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C++学习：异常及其处理

news 2025/10/16 7:15:14

本期我们来学习C++中一个很重要的概念：异常。对于异常的处理是我们在C++中必须要经历的过程。本期就让我们来学习C++中的异常吧。

相关代码已经上传至作者的个人gitee：楼田莉子/CPP代码学习喜欢请点个赞谢谢

异常

错误码与异常

区别与优劣对比

详细优劣分析

错误码的优势：

错误码的劣势：

异常的优势：

异常的劣势：

应用场景建议

使用错误码的场景：

使用异常的场景：

异常的概念

异常的抛出和捕获

栈展开

查找匹配的处理代码

异常重新抛出

异常的安全处理

异常规范

标准库的异常

异常

错误码与异常

之前我们学习的过程中接触到的主要是错误码。

比如说这里有一个功能

void f1()
{//功能1
}
void f2()
{//功能2f1()
}
void f3()
{//功能3f2()
}

如果在f3函数出错了，使用错误码的话整个程序就会终止，错误码返回f2，也只能在f3解决，错误码的错误情况我们不清楚具体是什么。

但是如果我们使用异常的话，那么错误就会被记录进入日志，在外层被集中处理

区别与优劣对比

特性	错误码	异常
性能开销	几乎为零，仅返回值检查	有运行时开销（栈展开、类型信息）
代码可读性	错误处理与业务逻辑混合	业务逻辑清晰，错误处理集中
强制性	容易忽略错误检查	未捕获的异常会终止程序
类型安全	较弱，依赖约定	强类型，不同类型异常可分别处理
错误信息	通常较简单	可携带丰富上下文信息
跨函数传播	需要逐层返回	自动沿调用栈向上传播
RAII兼容性	需要手动资源管理	与RAII完美配合，自动清理
调试支持	有限的调用栈信息	完整的调用栈回溯
适用场景	性能关键、底层库、硬件交互	业务逻辑、应用程序层、复杂错误处理
代码体积	较小	可能增加二进制大小

详细优劣分析

错误码的优势：

零开销：适合性能敏感场景（游戏循环、实时系统）
确定性：控制流明确，不会意外跳出
兼容性：与C语言和系统API完美交互
简单性：对于简单错误情况足够使用

错误码的劣势：

易忽略：程序员可能忘记检查返回值
代码膨胀：每个调用点都需要错误检查
资源泄漏风险：需要手动管理资源清理
信息有限：难以传递详细的错误上下文

异常的优势：

代码清晰：主逻辑不被错误处理代码污染
强制处理：无法忽略的严重错误
资源安全：与RAII配合确保资源释放
丰富信息：可携带完整的错误上下文
面向对象：支持异常类继承和多态

异常的劣势：

性能代价：不适合实时性要求高的场景
学习曲线：需要理解异常安全保证
调试复杂：异常传播路径可能不直观
二进制膨胀：可能增加可执行文件大小

应用场景建议

使用错误码的场景：

性能关键路径：游戏主循环、高频交易系统
系统级编程：操作系统内核、设备驱动
C语言交互：封装C库的C++包装器
简单库函数：数学库、工具函数
嵌入式系统：资源受限环境

使用异常的场景：

应用程序层：业务逻辑复杂的桌面/Web应用
构造函数：对象初始化失败时
资源获取：文件、网络、数据库操作
数学计算：除零、溢出等数值错误
用户输入验证：格式错误、逻辑冲突

异常的概念

异常处理机制允许程序中独⽴开发的部分能够在运⾏时就出现的问题进⾏通信并做出相应的处理，异常使得我们能够将问题的检测与解决问题的过程分开，程序的⼀部分负责检测问题的出现，然后解决问题的任务传递给程序的另⼀部分，检测环节⽆须知道问题的处理模块的所有细节。

C语⾔主要通过错误码的形式处理错误，错误码本质就是对错误信息进⾏分类编号，拿到错误码以后还要去查询错误信息，⽐较⿇烦。异常时抛出⼀个对象，这个对象可以函数更全⾯的各种信息。

异常的抛出和捕获

程序出现问题时，我们通过抛出(throw)⼀个对象来引发⼀个异常，该对象的类型以及当前的调⽤链决定了应该由哪个catch的处理代码来处理该异常。

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。根据抛出对象的类型和内容，程序的抛出异常部分告知异常处理部分到底发⽣了什么错误。

当throw执⾏时，throw后⾯的语句将不再被执⾏。程序的执⾏从throw位置跳到与之匹配的catch模块，catch可能是同⼀函数中的⼀个局部的catch，也可能是调⽤链中另⼀个函数中的catch，控制权从throw位置转移到了catch位置。这⾥还有两个重要的含义：

1、沿着调⽤链的函数可能提早退出。

2、⼀旦程序开始执⾏异常处理程序，沿着调⽤链创建的对象都将销毁。

抛出异常对象后，会⽣成⼀个异常对象的拷⻉，因为抛出的异常对象可能是⼀个局部对象，所以会⽣成⼀个拷⻉对象，这个拷⻉的对象会在catch⼦句后销毁。（这⾥的处理类似于函数的传值返回）

异常的跳出逻辑主要依赖栈的展开

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。

#include <iostream>
using namespace std;
double Divide(int a, int b)
{try{// 当b == 0时抛出异常if (b == 0){string s("Divide by zero condition!");throw s;} else{return ((double)a / (double)b);}} catch(int errid){cout << errid << endl;} return 0;
}
void Func()
{int len, time;cin >> len >> time;try{cout << Divide(len, time) << endl;} catch(const char* errmsg){cout << errmsg << endl;} cout << __FUNCTION__ << ":" << __LINE__ << "行执行" << endl;
}
int main()
{while (1){try{Func();} catch(const string & errmsg){cout << errmsg << endl;}}return 0;
}

查找匹配的处理代码

⼀般情况下抛出对象和catch是类型完全匹配的，如果有多个类型匹配的，就选择离他位置更近的那个。

但是也有⼀些例外，允许从⾮常量向常量的类型转换，也就是权限缩⼩；允许数组转换成指向数组元素类型的指针，函数被转换成指向函数的指针；允许从派⽣类向基类类型的转换，这个点⾮常实⽤，实际中继承体系基本都是⽤这个⽅式设计的。

如果到main函数，异常仍旧没有被匹配就会终⽌程序，不是发⽣严重错误的情况下，我们是不期望程序终⽌的，所以⼀般main函数中最后都会使⽤catch(...)，它可以捕获任意类型的异常，但是是不知道异常错误是什么。

#include <iostream>
#include<thread>
using namespace std;
// ⼀般⼤型项⽬程序才会使⽤异常，下⾯我们模拟设计⼀个服务的⼏个模块
// 每个模块的继承都是Exception的派⽣类，每个模块可以添加⾃⼰的数据
// 最后捕获时，我们捕获基类就可以
//异常处理模块
class Exception
{
public:Exception(const string& errmsg, int id): _errmsg(errmsg), _id(id){}//日志记录函数virtual string what() const{return _errmsg;}//获取错误码int getid() const{return _id;}
protected:string _errmsg;int _id;
};
//数据库异常处理模块
class SqlException : public Exception
{
public:SqlException(const string& errmsg, int id, const string& sql): Exception(errmsg, id), _sql(sql){}virtual string what() const{string str = "SqlException:";str += _errmsg;str += "->";str += _sql;return str;}
private:const string _sql;
};
//缓存异常处理模块
class CacheException : public Exception
{
public:CacheException(const string& errmsg, int id): Exception(errmsg, id){}virtual string what() const{string str = "CacheException:";str += _errmsg;return str;}
};
//HTTP异常处理模块
class HttpException : public Exception
{
public:HttpException(const string& errmsg, int id, const string& type): Exception(errmsg, id), _type(type){}virtual string what() const{string str = "HttpException:";str += _type;str += ":";str += _errmsg;return str;}
private:const string _type;
};
//SQL服务异常处理模块
void SQLMgr()
{if (rand() % 7 == 0){throw SqlException("权限不足", 100, "select * from name = '张三'");}else{cout << "SQLMgr 调用成功" << endl;}
}
//缓存服务异常处理模块
void CacheMgr()
{if (rand() % 5 == 0){throw CacheException("权限不足", 100);}else if (rand() % 6 == 0){throw CacheException("数据不存在", 101);}else{cout << "CacheMgr 调用成功" << endl;}SQLMgr();
}
//HTTP服务异常处理模块
void HttpServer()
{if (rand() % 3 == 0){throw HttpException("请求资源不存在", 100, "get");}else if (rand() % 4 == 0){throw HttpException("权限不足", 101, "post");}else{cout << "HttpServer调用成功" << endl;}CacheMgr();
}
//增强了程序的健壮性
//即使出现了问题程序依然可以运行
int main()
{srand(time(0));while (1){this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));//休眠try{HttpServer();}catch (const Exception& e) // 这⾥捕获基类，基类对象和派⽣类对象都可以被捕获{cout << e.what() << endl;}//捕获任意异常catch (...){cout << "Unkown Exception" << endl;}}return 0;
}

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。

//}
// ⼀般⼤型项⽬程序才会使⽤异常，下⾯我们模拟设计⼀个服务的⼏个模块
// 每个模块的继承都是Exception的派⽣类，每个模块可以添加⾃⼰的数据
// 最后捕获时，我们捕获基类就可以
//异常处理模块
class Exception
{
public:Exception(const string& errmsg, int id): _errmsg(errmsg), _id(id){}//日志记录函数virtual string what() const{return _errmsg;}//获取错误码int getid() const{return _id;}
protected:string _errmsg;int _id;
};
//数据库异常处理模块
class SqlException : public Exception
{
public:SqlException(const string& errmsg, int id, const string& sql): Exception(errmsg, id), _sql(sql){}virtual string what() const{string str = "SqlException:";str += _errmsg;str += "->";str += _sql;return str;}
private:const string _sql;
};
//缓存异常处理模块
class CacheException : public Exception
{
public:CacheException(const string& errmsg, int id): Exception(errmsg, id){}virtual string what() const{string str = "CacheException:";str += _errmsg;return str;}
};
//HTTP异常处理模块
class HttpException : public Exception
{
public:HttpException(const string& errmsg, int id, const string& type): Exception(errmsg, id), _type(type){}virtual string what() const{string str = "HttpException:";str += _type;str += ":";str += _errmsg;return str;}
private:const string _type;
};
//HTTP服务异常处理模块
void HttpServer()
{if (rand() % 3 == 0){throw HttpException("请求资源不存在", 100, "get");}else if (rand() % 4 == 0){throw HttpException("权限不足", 101, "post");}else{cout << "HttpServer调用成功" << endl;}CacheMgr();
}
// 下⾯程序模拟展⽰了聊天时发送消息，发送失败补货异常，但是可能在
// 电梯地下室等场景⼿机信号不好，则需要多次尝试，如果多次尝试都发
// 送不出去，则就需要捕获异常再重新抛出，其次如果不是⽹络差导致的
// 错误，捕获后也要重新抛出。
void _SeedMsg(const string& s)
{if (rand() % 2 == 0){throw HttpException("⽹络不稳定，发送失败", 102, "put");} else if (rand() % 7 == 0){throw HttpException("你已经不是对象的好友，发送失败", 103, "put");} else{cout << "发送成功" << endl;}
}
void SendMsg(const string& s)
{// 发送消息失败，则再重试3次for (size_t i = 0; i < 4; i++){try{_SeedMsg(s);break;} catch(const Exception & e){// 捕获异常，if中是102号错误，⽹络不稳定，则重新发送// 捕获异常，else中不是102号错误，则将异常重新抛出if (e.getid() == 102){// 重试三次以后否失败了，则说明⽹络太差了，重新抛出异常if (i == 3)throw;cout << "开始第" << i + 1 << "重试" << endl;} else{throw;}}}
}
int main()
{srand(time(0));string str;while (cin >> str){try{SendMsg(str);}catch (const Exception& e){cout << e.what() << endl << endl;}catch (...){cout << "Unkown Exception" << endl;}}return 0;
}

异常的安全处理

异常抛出后，后⾯的代码就不再执⾏，前⾯申请了资源(内存、锁等)，后⾯进⾏释放，但是中间可能会抛异常就会导致资源没有释放，这⾥由于异常就引发了资源泄漏，产⽣安全性的问题。中间我们需要捕获异常，释放资源后⾯再重新抛出，当然后⾯智能指针章节讲的RAII⽅式解决这种问题是更好的。

其次析构函数中，如果抛出异常也要谨慎处理，⽐如析构函数要释放10个资源，释放到第5个时抛出异常，则也需要捕获处理，否则后⾯的5个资源就没释放，也资源泄漏了。

《Effctive C++》第8个条款也专⻔讲了这个问题，别让异常逃离析构函数。

//异常的安全处理
double Divide(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()
{// 这⾥可以看到如果发⽣除0错误抛出异常，另外下⾯的array没有得到释放。// 所以这⾥捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外层处理，这⾥捕获了再// 重新抛出去。int* array = new int[10];try{int len, time;cin >> len >> time;cout << Divide(len, time) << endl;} catch(...){// 捕获异常释放内存cout << "delete []" << array << endl;delete[] array;throw; // 异常重新抛出，捕获到什么抛出什么}cout << "delete []" << array << endl;delete[] array;
}
int main()
{try{Func();} catch(const char* errmsg){cout << errmsg << endl;} catch(const exception & e){cout << e.what() << endl;} catch(...){cout << "Unkown Exception" << endl;} return 0;
}

异常规范

对于⽤⼾和编译器⽽⾔，预先知道某个程序会不会抛出异常⼤有裨益，知道某个函数是否会抛出异常有助于简化调⽤函数的代码。

C++98中函数参数列表的后⾯接throw()，表⽰函数不抛异常，函数参数列表的后⾯接throw(类型1,类型2...)表⽰可能会抛出多种类型的异常，可能会抛出的类型⽤逗号分割。

C++98的⽅式这种⽅式过于复杂，实践中并不好⽤，C++11中进⾏了简化，函数参数列表后⾯加noexcept表⽰不会抛出异常，啥都不加表⽰可能会抛出异常。

编译器并不会在编译时检查noexcept，也就是说如果⼀个函数⽤noexcept修饰了，但是同时⼜包含了throw语句或者调⽤的函数可能会抛出异常，编译器还是会顺利编译通过的(有些编译器可能会报个警告)。但是⼀个声明了noexcept的函数抛出了异常，程序会调⽤ terminate 终⽌程序。

noexcept(expression)还可以作为⼀个运算符去检测⼀个表达式是否会抛出异常，可能会则返回false，不会就返回true。

//异常的规范
//// C++98
//// 这⾥表⽰这个函数只会抛出bad_alloc的异常
//void* operator new (std::size_t size) throw (std::bad_alloc);
//// 这⾥表⽰这个函数不会抛出异常
//void* operator delete (std::size_t size, void* ptr) throw();
//// C++11
//size_type size() const noexcept;
//iterator begin() noexcept;
//const_iterator begin() const noexcept;
double Divide(int a, int b) noexcept
{// 当b == 0时抛出异常if (b == 0){throw "Division by zero condition!";} return(double)a / (double)b;
} 
int main()
{try{int len, time;cin >> len >> time;cout << Divide(len, time) << endl;} catch(const char* errmsg){cout << errmsg << endl;} catch(...){cout << "Unkown Exception" << endl;} int i = 0;cout << noexcept(Divide(1, 2)) << endl;cout << noexcept(Divide(1, 0)) << endl;cout << noexcept(++i) << endl;return 0;
}