一、异常处理的背景

运行时错误 Run-Time Error

• 在运行过程中发生的错误，无法在编译期间被预测（例如：打开某个文件但内存不足、Vector 容器下标访问越界）
• 使用抛出异常的方式进行处理，由发生异常的函数的调用者（Callee）进行处理

二、异常的发出与捕获

1. 发出异常 Raise an Exception

1. 异常对象

   • 使用异常对象记录异常信息

     // 一个异常对象的示例
     class VectorIndexError {
     public:
       VectorIndexError(int v) : m_badValue(v) {}
       void diagnostic() {
         cerr << "Index " << m_badValue << " out of range!" << endl;
       }
     private:
       int m_badValue;
     };
     
     

   • 异常对象常在 throw 语句中使用构造函数进行构造

   • 异常对象之间常常具有继承关系

     // 基类：数学错误
     class MathErr {
     public:
         virtual void diagnostic() = 0;  // 纯虚函数，要求派生类实现
     };
     
     // 派生类1：溢出错误
     class OverflowErr : public MathErr { 
     public:
         void diagnostic() override { /* 实现细节 */ }
     };
     
     // 派生类2：下溢错误
     class UnderflowErr : public MathErr {
     public:
         void diagnostic() override { /* 实现细节 */ }
     };
     
     // 派生类3：除零错误
     class ZeroDivideErr : public MathErr {
     public:
         void diagnostic() override { /* 实现细节 */ }
     };
     

   • 标准库定义多种异常对象（Standard Library Exceptions），其继承关系如图所示；自定义的异常类型通常继承于标准库异常对象

     

2. throw 语句

   • 格式一：throw e

     抛出值 e，其中 e 通常为异常对象，但也可为 int、string 等普通的对象或值

     template <class T>
     T& Vector<T>::operator[](int idx) {
         if (idx < 0 || idx >= m_size) {
             throw VectorIndexError(idx); // 使用构造函数构造一个异常对象，并将其抛出
         }
         return m_elements[idx];
     }
     

   • 格式二：throw

     在 catch 块中使用，用于将该 catch 块捕获的异常对象重新抛出，从而将异常信息沿函数调用链（Call Chain）逐层向外传导

     

3. noexpect 标签

   • 由于异常处理需要代价，可在函数声明中加入 noexpect 标签，表明该函数内部无需进行异常处理，从而帮助编译器提高代码运行效率

     void func(int a) noexcept {...}
     

   • 若带 noexpect 标签的函数内部试图抛出异常，则触发 std::terminate；

     • std::terminate 一般情况下会导致程序的中断

     • 可以自定义 std::terminate 的行为

       void my_terminate() {...}
       set_terminate(my_terminate);
       

4. new 语句发出的异常

   • new 语句发生异常时，不会返回 0 或空指针，而是发出 bad_alloc() 异常

2. 捕获异常 Catch an Exception

1. Try-Catch 块

   try {
       // code to exercise math options
       throw UnderFlowErr();  // 触发下溢错误
   
   } catch (ZeroDivideErr& e) {
       // 处理除零错误
       
   } catch (UnderFlowErr& e) {
       // 处理数值下溢错误
       
   } catch (MathErr& e) {
       // 处理其他数学相关错误（基类捕获）
       
   } catch (...) {
       // 捕获所有未被上述catch处理的异常（兜底处理）
   }
   

   • catch 花括号内的语句称为异常处理器（Exception Handlers）
   • 一组 Try-Catch 块可以包含多个异常处理器
   • 异常处理器的参数分为两种：
     • 格式一： catch (sometype v) 捕获某个具体类型的参数
     • 格式二： catch (...) 捕获所有未被前述 catch 语句捕获的异常

2. 捕获顺序

   • 异常处理器按照它们出现的先后顺序进行选择
   • catch 语句捕获参数时，可以自动发生由派生类向基类的类型转换（向上造型，仅限参数为引用或指针类型）；因此，若异常对象之间存在继承关系，应当先对派生类型进行捕获，再对基类型进行捕获
   • 在下面的反例中，由于向上造型， UnderFlowErr 将被第一个 catch 语句捕获，而不会被第二个 catch 语句捕获

   // 反例
   try {
       // code to exercise math options
       throw UnderFlowErr();  // 触发下溢错误
   
   } catch (MathErr& e) {
       // 处理除零错误
       
   } catch (UnderFlowErr& e) {
       // 处理数值下溢错误
       
   } catch (...) {
       // 捕获所有未被上述catch处理的异常（兜底处理）
   }
   

3. 未被捕获的异常

   • 如果一条异常发出后未被捕获，则触发 std::terminate

4. 异常处理器的参数类型

   // 异常处理器一般接收引用类型参数
   catch (Exception& e) {...}
   
   // 如果接收指针类型参数，则指针指向的动态空间何时被销毁不易确定，可能导致内存泄漏
   catch (Exception* p) {...}
   
   // 如果是值传递，则向上造型时会发生截断，导致类型信息和部分字段的丢失
   catch (Exception p) {...}
   
   

三、构造与析构过程的异常处理

1. 构造过程的异常处理

1. 若构造函数内部抛出异常
   • 认为该对象没有完成构造，即该对象的析构函数不会被调用
   • 在抛出异常前，已构造的成员会被自动析构（按与构造相反的顺序）
   • 在抛出异常前，需要手动对已经分配的资源（例如通过 new 分配的空间，打开的文件等）进行释放
2. 二阶构造 Two Stages Construction
   • 在构造函数中进行如下工作：
     • 对所有成员对象进行初始化
     • 将所有指针初始化为 0
     • 不请求任何内存、文件、网络连接等资源
   • 资源请求在一个单独的 init() 函数中实现