C++代码规范之异常处理：正确实践与规避常见陷阱

# 1. C++异常处理基础

在编写C++程序时，处理错误是保证程序稳定性和可靠性的重要环节。异常处理机制能够优雅地应对运行时发生的非预期情况，其重要性不言而喻。异常处理提供了一种结构化的方法，用于从程序中分离出错误处理代码，使主程序的逻辑更加清晰。本章我们将从基础入手，介绍异常处理的基本概念、异常的类型、以及如何使用try-catch语句块来捕获和处理异常。我们将以示例代码为引导，解释如何在实际编程中应用这些基础知识，为深入理解后续章节的高级用法打下坚实基础。

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# 第二章：规范的异常处理实践

## 2.1 异常处理的设计原则

异常处理不仅仅是编写代码时的错误检查机制，它还涉及到程序设计的多个层面。正确、规范地处理异常能够提高软件的可靠性、可维护性以及用户体验。

### 2.1.1 异常安全性的概念

异常安全性是指在异常发生时，程序仍能保持资源状态的一致性，确保不泄露资源、不破坏数据，并允许程序恢复到一个安全的状态继续执行。异常安全性是C++异常处理中一个重要的设计原则。

#### 1. 基本保证（Basic Guarantee）

这是异常安全性最基本的保证。在异常发生时，程序能够释放已分配的资源，但不能保证对象的状态是完全可预测的。基本保证常常通过RAII（Resource Acquisition Is Initialization）模式实现资源管理，确保对象在其作用域结束时自动释放资源。

void ResourceHolder::AcquireResource() {
    resource = Acquire(); // Acquire may throw
}

void ResourceHolder::ReleaseResource() {
    Release(resource); // assume Release does not throw
}

#### 2. 强烈保证（Strong Guarantee）

强烈保证意味着在发生异常时，程序的状态不会改变，即要么完全成功，要么保持在异常抛出前的原始状态。通常使用事务或拷贝和交换技术来实现。

void MyClass::Commit() {
    // If anything throws, the object is still in a valid state
    CommitToDatabase();
    CommitToFileSystem();
}

void MyClass::Abort() {
    // Roll back any changes that were made prior to the exception
    RollbackDatabase();
    RollbackFileSystem();
}

#### 3. 不抛异常保证（No-throw Guarantee）

不抛异常保证意味着该函数承诺在任何情况下都不会抛出异常，且始终能够成功执行。这在涉及到资源分配的构造函数中尤其重要。

### 2.1.2 异常分类和处理策略

合理的异常分类和处理策略有助于开发者更好地理解和应对程序中可能出现的错误情况，确保异常被恰当地处理，避免未预料到的程序终止。

#### 异常分类

在C++中，异常可以基于其类型、错误条件或对系统的影响进行分类。常见的分类方法包括：

- 输入错误：如文件不存在、无效的参数值等。
- 硬件错误：如内存不足、磁盘空间不足等。
- 系统错误：如网络问题、系统调用失败等。
- 逻辑错误：如空指针解引用、越界访问等。

#### 处理策略

处理异常的策略通常有：

- 忽略异常：在某些特定场景下，如果异常不影响程序的主要功能，可以被设计为忽略。
- 日志记录：记录异常信息，便于后续分析和调试。
- 重试：对于某些可重试的操作，异常发生时可以尝试重新执行。
- 传播：将异常传递给调用者或异常处理框架。

#### 代码实现与分析

void DoWork() {
    try {
        // Work that might throw an exception
        MaybeThrowAnException();
    } catch (const std::exception& ex) {
        // Log the exception
        Log(ex.what());
        // Handle the exception
        HandleError(ex);
        // Redundant for strong/exceptional guarantee
        // but sometimes useful for basic guarantee
        if (/* condition to abort */) {
            Abort();
            throw; // Re-throw the caught exception
        }
    }
}

异常被成功捕获后，通常会执行一些清理工作，如释放资源、记录日志。在上面的示例中，异常对象的类型是`std::exception`，这是C++标准异常类层次结构的基类。通过捕获这个基类，我们能够捕获所有派生自`std::exception`的异常。

## 2.2 正确使用异常类

正确地使用异常类可以帮助开发者编写更清晰、更易于维护的代码，并且可以利用现有的异常类来简化错误处理。

### 2.2.1 标准异常类的使用

C++标准库提供了一系列标准异常类，它们被组织在`std::exception`类层次结构中，用于表示不同类型的错误情况。

#### 主要的异常类

- `std::exception`：所有标准异常的基类。
- `std::runtime_error`：表示运行时发生的错误。
- `std::logic_error`：表示逻辑错误，通常可以通过检查程序逻辑来预防。
- `std::invalid_argument`：传递给函数的参数无效时抛出。
- `std::out_of_range`：值超出预期范围时抛出。
- `std::length_error`：尝试创建超出该类型最大长度的对象时抛出。

#### 使用示例

void ProcessData(std::vector<int>& data) {
    if (data.empty()) {
        throw std::invalid_argument("Data cannot be empty.");
    }
    // Process the data
}

在该示例中，如果函数接收到空的`std::vector`，则会抛出`std::invalid_argument`异常。这种方式清晰地表明了期望的数据条件，并将错误处理的职责传递给了调用者。

### 2.2.2 自定义异常类的设计

在某些情况下，标准异常类无法精确表示特定应用程序的错误情况，这时就需要设计自定义异常类。

#### 自定义异常类的要素

- 明确的错误类型标识。
- 包含错误的详细信息，方便调试。
- 可以从标准异常类继承，也可以根据需要设计全新的异常层次结构。

#### 设计自定义异常类

class MyCustomException : public std::exception {
public:
    explicit MyCustomException(const std::string& message)
        : msg_(message) {}

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

private:
    std::string msg_;
};

通过继承`std::exception`，`MyCustomException`类拥有一个`what()`成员函数，该函数返回描述异常的字符串。通过自定义构造函数，可以在异常对象中保存额外的信息。

自定义异常类通过这样的设计能够提供清晰的、具有语义的信息，这比使用标准异常类更加有利于错误处理和调试。

## 2.3 异常的捕获与处理

异常捕获是异常处理流程中的关键部分，合理的异常捕获策略可以确保程序的健壮性和错误信息的有效传递。

### 2.3.1 使用try-catch块进行异常捕获

异常捕获通常在`try`块中进行，其后跟一个或多个`catch`块，用于捕获和处理不同类型的异常。

#### try-catch块的结构

try {
    // Code that may throw exceptions
} catch (const std::exception& e) {
    // Handle standard exceptions
} catch (const MyCustomException& e) {
    // Handle custom exceptions
} catch (...) {
    // Catch-all for any other exceptions
}

#### 捕获策略

- **指定异常类型**：只捕获特定的异常类型，避免捕获所有异常，这有助于确保异常正确地被处理，并且不会隐藏程序中的其他错误。
- **避免空catch块**：空的`catch`块会捕获异常并什么都不做，这应该被避免，因为它会隐藏错误，并且使调试变得困难。
- **异常的再抛出**：如果当前`catch`块不能完全处理异常，应考虑重新抛出异常。

#### 代码分析

try {
    // Potentially risky operations
} catch (const std::exception& e) {
    // Handle s