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C++基础系列【36】异常处理

news 来源：原创 2025/4/21 17:33:23

博主介绍：程序喵大人

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异常处理是一项重要的特性，它允许程序在运行时遇到错误条件时能够优雅地恢复或终止执行，而不是简单地崩溃。

C++通过try、catch和throw三个关键字来实现异常处理机制。本文会详细介绍。

基本概念

定义

异常是指在程序执行过程中发生的、不符合程序正常流程的事件。在C++中，异常通常是由于某些错误条件触发的，如除以零、数组越界、内存分配失败等。

关键字

try：用于标记可能会抛出异常的代码块，称为保护代码。
throw：当检测到异常条件时，使用throw关键字抛出一个异常。throw后面可以跟任意表达式，它的类型决定了抛出的异常类型。
catch：用于捕获并处理异常。catch块紧跟在try块之后，并指定了要捕获的异常类型。

用法

下面是一个简单的例子，演示了如何使用try、throw和catch来处理除以零的异常：

#include <iostream>
using namespace std;

double division(int a, int b) {
    if (b == 0) {
        throw "Division by zero!"; // 抛出异常
    }
    return (a / b);
}

int main() {
    int x = 50;
    int y = 0;
    double z = 0;
    try {
        z = division(x, y); // 可能抛出异常的代码
        cout << z << endl;
    } catch (const char* msg) { // 捕获并处理异常
        cerr << msg << endl;
    }
    return 0;
}

在这个例子中，如果y为零，division函数将抛出一个字符串异常，该异常在main函数的catch块中被捕获并处理。

一个try块可以跟随多个catch块，来捕获多种不同类型的异常：

#include <iostream>
#include <stdexcept> // 包含标准异常类
using namespace std; // 为了演示方便，项目中不建议这样使用

void testFunction() {
    throw runtime_error("Runtime error occurred!");
}

int main() {
    try {
        testFunction(); // 可能抛出异常的函数
    } catch (const logic_error& e) {
        cout << "Caught a logic_error: " << e.what() << endl;
    } catch (const runtime_error& e) {
        cout << "Caught a runtime_error: " << e.what() << endl;
    } catch (...) { // 捕获所有其他类型的异常
        cout << "Caught an unknown exception" << endl;
    }
    return 0;
}

testFunction抛出了一个runtime_error异常，该异常在第二个catch块中被捕获并处理。最后一个catch块使用省略号...来捕获所有其他类型的异常。

C++标准异常类

C++标准库提供了一系列预定义的异常类，这些类都继承自std::exception基类。

使用标准异常类可以使代码更加清晰。

层次结构

如图

暂时无法在飞书文档外展示此内容

std::exception：所有标准异常的基类。
std::bad_alloc：内存分配失败时抛出。
std::bad_cast：动态类型转换失败时抛出。
std::bad_typeid：使用typeid运算符失败时抛出。
std::bad_exception：在函数声明中使用了异常规格，但抛出了未列出的异常时抛出（C++11已弃用）。
std::logic_error：逻辑错误异常基类，包括：
- std::domain_error：数学域错误，如sqrt(-1)。
- std::invalid_argument：无效参数错误。
- std::length_error：超出允许长度的错误。
- std::out_of_range：范围错误，如访问vector的非法索引。
std::runtime_error：运行时错误异常基类，包括：
- std::overflow_error：上溢错误。
- std::range_error：范围错误（与std::out_of_range不同，用于其他情况）。
- std::underflow_error：下溢错误。

示例

#include <iostream>
#include <stdexcept>
using namespace std;

void testLogicError() {
    throw invalid_argument("Invalid argument error!");
}

void testRuntimeError() {
    throw out_of_range("Out of range error!");
}

int main() {
    try {
        testLogicError(); // 抛出逻辑错误异常
    } catch (const logic_error& e) {
        cout << "Caught a logic_error: " << e.what() << endl;
    }

    try {
        testRuntimeError(); // 抛出运行时错误异常
    } catch (const runtime_error& e) {
        cout << "Caught a runtime_error: " << e.what() << endl;
    }

    return 0;
}

testLogicError函数抛出了一个invalid_argument异常，而testRuntimeError函数抛出了一个out_of_range异常。这两个异常分别在对应的catch块中被捕获并处理。

自定义异常类

虽然C++标准库提供了丰富的异常类，但在某些情况下，开发者可能需要定义自己的异常类。

我们可以通过继承std::exception基类并重载what方法来实现。

示例

#include <iostream>
#include <exception>
#include <string>
using namespace std;

class MyException : public exception {
public:
MyException(const string& message) : message_(message) {}

virtual const char* what() const noexcept override {
    return message_.c_str();
}

private:
string message_;
};

void testCustomException() {
    throw MyException("Custom exception occurred!");
}

int main() {
    try {
        testCustomException(); // 抛出自定义异常
    } catch (const MyException& e) {
        cout << "Caught a MyException: " << e.what() << endl;
    } catch (const exception& e) {
        cout << "Caught an unknown exception: " << e.what() << endl;
    }

    return 0;
}

MyException类继承自std::exception并重载了what方法。testCustomException函数抛出了一个MyException异常，该异常在main函数的catch块中被捕获并处理。

注意，这里还添加了一个捕获所有其他std::exception子类的catch块，确保能够捕获所有未知异常。

`noexcept`

从C++11开始，推荐使用noexcept关键字来声明函数不抛出任何异常：

void func() noexcept; // 声明函数不抛出任何异常

如果func函数在执行过程中抛出了异常，程序会直接终止。noexcept关键字还可以用于提高性能，因为编译器可以优化不抛出异常的函数调用。

如果你看过gcc源码，你会发现，基本上通篇都是noexcept。

noexcept会告诉编译器，它修饰的函数不会产生异常（exception），这有利于编译器做更多的优化。

C++的异常处理是在运行时检测的，而不是在编译时检测，为了运行时检测，编译器应该会做些额外的操作，如果能够通过noexcept明确的告诉编译器这个函数不会抛出异常，编译器应该会做一些优化。

验证函数是否noexcept？

noexcept还可以当作运算符，它可以传入参数，来验证某个函数是否是noexcept：

void may_throw();
void no_throw() noexcept;
int main() {
    noexcept(may_throw()); // false
    noexcept(no_throw()); // true
    }

什么时候使用noexcept？

移动构造函数，移动赋值函数，建议使用noexcept修饰，因为搭配标准库使用时，noexcept作用巨大，它可以优先移动而非拷贝，推荐阅读 move_if_noexcept。
而析构函数默认就是noexcept的，不需要显式指定noexcept。
在明确确认某个函数不会产生exception时，可以使用noexcept。

推荐看看这几个noexcept相关的文档：

https://www.cnblogs.com/sword03/p/10020344.html
https://en.cppreference.com/w/cpp/language/noexcept_spec
https://en.cppreference.com/w/cpp/language/noexcept
https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/blob/master/CppCoreGuidelines.md#Re-noexcept
https://stackoverflow.com/questions/10787766/when-should-i-really-use-noexcept
https://www.heise.de/blog/C-Core-Guidelines-Der-noexcept-Spezifier-und-Operator-4121657.html