C++ 异常处理

一个 异常（exception） 是指在程序执行期间发生的、中断正常指令流的意外事件或错误情况。例子包括尝试除以零、内存分配失败或遇到无效输入。

C++ 提供了一种结构化的机制，使用三个关键字来处理这些异常情况：try、catch 和 throw。

try：一个 try 块（try block）包围了一段可能发生异常的代码。它表示您已准备好处理在此块内可能抛出的异常。
throw：当检测到错误情况时，使用 throw 关键字后跟一个表达式来 抛出（throw） 异常。表达式的类型决定了抛出的异常类型。
catch：一个 catch 块（catch block）紧跟在一个 try 块（或其他 catch 块）之后。它充当异常处理器。它指定可以捕获的异常类型，并包含处理该异常的代码。

基本语法如下所示：

try {
    // 可能抛出异常的代码（受保护的代码）
    // ...
} catch (const ExceptionType1& e1) { // 按常量引用捕获特定异常类型
    // 处理 ExceptionType1
    // 通过 e1 访问异常详情（例如，对于派生自 std::exception 的类型，使用 e1.what()）
} catch (const ExceptionType2& e2) {
    // 处理 ExceptionType2
    // ...
} catch (...) { // 捕获所有类型的处理器（谨慎使用）
    // 处理任何其他意外的异常类型
}

try 块内的代码正常执行。如果在 try 块内（或从 try 块调用的函数内）抛出异常，程序会立即跳转以寻找匹配的 catch 块。第一个类型与抛出的异常匹配（或为其基类）的 catch 块将被执行。如果找不到匹配的 catch 块，程序将终止（通常通过调用 std::terminate）。

抛出异常

您可以使用 throw 语句从任何地方抛出异常。操作数可以是任何类型，但强烈建议抛出派生自 std::exception 的类对象。

示例：抛出除以零的异常。

#include <stdexcept> // 标准异常类（如 std::runtime_error）所需
#include <string>

double safe_division(int a, int b) {
    if (b == 0) {
        // 抛出一个标准异常类型的对象
        throw std::runtime_error("Division by zero condition!");
    }
    // 注意：整数除法会截断。为进行浮点除法而进行类型转换。
    return static_cast<double>(a) / b;
}

捕获异常

catch 块指定了它可以处理的异常类型。最佳实践是按 常量引用 (const ExceptionType& e) 捕获异常。这可以避免不必要的拷贝，并在捕获多态异常类型时防止对象切片（slicing）。

try {
   // ... 可能调用 safe_division 的代码 ...
   double result = safe_division(10, 0);
   // ... 如果抛出异常，这部分代码不会被执行 ...
} catch (const std::runtime_error& e) {
   // 处理特定的运行时错误
   std::cerr << "Error caught: " << e.what() << std::endl;
   // e.what() 返回构造时传入的消息（"Division by zero condition!"）
}

您可以使用多个 catch 块来处理不同的异常类型。它们按顺序检查。一个捕获所有类型的处理器 catch (...) 会捕获任何类型的异常，但它不提供关于异常的任何信息。请谨慎使用它，通常用于在重新抛出之前进行清理。

演示 try/catch 的示例：

#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <string>

// 假设上面定义的 safe_division 函数在这里
double safe_division(int a, int b) {
    if (b == 0) {
        throw std::runtime_error("Division by zero condition!");
    }
    return static_cast<double>(a) / b;
}

int main() {
    int x = 50;
    int y = 0;
    double z = 0;

    try {
        std::cout << "Attempting division..." << std::endl;
        z = safe_division(x, y);
        std::cout << "Result: " << z << std::endl; // This line won't execute
    } catch (const std::runtime_error& e) {
        // 按常量引用捕获特定的异常类型
        std::cerr << "Caught a runtime error: " << e.what() << std::endl;
    } catch (const std::exception& e) {
        // 捕获任何其他标准异常（如果 safe_division 抛出了不同的异常）
        std::cerr << "Caught a standard exception: " << e.what() << std::endl;
    } catch (...) {
        std::cerr << "Caught an unknown exception type." << std::endl;
    }

    std::cout << "Program continues after try-catch block." << std::endl;

    return 0;
}

编译并运行后，将产生以下输出：

Attempting division...
Caught a runtime error: Division by zero condition!
Program continues after try-catch block.

C++ 标准异常

C++ 标准库在 <stdexcept> 头文件（以及 <exception> 中的基类 std::exception）中定义了标准异常类层次结构。建议抛出这些标准类型（或从它们派生的类型）。

所有标准异常的基类是 std::exception。主要的派生类包括：

std::logic_error：表示程序内部逻辑错误（例如，前置条件被违反等）。通常在运行时之前理论上可以检测到。
std::domain_error：数学函数的域错误。
std::invalid_argument：传递给函数的无效参数。
std::length_error：尝试创建大于支持的最大尺寸的对象。
std::out_of_range：参数值不在预期范围内（例如，通过 .at() 访问超出范围的 vector 元素）。
std::runtime_error：表示可能只能在运行时检测到的错误。
std::overflow_error：发生算术溢出。
std::underflow_error：发生算术下溢。
std::range_error：计算结果无法表示。
std::system_error (C++11)：表示低级别操作系统错误。
std::bad_alloc：当内存分配失败时由 new 抛出。
std::bad_cast：当引用转换失败时由 dynamic_cast 抛出。
std::bad_typeid：对空指针使用 typeid 时抛出。
std::bad_exception：用于非预期的异常处理机制。

所有派生自 std::exception 的类都有一个虚成员函数 what()，它返回一个 C 风格字符串（const char*）来描述异常。

定义自定义异常

您可以为特定于应用程序的错误定义自己的异常类。最佳实践是将自定义异常类派生自 std::exception 或其标准派生类之一（如 std::runtime_error 或 std::logic_error）。

#include <iostream>
#include <exception>
#include <string>

// 定义一个派生自 std::runtime_error 的自定义异常
class MyCustomException : public std::runtime_error {
public:
    // 构造函数接受一个消息字符串
    explicit MyCustomException(const std::string& message)
        : std::runtime_error(message) {} // 将消息传递给基类构造函数

    // 可选：如果需要，添加自定义成员或方法
    // const char* what() const noexcept override; // 已由 std::runtime_error 提供
};

int main() {
    try {
        // 模拟错误情况
        throw MyCustomException("Something specific went wrong in my application.");
    } catch (const MyCustomException& e) {
        std::cerr << "Caught MyCustomException: " << e.what() << std::endl;
    } catch (const std::exception& e) {
        // 这将捕获可能发生的其他标准异常
        std::cerr << "Caught standard exception: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

这将产生以下输出：

Caught MyCustomException: Something specific went wrong in my application.

异常安全与 RAII

编写异常安全（exception-safe）的代码至关重要。这意味着即使抛出异常，也要确保程序保持在有效状态。实现这一目标的主要 C++ 技术是 RAII（Resource Acquisition Is Initialization，资源获取即初始化）。RAII 利用对象的生命周期（由构造函数和析构函数管理）来自动管理资源，例如内存、文件句柄、锁等。当抛出异常时，栈上对象的析构函数会自动调用，确保正确清理。智能指针（std::unique_ptr、std::shared_ptr）和标准库容器都大量依赖于 RAII。

`noexcept` 说明符

您可以使用 noexcept 声明函数，指定它不会抛出任何异常。这可以带来编译器优化。如果一个 noexcept 函数确实抛出了异常，则会调用 std::terminate。析构函数通常应该是 noexcept 的。

void function_that_never_throws() noexcept { /* ... */ }

C++ 异常处理

C++ 异常处理

抛出异常

捕获异常

C++ 标准异常

定义自定义异常

异常安全与 RAII

noexcept 说明符

`noexcept` 说明符