800-C++ throw（抛出异常）详解

2023-11-03

C++ throw（抛出异常）详解

抛出（Throw）--> 检测（Try） --> 捕获（Catch）

异常必须显式地抛出，才能被检测和捕获到；如果没有显式的抛出，即使有异常也检测不到。

在 C++ 中，我们使用 throw 关键字来显式地抛出异常，它的用法为：

throw exceptionData;

exceptionData 是“异常数据”的意思，它可以包含任意的信息，完全有程序员决定。exceptionData 可以是 int、float、bool 等基本类型，也可以是指针、数组、字符串、结构体、类等聚合类型，请看下面的例子：

char str[] = "hello world 666";
char *pstr = str;
class Base{};
Base obj;
throw 100;//int 类型
throw str;//数组类型
throw pstr;//指针类型
throw obj;//对象类型

动态数组的例子

C/C++ 规定，数组一旦定义后，它的长度就不能改变了；换句话说，数组容量不能动态地增大或者减小。这样的数组称为静态数组（Static array）。静态数组有时候会给编码代码不便，我们可以通过自定义的 Array 类来实现动态数组（Dynamic array）。所谓动态数组，是指数组容量能够在使用的过程中随时增大或减小。

#include <iostream>
#include <cstdlib>

using namespace std;
//自定义的异常类型
class OutOfRange 
{
public:
    OutOfRange() : m_flag(1) { };
    OutOfRange(int len, int index) : m_len(len), m_index(index), m_flag(2) { }
public:
    void what() const;  //获取具体的错误信息
private:
    int m_flag;  //不同的flag表示不同的错误
    int m_len;  //当前数组的长度
    int m_index;  //当前使用的数组下标
};
void OutOfRange::what() const 
{
    if (m_flag == 1) 
    {
        cout << "Error: empty array, no elements to pop." << endl;
    }
    else if (m_flag == 2) 
    {
        cout << "Error: out of range( array length " << m_len << ", access index " << m_index << " )" << endl;
    }
    else 
    {
        cout << "Unknown exception." << endl;
    }
}
//实现动态数组
class Array 
{
public:
    Array();
    ~Array() { free(m_p); };
public:
    int operator[](int i) const;//获取数组元素
    int push(int ele);//在末尾插入数组元素
    int pop();//在末尾删除数组元素
    int length() const { return m_len; };//获取数组长度
private:
    int m_len;//数组长度
    int m_capacity;//当前的内存能容纳多少个元素
    int* m_p;//内存指针
private:
    static const int m_stepSize = 50;//每次扩容的步长
};

Array::Array() 
{
    m_p = (int*)malloc(sizeof(int) * m_stepSize);
    m_capacity = m_stepSize;
    m_len = 0;
}
int Array::operator[](int index) const 
{
    if (index < 0 || index >= m_len) 
    {//判断是否越界
        throw OutOfRange(m_len, index);//抛出异常（创建一个匿名对象）
    }
    return *(m_p + index);
}
int Array::push(int ele) 
{
    if (m_len >= m_capacity) 
    { //如果容量不足就扩容
        m_capacity += m_stepSize;
        m_p = (int*)realloc(m_p, sizeof(int) * m_capacity);  //扩容
    }
    *(m_p + m_len) = ele;
    m_len++;
    return m_len - 1;
}
int Array::pop() 
{
    if (m_len == 0) 
    {
        throw OutOfRange();  //抛出异常（创建一个匿名对象）
    }
    m_len--;
    return *(m_p + m_len);
}
//打印数组元素
void printArray(Array& arr) 
{
    int len = arr.length();
    //判断数组是否为空
    if (len == 0) 
    {
        cout << "Empty array! No elements to print." << endl;
        return;
    }
    for (int i = 0; i < len; i++) 
    {
        if (i == len - 1) 
        {
            cout << arr[i] << endl;
        }
        else 
        {
            cout << arr[i] << ", ";
        }
    }
}
int main() 
{
    Array nums;
    //向数组中添加十个元素
    for (int i = 0; i < 10; i++) 
    {
        nums.push(i);
    }
    printArray(nums);
    //尝试访问第20个元素
    try 
    {
        cout << nums[20] << endl;
    }
    catch (OutOfRange& e) 
    {
        e.what();
    }
    //尝试弹出20个元素
    try 
    {
        for (int i = 0; i < 20; i++) 
        {
            nums.pop();
        }
    }
    catch (OutOfRange& e) 
    {
        e.what();
    }
    printArray(nums);
    return 0;
}

在这里插入图片描述
Array 类实现了动态数组，它的主要思路是：在创建对象时预先分配出一定长度的内存（通过 malloc() 分配），内存不够用时就再扩展内存（通过 realloc() 重新分配）。Array 数组只能在尾部一个一个地插入（通过 push() 插入）或删除（通过 pop() 删除）元素。

我们通过重载过的[ ]运算符来访问数组元素，如果下标过小或过大，就会抛出异常（第53行代码）；在抛出异常的同时，我们还记录了当前数组的长度和要访问的下标。

在使用 pop() 删除数组元素时，如果当前数组为空，也会抛出错误。

throw 用作异常规范

throw 关键字除了可以用在函数体中抛出异常，还可以用在函数头和函数体之间，指明当前函数能够抛出的异常类型，这称为异常规范（Exception specification），有些教程也称为异常指示符或异常列表。请看下面的例子：

double func (char param) throw (int);

这条语句声明了一个名为 func 的函数，它的返回值类型为 double，有一个 char 类型的参数，并且只能抛出 int 类型的异常。如果抛出其他类型的异常，try 将无法捕获，只能终止程序。

如果函数会抛出多种类型的异常，那么可以用逗号隔开：

double func (char param) throw (int, char, exception);

如果函数不会抛出任何异常，那么( )中什么也不写：

double func (char param) throw ();

如此，func() 函数就不能抛出任何类型的异常了，即使抛出了，try 也检测不到。

1、虚函数中的异常规范
C++ 规定，派生类虚函数的异常规范必须与基类虚函数的异常规范一样严格，或者更严格。只有这样，当通过基类指针（或者引用）调用派生类虚函数时，才能保证不违背基类成员函数的异常规范。请看下面的例子：

class Base
{
public:
    virtual int fun1(int) throw();
    virtual int fun2(int) throw(int);
    virtual string fun3() throw(int, string);
};
class Derived:public Base
{
public:
    int fun1(int) throw(int);//错！异常规范不如 throw() 严格
    int fun2(int) throw(int);//对！有相同的异常规范
    string fun3() throw(string);//对！异常规范比 throw(int,string) 更严格
}

2、异常规范与函数定义和函数声明
C++ 规定，异常规范在函数声明和函数定义中必须同时指明，并且要严格保持一致，不能更加严格或者更加宽松。

请看下面的几组函数：

//错！定义中有异常规范，声明中没有
void func1();
void func1() throw(int) { }
//错！定义和声明中的异常规范不一致
void func2() throw(int);
void func2() throw(int, bool) { }
//对！定义和声明中的异常规范严格一致
void func3() throw(float, char*);
void func3() throw(float, char*) { }

异常规范使用的时候要谨慎

异常规范的初衷是好的，它希望让程序员看到函数的定义或声明后，立马就知道该函数会抛出什么类型的异常，这样程序员就可以使用 try-catch 来捕获了。如果没有异常规范，程序员必须阅读函数源码才能知道函数会抛出什么异常。

不过这有时候也不容易做到。例如，func_outer() 函数可能不会引发异常，但它调用了另外一个函数 func_inner()，这个函数可能会引发异常。再如，您编写的函数调用了老式的库函数，此时不会引发异常，但是库更新以后这个函数却引发了异常。总之，异常规范的初衷实现起来有点困难，所以大家达成的一致意见是，最好不要使用异常规范。

异常规范是 C++98 新增的一项功能，但是后来的 C++11 已经将它抛弃了，不再建议使用。
另外，各个编译器对异常规范的支持也不一样，请看下面的代码：

#include <iostream>
#include <string>
#include <exception>
using namespace std;
void func()throw(char*, exception)
{
    throw 100;
    cout<<"[1]This statement will not be executed."<<endl;
}
int main()
{
    try
	{
        func();
    }catch(int)
	{
        cout<<"Exception type: int"<<endl;
    }
    return 0;
}

在 GCC 下，这段代码运行到第 7 行时程序会崩溃。虽然 func() 函数中发生了异常，但是由于 throw 限制了函数只能抛出 char*、exception 类型的异常，所以 try-catch 将捕获不到异常，只能交给系统处理，终止程序。
在这里插入图片描述

在 Visual C++ 下，输出结果为Exception type: int，这说明异常被成功捕获了。在 Visual C++ 中使用异常规范虽然没有语法错误，但是也没有任何效果，Visual C++ 会直接忽略异常规范的限制，函数可以抛出任何类型的异常。
在这里插入图片描述

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