10.12 异常处理¶

简介¶

Tips：异常是处理构造函数失败的唯一途径，虽然可以用“简单工厂模式”或者Init()方法代替异常，但是前者要求在堆栈分配内存，后者又会导致刚创建的实例处于“无效”状态。

典型的异常包括失去数据库连接以及遇到意外输入等，异常处理机制为程序中异常检测和异常处理两部分的协作提供支持：

thorw表达式：throw表达式用于表示它遇到了无法处理的问题，我们说throw引发了异常
try语句块：异常处理部分使用try语句块处理异常，它以关键字try开始，并以一个或多个catch子句结束
异常类：用于在throw表达式和catch子句之间传递异常的具体信息

throw表达式¶

C++语言中我们通过抛出（throwing）一条表达式来引发（raised）一个异常。被抛出的表达式的类型以及当前的调用链共同决定了哪段处理代码（handler）将用来处理该异常：

#include <stdexcept>

throw runtime_error("tomocat");

Tips：当执行一个throw时，跟在throw后面的语句将不再被执行。相反，程序的控制权从throw转移到与之匹配的catch模块，该catch可能是同一个函数中的局部catch，也可能位于直接或间接调用了发生异常的函数的另一个函数。一个异常如果没有被捕获，则它将调用标准库函数terminate终止当前的程序。

当抛出一个异常后，程序暂停当前函数的执行过程并立即开始寻找与异常匹配的catch子句。如果对抛出异常的调用语句位于一个try语句内，则检查与该try块关联的catch子句。如果找到了匹配的catch就用该catch处理异常。否则，如果该try语句嵌套在其他try块中，则继续检查与外层try匹配的catch子句。如果仍然没有找到匹配的catch，则退出当前这个主调函数，继续在调用了刚刚退出的这个函数的其他函数中寻找，以此类推。

上述过程被称为栈展开过程，栈展开过程沿着嵌套函数的调用链不断查找，直到找到了与异常匹配的catch子句为止，或者也可能一直没找到匹配的catch从而退出主函数。如果找到了一个匹配的catch子句，则程序进入该子句并执行其中的代码。

try语句块与catch子句¶

try语句块的语法是：

Tips：try语句块内声明的变量在块外部无法访问，特别是在catch子句内也无法访问。

try {
	program-statements
} catch (exception-declaration) {
	handler-statements
} catch (exception-declaration) {
	handler-statements
}

例子：

while (cin >> item1 >> item2) {
    try {
        // 执行item1和item2的操作, 失败了抛出runtime_error异常
    } catch (runtime_error err) {
        cout << err.what() << endl;
    }
}

// catch(...)捕获所有异常, 即可以与任何类型的异常匹配
void foo() {
    try {
        // 这里的操作将引发并抛出一个异常
    } catch(...) {
        // 处理异常的某些特殊操作, 然后再抛出一个异常终止程序
        throw;
    }
}

如果一个程序没有try语句块且发生了异常，系统会调用terminate函数并终止当前程序的执行。当异常被抛出时，首先搜索该异常的函数，如果没能找到匹配的catch子句，那么终止该函数并在调用该函数的函数中继续寻找。如果还是没找到匹配的catch子句，这个新的函数也被终止，继续搜索调用它的函数。如果最终还是没能找到任何匹配的catch子句，系统会调用terminate函数并终止当前程序的执行。

构造函数与异常¶

构造函数再在进入其函数体之前首先执行初始值列表，由于在初始值列表抛出异常时构造函数体内的try语句块还未生效，所以构造函数体内的catch语句无法处理构造函数初始值列表抛出的异常。要想处理构造函数初始值抛出的异常，我们必须将构造函数写成函数try语句块的形式。函数try语句块使得一组catch语句既能处理构造函数体（或析构函数体），也能处理构造函数的初始化过程（或析构函数体）。

template <typename T>
Foo<T>::Foo(std::initializer_list<T> il) try : data(std::make_shared<std::vector<T>>(il)) {
    // 空函数体
} catch (const std::bad_alloc &e) { handle_out_of_memory(e); }

Tips：还有一种情况值得注意，在初始化构造函数的参数时也可能发生异常，这样的异常不属于函数try语句块的一部分。函数try语句块只能处理构造函数开始后发生的异常，和其他函数调用一样，如果在参数初始化的过程发生了异常，则该异常属于调用表达式的一部分，并将在调用者所在的上下文中处理。

析构函数与异常¶

如果析构函数需要执行某个可能抛出异常的操作，则该操作应该被放置在一个try语句块中，并在析构函数内部得到处理。在实际的编程过程中，因为析构函数仅仅是释放资源，所以它不太可能抛出异常，所以标准库类型都能确保它们的析构函数不会发生异常。

标准异常¶

1. C++标准库异常¶

C++标准库定义了一组类用于报告标准库遇到的问题，它们分别定义在4个头文件中：

exception头文件中定义了最通用的异常类exception，它只报告异常的发生，不提供任何额外信息
stdexcept头文件中定义了几种常用的异常类，后续会列举
new头文件中定义了bad_alloc异常类型
type_info头文件中定义了bad_cast异常类型

2. stdexcept定义的异常¶

stdexcept头文件中定义的异常类如下：

异常类	含义
exception	最常见的问题
runtime_error	只有在运行时才能检测出的问题
range_error	运行时错误：生成的结果超出了有意义的值域范围
overflow_error	运行时错误：计算上溢
underflow_error	运行时错误：计算下溢
logic_error	程序逻辑错误
domian_error	逻辑错误：参数对应的结果值不存在
invalid_argument	逻辑错误：无效参数
length_error	逻辑错误：试图创建一个超出该类型最大长度的对象
out_of_range	逻辑错误：使用一个超出有效范围的值

3. 注意事项¶

我们只能以默认初始化的方式初始化exception、bad_alloc和bad_cast
对于除exception、bad_alloc和bad_cast的异常类，我们应该用string对象或者C风格字符串初始化这些类型的对象，不允许使用默认初始化的方式
异常类只定义了一个名为what的成员函数，返回一个提供错误信息的C风格字符串
如果异常类型有一个字符串初始值，那么what方法返回该字符串；对于其他无初始值的异常类型来说，what返回的内容由编译器决定

异常类层次¶

1. 标准库异常类¶

标准库异常类构造了如下继承体系：

exception
├── bad_cast
├── runtime_error
|	├── overflow_error
|   ├── underflow_error
|	├── range_error
├── logic_error
|	├── domain_error
|	├── invalid_argument
|	├── out_of_range
|	├── length_error
├── bad_alloc

其中类型exception仅仅定义了拷贝构造函数、拷贝赋值运算符、一个虚析构函数和一个名为what的虚成员函数。其中what函数返回一个const char*并确保不会抛出任何异常。类exception、bac_cast和bad_alloc定义了默认构造函数，类runtime_error和logic_error没有默认构造函数，但是有一个可以接受C风格字符串或者标准库string类型实参的构造函数。

Tips：由于what是虚函数，因此当我们捕获基类的引用时，对what函数的调用将执行与异常对象动态类型对应的版本。

2. 用户自定义异常类¶

我们也可以使用自己的异常类，需要继承自标准异常类：

// 用户自设定的异常类
class out_of_stock : public std::runtime_error {
 public:
  	explicit out_of_stock(const std::string &s) : std::runtime_error(s) { }  
};

异常安全¶

Effective C++：Strive for exception-safe code.

异常安全函数（Exception-safe function）即使发生异常也不会泄露资源或允许任何数据结构败坏。这样的函数区分为三种可能的保证：基本型、强烈型和不抛出异常型。

“强烈保证”往往能够以copy-and-swap实现出来，但“强烈保证”并非对所有函数都可实现或具备现实意义。

函数提供的“异常安全保证”通常最高只等于其所调用之各个函数的“异常安全保证”中的最弱者。

“异常安全”由两个条件，当异常被抛出时，带有异常安全性的函数满足：

不泄露任何资源
不允许数据败坏

异常安全函数（Exception-safe function）提供以下三种保证之一：

基本承诺：如果异常被抛出，程序内的任何事物仍然保持在有效状态下。没有任何对象或数据结构会因此而败坏，所有对象都处于一种内部前后一致的状态。抛出异常时对象可以保持缺省状态也可以保持调用前状态，客户端可以调用某个成员函数获得具体的状态。
强烈保证：如果异常被抛出，程序状态不改变。调用这样的函数需要有这样的认知：如果函数成功就是完全成功；如果函数失败程序会回复到“调用函数之前”的状态。（与此对比的是，如果调用一个只提供“基本承诺”的函数而真的出现异常，程序有可能处于任何状态——只要它是个合法状态）
不抛出异常（nothrow）保证：承诺绝不抛出异常，因为它们总是能够完成它们原先承诺的功能。作用于内置类型（例如int、指针等等）身上的所有操作都提供nothrow保证。