 问题定义
资源泄漏是指程序在运行过程中未能正确释放已分配的系统资源（如内存、文件句柄、数据库连接等），导致这些资源无法被其他程序或后续操作重新利用的现象。
5.1.2 常见类型
(1) 内存泄漏
-
动态分配的内存未被释放
-
示例：
void memory_leak() {char *buffer = malloc(1024);// 忘记调用 free(buffer) }
(2)文件句柄泄漏
-
打开的文件未关闭
-
示例：
def file_leak():f = open("data.txt", "r")# 忘记调用 f.close()
(3)数据库连接泄漏
-
获取的数据库连接未释放
-
示例（Java JDBC)：
public void dbLeak() throws SQLException {Connection conn = DriverManager.getConnection(url);// 忘记调用 conn.close() }
(4)图形资源泄漏
-
图形界面中的GDI对象未释放
-
示例（Windows API)：
void gdiLeak() {HDC hdc = GetDC(hWnd);// 忘记调用 ReleaseDC(hWnd, hdc) }
5.1.3 影响与后果
-
系统性能下降：累积的泄漏会导致可用资源减少
-
程序崩溃：当资源耗尽时程序可能异常终止
-
系统不稳定：可能影响其他程序的正常运行
-
安全风险：可能被利用进行拒绝服务攻击
5.2 解决方案
方案1：使用try-catch确保资源释放
void SafeFunc1() {int* array = new int[10];try {SomeOperationThatMightThrow();} catch (...) {delete[] array; // 异常时释放资源throw; // 重新抛出异常}delete[] array; // 正常流程释放资源
}方案2：使用RAII技术（推荐）
RAII(Resource Acquisition Is Initialization)是C++中管理资源的重要技术，其核心思想是将资源生命周期与对象生命周期绑定。
// 使用智能指针自动管理资源
#include <memory>void SafeFunc2() {std::unique_ptr<int[]> array(new int[10]);// 即使抛出异常，array也会自动释放SomeOperationThatMightThrow();// 不需要手动delete，unique_ptr会自动处理
}5.3 析构函数中的异常处理
在析构函数中抛出异常是极其危险的编程实践，可能导致程序异常终止或资源泄漏。主要原因包括：
1. 栈展开机制冲突 当异常发生时，C++会进行栈展开(stack unwinding)过程，在此期间会调用对象的析构函数。如果析构函数本身又抛出异常，就会导致同时存在两个未处理的异常，此时程序会调用 std::terminate() 强制终止。
示例场景：
class ResourceHolder {
public:~ResourceHolder() {if (cleanup_failed) {throw std::runtime_error("Cleanup failed"); // 危险操作！}}
};
2. 资源泄漏风险 析构函数通常负责释放资源，如果抛出异常，可能导致资源释放不完全。例如：
-
未正确关闭文件描述符
-
未及时释放内存资源
-
未断开数据库连接
3. 推荐处理方式应在析构函数内部捕获并处理所有异常：
~ResourceHolder() {try {// 资源清理代码} catch (...) {// 记录日志或采取其他恢复措施std::cerr << "析构中发生异常" << std::endl;}
}
4. 特殊注意事项
-
对于noexcept声明的析构函数，抛出异常会直接导致std::terminate调用
-
某些标准库容器(如std::vector)对元素类型的析构函数有异常安全要求
-
在多重继承场景下，异常处理会更加复杂
安全实践建议：
-
避免在析构函数中执行可能抛出异常的操作
-
如果必须执行，确保在析构函数内部处理所有异常
-
使用RAII模式管理资源，将复杂操作移到普通成员函数中
6. 异常规范
6.1 C++98 vs C++11异常规范
| 版本 | 语法 | 说明 |
|---|---|---|
| C++98 | throw() | 不抛出任何异常 |
| C++98 | throw(type1, type2) | 可能抛出指定类型异常 |
| C++11 | noexcept | 不抛出任何异常 |
| C++11 | noexcept(expr) | 条件性异常说明 |
6.2 现代C++异常规范
现代C++提供了更完善的异常处理机制，主要包括以下特性：
noexcept规范
1. 基本用法：noexcept关键字用于指定函数是否会抛出异常
void func() noexcept; // 保证不抛出异常
void func2() noexcept(true); // 等价于noexcept
void func3() noexcept(false); // 可能抛出异常
2. 条件性noexcept：可以根据表达式结果决定是否noexcept
template <typename T>
void swap(T& a, T& b) noexcept(noexcept(a.swap(b)));
3. 移动构造函数/赋值运算符：标准库容器会对noexcept移动操作进行优化
class MyClass {
public:MyClass(MyClass&&) noexcept; // 推荐标记为noexcept
};
7. 标准库异常体系
7.1 标准异常类层次结构
-
exception - C++ Reference
-
C++标准库也定义了一套自己的异常继承体系，库基类是exception，所以我们日常写程序,需要在主函数捕获exception即可.要获取异常信息，调用what函数，what是一个虚函数，派生类可以重写。
7.2 常用标准异常
| 异常类型 | 说明 | 典型应用场景 |
|---|---|---|
|
| 程序逻辑错误 | 前置条件检查 |
|
| 运行时错误 | 外部因素导致的错误 |
|
| 内存分配失败 | new操作失败 |
|
| 访问越界 | 容器访问操作 |
8. 实际项目中的异常处理策略
8.1 异常处理最佳实践
1. 合理设计异常层次结构
class MyProjectException : public std::exception {// 项目统一的异常基类
};class NetworkException : public MyProjectException {// 网络相关异常
};class DatabaseException : public MyProjectException {// 数据库相关异常
};2.在适当的层次捕获异常
void processRequest() {try {parseRequest();validateData();saveToDatabase();sendResponse();} catch (const DatabaseException& e) {// 数据库错误，可能重试或回滚handleDatabaseError(e);} catch (const NetworkException& e) {// 网络错误，可能重试handleNetworkError(e);} catch (const std::exception& e) {// 其他标准异常logError(e);throw; // 重新抛出}
}使用异常安全的编程模式
-
优先使用RAII管理资源
-
避免在析构函数中抛出异常
-
使用swap技法实现强异常安全保证
9. 性能考虑
9.1 异常处理的成本
异常处理的性能开销主要出现在异常抛出时，而非正常流程中。具体开销来源包括：
-
栈展开过程中的资源清理
-
异常对象的构造与拷贝
-
异常类型匹配的查找过程
9.2 优化建议
-
仅在真正异常情况下使用异常处理
-
避免在程序关键性能路径上使用异常机制
-
采用移动语义降低异常对象拷贝带来的性能损耗
10. 总结
C++异常处理作为一种强大的错误处理机制，相比传统错误码方式，能提供更清晰安全的错误处理方案。通过合理设计异常体系、正确应用RAII技术并遵循最佳实践，可以构建出兼具健壮性和可维护性的C++应用程序。
需要注意的是，异常处理并非适用于所有场景。在性能关键型应用中，可能需要考虑其他错误处理方案。但对于大多数应用程序而言，合理使用异常处理能有效提升代码质量和可维护性。
参考资料：
-
《Effective C++》条款8：别让异常逃离析构函数
-
《C++ Primer》第5版，异常处理章节
-
cplusplus.com - Exception