第20章 异常处理机制

想象一下，你正在操作一台自动咖啡机。正常情况下，你放入咖啡豆，按下按钮，得到咖啡。但如果咖啡豆卡住了，机器不会直接爆炸，而是会亮起红灯并发出“卡豆”的警报，让你有机会清理它，而不是让整个系统宕机。在C++中，异常处理就是这套警报和恢复机制，它允许程序在遇到无法在局部处理的错误（如文件不存在、内存不足、除零错误）时，跳出当前执行流，将错误信息“抛”给上层调用者处理，而不是让程序崩溃。

异常处理流程

try 块用于包裹可能抛出异常的代码。throw 用于在检测到错误时抛出一个异常对象。catch 块紧随 try 块之后，用于捕获并处理特定类型的异常。一个基本的例子：

#include <iostream>
#include <stdexcept>

int divide(int a, int b) {
    if (b == 0) {
        throw std::runtime_error("Division by zero!"); // 抛出异常
    }
    return a / b;
}

int main() {
    try { // 尝试执行
        int result = divide(10, 0);
        std::cout << "Result: " << result << std::endl;
    } catch (const std::runtime_error& e) { // 捕获异常
        std::cerr << "Error caught: " << e.what() << std::endl; // 输出 "Error caught: Division by zero!"
    }
    std::cout << "Program continues..." << std::endl;
    return 0;
}

20.2 标准异常类与自定义异常

C++标准库在 <stdexcept>、<new>、<typeinfo> 等头文件中定义了一套异常类体系，它们都继承自 std::exception。

对于特定领域的错误，你需要定义自己的异常类。一个好的自定义异常类应公开继承自标准异常类（通常是 std::runtime_error 或 std::logic_error），并提供一个能接受错误信息的构造函数。

#include <stdexcept>
#include <string>

class NetworkConnectionError : public std::runtime_error {
public:
    NetworkConnectionError(const std::string& ip, int port)
        : std::runtime_error("Failed to connect to " + ip + ":" + std::to_string(port)),
          ipAddress(ip), portNumber(port) {}

    const std::string& getIpAddress() const { return ipAddress; }
    int getPortNumber() const { return portNumber; }

private:
    std::string ipAddress;
    int portNumber;
};

// 使用
void connectToServer() {
    // ... 连接逻辑
    if (connection_failed) {
        throw NetworkConnectionError("192.168.1.100", 8080);
    }
}

20.3 栈展开、异常安全与RAII

当 throw 语句执行时，程序控制流会立即离开当前函数，并沿着调用链向上回溯，这个过程称为栈展开。在回溯过程中，局部对象（在栈上分配）会按照构造相反的顺序被析构。

#include <memory>
void processFile(const char* filename) {
    // 传统危险写法：如果中间抛出异常，文件句柄泄露，内存泄露
    // FILE* f = fopen(filename, "r");
    // int* buffer = new int[1024];
    // ... // 可能抛出异常的操作
    // fclose(f);
    // delete[] buffer;

    // RAII安全写法（C++11后）
    auto filePtr = std::unique_ptr<FILE, decltype(&fclose)>(fopen(filename, "r"), &fclose);
    auto bufferPtr = std::make_unique<int[]>(1024);

    if (!filePtr) {
        throw std::runtime_error("Failed to open file");
    }
    // ... 即使这里抛出异常，filePtr和bufferPtr的析构函数也会被调用，自动释放资源
}

class MyMovableType {
public:
    // 移动构造函数标记为noexcept，使std::vector在扩容时能使用更高效的移动而非复制
    MyMovableType(MyMovableType&& other) noexcept
        : data(other.data), size(other.size) {
        other.data = nullptr;
        other.size = 0;
    }
    // 析构函数通常也应是noexcept的
    ~MyMovableType() noexcept {
        delete[] data;
    }
private:
    int* data;
    size_t size;
};

void simpleFunction() noexcept { // 承诺不抛异常
    // 只能调用其他noexcept函数或进行不会抛出的操作
}