C++ 异常处理机制：try、catch 和 throw
异常处理是 C++ 中处理运行时错误的机制，通过 分离正常逻辑与错误处理 提升代码可读性和健壮性。
1. 基本结构
异常处理由三个关键字组成：
-
try：包裹可能抛出异常的代码块。 -
catch：捕获并处理特定类型的异常。 -
throw：主动抛出异常对象。
try {// 可能抛出异常的代码if (error_condition) {throw exception_object; // 抛出异常}
} catch (ExceptionType1 &e) {// 处理 ExceptionType1 类型异常
} catch (ExceptionType2 &e) {// 处理 ExceptionType2 类型异常
} catch (...) {// 捕获所有未处理的异常（不推荐滥用）
}2. 异常处理流程
注意：catch(...)捕获所有异常，但无法获取异常信息，通常用于最后兜底。
- 抛出异常：当
throw执行时，程序立即终止当前代码块，开始查找匹配的catch块。 - 栈展开（Stack Unwinding）：
- 从抛出点开始，逐层退出函数调用栈，直到找到匹配的
catch块。 - 退出时，当前作用域的局部对象会被析构（依赖RAII机制）。
- 从抛出点开始，逐层退出函数调用栈，直到找到匹配的
- 匹配
catch块：catch块按声明顺序匹配异常类型。- 若未找到匹配的
catch块，调用std::terminate()终止程序。
3. 标准异常类
C++ 标准库定义了一组异常类（需包含 <stdexcept>）：
| 异常类 | 说明 |
|---|---|
std::exception | 所有标准异常的基类 |
std::runtime_error | 运行时错误（如无效输入） |
std::logic_error | 逻辑错误（如无效参数） |
std::out_of_range | 访问越界（如 vector::at） |
std::bad_alloc | 内存分配失败（new 失败） |
示例：使用标准异常
#include <stdexcept>
#include <vector>void checkIndex(const std::vector<int>& vec, int index) {if (index < 0 || index >= vec.size()) {throw std::out_of_range("索引越界");}
}4. 自定义异常类
通过继承 std::exception 定义特定错误类型：
#include <exception>
#include <string>class MyException : public std::exception {
public:MyException(const std::string& msg) : msg_(msg) {}const char* what() const noexcept override {return msg_.c_str();}
private:std::string msg_;
};// 使用自定义异常
throw MyException("自定义错误消息");noexcept 关键字
- 声明函数不抛出异常：
void safe_function() noexcept {// 保证不会抛出异常 } - 移动构造函数/析构函数：建议标记为
noexcept，避免容器操作（如std::vector扩容）时回退到低效拷贝。 -
noexcept运算符：检查表达式是否可能抛出异常。bool is_noexcept = noexcept(safe_function()); // true
5. 捕获异常的最佳实践
- 按派生类到基类顺序捕获：确保更具体的异常优先处理。
- 通过引用捕获：避免对象切片（尤其对多态异常类）。
- 处理已知异常：避免滥用
catch (...)。 - 优先使用标准异常类：如
std::runtime_error，而非基本类型。 - 按顺序捕获异常：先捕获派生类，再捕获基类。
- 避免空
catch块：至少记录错误信息。 - 资源管理用RAII：如
std::unique_ptr、std::lock_guard。 - 限制异常使用：仅处理严重错误，避免性能损耗。
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <stdexcept>class FileReader {
public:FileReader(const std::string& filename) : file_(filename) {if (!file_.is_open()) {throw std::runtime_error("无法打开文件: " + filename);}}// 使用RAII自动关闭文件~FileReader() noexcept = default;void read() {// 读取文件内容（可能抛出异常）}private:std::ifstream file_;
};int main() {try {FileReader reader("nonexistent.txt");reader.read();} catch (const std::runtime_error& e) {std::cerr << "错误: " << e.what() << std::endl;} catch (...) {std::cerr << "未知错误" << std::endl;}return 0;
}6. 重新抛出异常
在 catch 块中可重新抛出当前异常（保留原始异常信息）：
catch (const std::exception &e) {std::cerr << "记录错误: " << e.what() << std::endl;throw; // 重新抛出异常，供上层处理
}7. 异常安全（Exception Safety）
确保代码在异常发生时仍保持数据一致性，分三个等级：
| 级别 | 说明 | 实现方法 |
|---|---|---|
| 基本保证 | 异常发生后，对象仍有效且无资源泄漏。 | 依赖RAII（如智能指针、文件句柄） |
| 强保证 | 操作要么完全成功，要么状态回滚到操作前。 | 事务语义或拷贝-交换惯用法 |
| 不抛保证 | 函数保证不抛出异常。 | 使用noexcept声明 |
实现强保证的示例：
void updateData() {auto backup = data_; // 备份原始数据try {modifyData(); // 可能抛出异常的操作} catch (...) {data_ = backup; // 失败时恢复备份throw;}
}8. 异常处理与资源管理（RAII）
通过 资源获取即初始化（RAII） 自动释放资源（如内存、文件句柄），避免异常导致泄漏：
#include <memory>
#include <fstream>void processFile(const std::string& filename) {std::ofstream file(filename); // 文件自动管理if (!file) {throw std::runtime_error("无法打开文件");}// 使用 file 对象，即使抛出异常也会自动关闭文件
}9. 综合示例
#include <iostream>
#include <stdexcept>class NetworkError : public std::runtime_error {
public:NetworkError() : std::runtime_error("网络连接失败") {}
};void connectToServer() {bool connectionFailed = true;if (connectionFailed) {throw NetworkError();}
}int main() {try {connectToServer();} catch (const NetworkError &e) {std::cerr << "错误: " << e.what() << std::endl;// 尝试重连或终止程序} catch (const std::exception &e) {std::cerr << "其他错误: " << e.what() << std::endl;}return 0;
}10. 注意事项
- 析构函数中的异常：析构函数默认应为
noexcept，若抛出异常可能导致程序终止。 - 性能开销：异常处理比返回错误码略慢，但现代编译器优化后差异较小。
- 适用场景：适合处理不可恢复的错误（如文件缺失、内存不足）。
11. 总结
| 关键点 | 说明 |
|---|---|
| 分离错误处理逻辑 | 使主流程代码更清晰 |
| 栈展开与 RAII | 确保资源自动释放，避免泄漏 |
| 自定义异常类 | 提供更清晰的错误信息分类 |
noexcept 优化 | 声明不抛异常的函数以提升性能 |
| 异常安全等级 | 根据需求选择基本、强或无异常保证 |