第9章 異常處理課件

1、第第9 9章章 異常處理異常處理 程序在運行過程中，由于用戶輸入錯誤、越界訪問和系統(tǒng)環(huán)境資源不足等原因，會導致程序運行不正?；虮罎?。程序在設計時必須考慮軟件的容錯能力，即應對運行時可能出現(xiàn)錯誤的位置和錯誤處理方法。在大型應用軟件中，相當一部分代碼是用于處理程序異常狀況的，異常處理是程序的重要組成部分。C+語言的異常處理機制能有效地進行異常檢測、異常拋出、異常捕獲和異常處理，成為提高程序穩(wěn)鍵性的重要手段之一。 本章主要學習異常的拋出和捕獲方法、堆棧展開、重新拋出異常、異常與繼承以及標準庫中的異常類等知識。 9.1 9.1 異常概述異常概述9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制9.3 9.3 構

2、造函數(shù)、析構函數(shù)和異常構造函數(shù)、析構函數(shù)和異常9.4 9.4 標準庫的異常類層次結構標準庫的異常類層次結構9.5 9.5 案例實訓案例實訓第第9 9章章 異常處理異常處理9.1 9.1 異常概述異常概述 程序在設計和運行過程中均可能出現(xiàn)各式各樣的錯誤，依據(jù)錯誤產生的原因，主要分為3類：語法錯誤、邏輯錯誤和運行錯誤。l 語法錯誤是程序在編譯、連接時，編譯器報告的錯誤。此類錯誤產生的原因主要是程序結構不合規(guī)則、變量沒有定義、拼寫錯誤或缺少相關文件等。編譯器基本上能正確指出這類錯誤的位置，修改也比較簡單。l 邏輯錯誤是程序能正常編譯、連接并運行，但結果錯誤或偶爾報錯。此類錯誤是由算法設計有誤或考慮問

3、題不周全等因素引起，通過調試或測試，通常能查找出錯誤的原因。l 運行錯誤是程序在執(zhí)行過程中錯誤的輸入或運行環(huán)境沒有滿足等因素，導致程序非正常終止。運行錯誤雖然是由于軟件在使用過程中用戶使用不當或環(huán)境資源不足等外在因素引起的，但通?？梢允孪阮A料。 異常處理(Exception Handling)就是在運行時刻對運行錯誤進行檢測、捕獲和提示等過程。傳統(tǒng)的C語言處理運行時錯誤的方法是用if-else語句檢測處理可能發(fā)生的異常，其特征是測試程序是否被正確地執(zhí)行。如果不是，則執(zhí)行錯誤處理代碼，否則繼續(xù)運行。雖然這種方式的異常處理也能滿足設計要求，但是程序的正常處理流程和錯誤處理邏輯混合在一起，正常的程序

4、流程被“淹沒”在異常判斷與處理之中，增加了閱讀、修改和維護程序的難度，在多人合作開發(fā)的大型軟件中該問題更加突出。9.1 9.1 異常概述異常概述9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制 異常處理作為C+語言的一部分，引入了關鍵字try(檢測異常)、throw(拋出異常)和catch(捕獲異常)。在函數(shù)中檢測到某種錯誤發(fā)生后，函數(shù)自己并不處理異常，而是由throw語句引發(fā)并拋出異常，僅告知調用函數(shù)發(fā)生了什么異常。在調用函數(shù)中用try-catch語句檢測異常并處理。如果拋出的異常沒有被調用函數(shù)捕獲處理，異常就被傳遞到更高一層的函數(shù)調用，最后到達主函數(shù)。9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制9.2

5、.1 異常的拋出 拋出異常的語法格式為： throw 表達式 如果在某段程序中檢測到可能發(fā)生的異常，則用throw語句拋出表達式的值作為發(fā)生的異常，異常的數(shù)據(jù)類型是異常捕獲的依據(jù)。若函數(shù)執(zhí)行了throw語句，則其后的語句將不再執(zhí)行，程序流程將返回到調用函數(shù)，其功能與return語句相似。 拋出的異常在調用函數(shù)中捕獲并處理，調用函數(shù)中需要用try-catch結構語句來捕獲異常并處理?！纠?-1】零為除數(shù)的異常處理。9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制程序說明： (1)從運行結果可知，程序運行到divide(34, 0)時，函數(shù)拋出了異常，并被第2個catch塊捕獲，輸出錯誤提示信息。try塊

6、中的后面兩個語句均沒有被執(zhí)行，程序正常結束。try塊后面的catch塊有兩個。由于divide函數(shù)拋出的值是int類型，故與第2個catch塊相匹配。異常捕獲的匹配原則是拋出的表達式的數(shù)據(jù)類型與catch塊聲明的類型是否一致。 (2)如果通過注釋符消除divide函數(shù)中throw語句的作用，則運行程序時將出現(xiàn)如圖9-1所示的對話框。如果在主函數(shù)中去除try和catch語句，則程序因沒有捕獲和處理異常語句，在運行時將彈出調試對話框。9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制【例9-2】允許錯誤輸入的計算三角形面積程序。程序說明： (1)運行時輸入的第一行數(shù)據(jù)2、6、9為不能構成三角形的錯誤數(shù)據(jù)，程

7、序能給出錯誤提示并繼續(xù)運行。異常處理機制使得程序具有容錯能力。 (2)throw string(“錯誤：三角形兩邊之和不能小于第三邊?！?語句中的string不能少，否則程序會因異常類型不匹配而終止。9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制9.2.2 異常的捕獲與處理try-catch語句是專門用于捕獲處理異常的語句，其格式如下：try catch( ) catch( ) catch(.) 9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制說明：(1)try子句中的程序段稱為受保護代碼塊(又稱try代碼塊)，該代碼塊中包含可能引發(fā)異常的代碼。異?？赡苁怯蓆ry代碼塊中的代碼直接產生，也可能是由于調用其他

8、函數(shù)產生的，或者由于代碼塊中的代碼啟動的深層嵌套函數(shù)調用產生的。try代碼塊中直接或間接地存在可能拋出異常的throw語句。(2)緊隨try子句之后是catch子句，一個try子句可以有多個catch子句。通常每個catch子句僅能捕獲一類異常，catch子句的括號中只能有一種異常類型和一個異常變量，用于指明該子句所捕獲的異常類型和接受所捕獲對象或值。catch(.)是能匹配任何異常類型的catch子句，不過它不能判別所捕獲的異常類型和具體的異常變量值，故不能提供準確的錯誤信息，在多個catch子句中通常它排在最后。9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制如果用兩個及以上不同的catch子句捕

9、獲同一種類型的異常，則會產生編譯時錯誤。(3)catch子句捕獲異常后，對應異常處理代碼將被執(zhí)行。通常處理代碼所完成的操作有：給出錯誤提示、資源回收、消除出錯影響、重新拋出異常等。(4)try-catch語句僅適合處理異常，并不對程序的正常流程產生作用。此外，catch子句只能捕獲由其自身所在異常處理塊引發(fā)的異常。(5)如果拋出的異常沒有找到相匹配的catch子句，則該異常將被傳遞到外層作用域,即調用該異常處理模塊的主調函數(shù)。9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制【例9-3】求一元二次方程的根，用異常進行容錯處理。 9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制程序說明：(1)C+語言中，對結構體

10、類型進行了擴充。與類類型相似，既可以定義數(shù)據(jù)成員，也可以定義成員函數(shù)。它們的差別僅僅是結構體默認的訪問控制為public，而類為private。例程中root結構體用于記錄方程的根,并重載了流輸出運算符。(2)while(cin a b c)循環(huán)語句中用數(shù)據(jù)輸入語句cin a b c為判別條件。Z是流結束標志，當cin從輸入緩沖中檢測到Z，則返回0，于是程序結束循環(huán)。事實上，如果輸入任何一個非數(shù)值字母，由于字母不是實型數(shù)，cin也返回0，循環(huán)同樣結束。9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制9.2.3 重新拋出異常與堆棧展開 catch子句捕獲異常后，有可能不能完全處理該異常，此時catch子

11、句在完成一些自己的處理后，可以將該異常重新拋出(Rethrow)，把異常傳遞給函數(shù)調用鏈中上一級的try-catch代碼塊進行捕獲處理。如果上一級調用函數(shù)沒有捕獲從被調函數(shù)傳遞的異?；蛘呔蜎]有try-catch語句，則該異常被傳遞到更上一級的catch子句，這種傳遞終止于主函數(shù)。如果主函數(shù)也沒有處理該異常，則調用在C+標準庫中定義的函數(shù)terminate()函數(shù)終止程序。l 重新拋出異常語句為空throw語句，即throw;語句。l 拋出的異常沿著逆函數(shù)調用鏈向上傳遞，終止于捕獲并處理異常的函數(shù)。 9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制l 在函數(shù)調用與被調用的過程中，程序形成了一個函數(shù)調用鏈

12、。在程序的堆棧區(qū)，調用函數(shù)的活動記錄和自動變量依照函數(shù)調用鏈的順序壓入堆棧。如果被拋出的異常在當前函數(shù)中沒有捕獲處理或重新拋出該異常，則函數(shù)調用堆棧便被“展開”，當前函數(shù)將終止執(zhí)行，自動變量被銷毀，活動記錄被彈出，流程返回到上一級調用函數(shù)。從本質上說，堆棧展開(Stack Unwinding )是異常處理的核心技術。l 堆棧在展開期間，函數(shù)將結束執(zhí)行，編譯器能保證釋放異常發(fā)生之前所創(chuàng)建的局部對象。如果局部對象是類類型的，則自動調用該對象的析構函數(shù)。l 異常使用不當可能導致動態(tài)內存空間“泄漏”。如果函數(shù)執(zhí)行過程中，已用new創(chuàng)建一個對象，但在用delete撤消該對象之前引發(fā)了異常，程序控制流程離

13、開了當前函數(shù)，指向動態(tài)對象的指針隨著堆棧展開被清除，而動態(tài)內存中的對象卻不能自動回收，就會造成內存泄漏。9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制下面的程序將導致動態(tài)內存空間釋放語句沒有執(zhí)行：#include using namespace std;double divide(double *m, double *n) if(*n) = 0)throw n;return *m/(*n);int main() try double *pm = new double(100);double *pn = new double(0);cout *pm / *pn = divide(pm,pn) endl

14、;delete pm;delete pn;catch(double *exp) cout 分母不能為 *exp endl;return 0;9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制l 當異常處理模塊在接收到一個異常時，可能無法或只能部分處理該異常，此時異常處理代碼模塊可以拋出該異常。下面的例子演示了異常重新拋出和terminate()終止函數(shù)的用法?！纠?-4】重新拋出異常。9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制程序說明：(1) 程序中，主函數(shù)調用functionA()，functionA()調用了functionB()，functionB()又調用functionC()。函數(shù)functio

15、nC()產生的異常被重新拋出，該異常沿逆函數(shù)調用鏈一直傳遞到主函數(shù)。 函數(shù)functionB()沒有捕獲函數(shù)functionC重新拋出的異常，異常直接傳遞到函數(shù)functionA。函數(shù)functionA的處理代碼僅輸出了字符串，又重新拋出異常。在主函數(shù)中輸出傳遞的異常內容后，也同樣拋出該異常。(2) 主函數(shù)調用terminate函數(shù)處理異常，該函數(shù)默認是調用系統(tǒng)的abort()函數(shù)。如圖9-2所示為terminate函數(shù)調用abort()函數(shù)出現(xiàn)的錯誤提示對話框。9.2 9.2 異常處理機制異常處理機制l 去除程序中的注釋符，即讓函數(shù)ending()和set_terminate()生效，再執(zhí)行

16、程序，運行結果在最后一行顯示“程序異常結束！”信息，不再彈出如圖9-2所示的對話框。(3)函數(shù)functionA()中的cout“函數(shù)A調用了函數(shù)B!”，使用戶可以像使用普通指針一樣使用auto_ptr對象。l auto_ptr對象被稱為智能指針，它解決了異?？赡軐е聝却嫘孤┑膯栴}。但是，它并不是完美無缺的，一般不能用它指向數(shù)組，更不要將auto_ptr對象作為STL容器的元素。在新的C+標準中，shared_ptr將作為更好的方案，用于替代auto_ptr。l 程序運行時，系統(tǒng)分配給程序的動態(tài)內存空間是有限的。當new運算符執(zhí)行失敗時，C+標準規(guī)定將拋出一個bad_alloc異常。Visua

17、l C+ 2010支持該標準，但早期的Visual C+ 6.0在new失敗時只是返回0。9.3 9.3 構造函數(shù)、析構函數(shù)和異常構造函數(shù)、析構函數(shù)和異?！纠?-5】在構造函數(shù)中引發(fā)異常和auto_ptr應用。9.3 9.3 構造函數(shù)、析構函數(shù)和異常構造函數(shù)、析構函數(shù)和異常程序說明： (1)程序中定義了一個用于描述動物信息的類AnimalInfo，分別用于存儲動物圖片、叫聲和視頻的3個類(Picture、Sound、Video)均使用了動態(tài)存儲空間，并且為能引發(fā)異常申請了較大的內存空間。 所有的類均遵循：在構造函數(shù)中，用new運算符申請分配內存空間。在析構函數(shù)中，用delete運算符釋放內存空

18、間。從程序運行結果可知，程序在創(chuàng)建“獅子”對象時，執(zhí)行到video = new Video;語句拋出了bad_alloc異常。此時獅子對象Picture和Sound子對象已被創(chuàng)建，但它們的析構函數(shù)因異常的拋出而沒有執(zhí)行，引發(fā)內存泄漏。 “大象”對象因已完全構造，其析構函數(shù)正常運行，不受異常影響，故不存在內存泄漏。9.3 9.3 構造函數(shù)、析構函數(shù)和異常構造函數(shù)、析構函數(shù)和異常(2)2)運行結果的最后一行內容運行結果的最后一行內容bad allocationbad allocation為為bad_allocbad_alloc異常返回的信息。異常返回的信息。(3)(3)程序中給出了程序中給出了An

19、imalInfoAnimalInfo類的另一種實現(xiàn)。去除注釋類的另一種實現(xiàn)。去除注釋/ /* *和和* */ /，為前面的，為前面的AnimalInfoAnimalInfo類實現(xiàn)加上注釋。運行程序，得到下面的結果：類實現(xiàn)加上注釋。運行程序，得到下面的結果：call Picture Constructor.call Sound Constructor.call Video Constructor.大象對象調用AnimalInfo構造函數(shù)。call Picture Constructor.call Sound Constructor.call Sound Destructor.call Pictu

20、re Destructor.大象對象調用AnimalInfo析構函數(shù)。call Video Destructor.call Sound Destructor.call Picture Destructor.bad allocation9.3 9.3 構造函數(shù)、析構函數(shù)和異常構造函數(shù)、析構函數(shù)和異常l 從該結果可見，程序也是在為“獅子”對象分配Video空間時發(fā)生bad_alloc異常，但沒有產生內存泄漏，因為Sound和Picture類的析構函數(shù)均被執(zhí)行，釋放了已分配的內存。l 析構函數(shù)的作用是釋放對象構造時所占用的資源，那么析構函數(shù)中拋出異常將會發(fā)生什么呢？當程序在為某個異常進行堆棧展開時，

21、析構函數(shù)如果再拋出異常，將會導致調用標準庫中的terminate函數(shù)，通常再引發(fā)調用abort函數(shù)，使程序非正常終止。9.4 9.4 標準庫的異常類層次結構標準庫的異常類層次結構 C+的異常類型既可以是int、double等基本數(shù)據(jù)類型，也可以是結構體、類等用戶自定義的構造數(shù)據(jù)類型。程序中如果用基本數(shù)據(jù)類型表示異常，存在異常含義難以區(qū)分的問題。例如，程序中不能多處拋出含有不同語義的int類型異常，否則將難以區(qū)分這些異常的含義。 良好的編程規(guī)范是利用類的繼承性構建一個異常類型的架構，對錯誤進行歸類和描述。在C+的標準庫中定義了一個異常類層次，其結構如圖9-3所示。9.4 9.4 標準庫的異常類層

22、次結構標準庫的異常類層次結構9.4 9.4 標準庫的異常類層次結構標準庫的異常類層次結構 C+標準庫的異常類分別定義在4個頭文件中：頭文件中定義了異常類exception；頭文件中定義了runtime_error和logic_error異常類及其子類；頭文件中定義了bad-alloc異常類；頭文件中定義了bad_cast異常類。 exception異常類包含了虛函數(shù)what()，在派生類中可以對其重新定義，生成相應的錯誤消息?；恊xception只通知異常的產生，不提供更多的信息。 runtime_error異常類用于描述在運行時才能檢測到的錯誤，它派生了以下3個子類：l range_err

23、or：該異常類用于描述結果超出了有意義的值域范圍。l overflow_error：該異常類用于表示計算上溢。l underflow_error：該異常類用于描述計算下溢。9.4 9.4 標準庫的異常類層次結構標準庫的異常類層次結構l logic_error異常類表示邏輯錯誤，用來描述在程序運行前檢測到的錯誤。logic_error的派生類domain_error異常類表示參數(shù)的結果值不存在；invalid_argument異常類表示不合適的參數(shù)；length_error異常類用于描述試圖生成一個超出該類型最大長度的對象；out_of_range異常類表示使用了一個超出有效范圍的值。l bad

24、_alloc異常類用于描述因無法分配內存而由new拋出的異常。l bad_cast異常類是在dynamic_cast失敗時拋出該異常類對象，dynamic_cast運算符的作用是進行類型轉換，dynamic_cast主要用于類層次間的上行轉換和下行轉換，還可以用于類之間的交叉轉換。l 標準異常類可以直接應用于程序中，也可以在已定義的異常類之上派生出自定義的異常類型。l 順序表是一種重要的數(shù)據(jù)結構，它使用一塊連續(xù)的內存空間保存數(shù)據(jù)元素，并用元素所存儲的物理位置來表示元素之間的先后關系。順序表在創(chuàng)建和使用時可能因自由存儲空間不足出現(xiàn)異常，可能由于訪問、插入或刪除操作所指定的位置錯誤出現(xiàn)訪問錯誤，也可能因存儲空間已滿，不能再插入新元素，需要引發(fā)異常?！纠?-6】標準異常類應用。設計具有異常處理功能的順序表類。9.4 9.4 標準庫的異常類層次結構標準庫的異常類層次結構程序說明：(1) 在SeqList類的I