C++异常处理实战指南：从std::exception到自定义异常的全面解析

1、何为异常处理

在C++编程中，异常处理是一种专门用于管理程序运行时可能出现的错误或异常状况的核心机制。当程序执行过程中遭遇无法预期的状况时，可以利用这套机制来捕获、传递并最终处理这些异常，从而有效保障程序的稳定运行与可靠性。

异常处理主要包含以下三个关键环节：

1. 抛出异常（Throwing Exceptions）：当代码执行过程中检测到错误条件时，可以使用 throw 关键字主动抛出一个异常。这个异常通常是一个代表错误状态的对象，它可以是C++标准库中预定义的异常类型，也可以是开发者根据业务需求自定义的类型。
   throw SomeException(); // 抛出异常对象

2. 捕获异常（Catching Exceptions）：使用 try 和 catch 代码块来捕获异常。try 块用于包裹可能抛出异常的代码段，而紧随其后的一个或多个 catch 块则用于捕获并处理特定类型的异常。

   try {
       // 可能抛出异常的代码
   } catch (SomeException& e) {
       // 处理 SomeException 类型的异常
   } catch (AnotherException& e) {
       // 处理 AnotherException 类型的异常
   } catch (...) {
       // 处理其他所有未明确捕获类型的异常
   }

3. 处理异常（Handling Exceptions）：在 catch 块中，对捕获到的异常执行相应的处理逻辑。这可以包括记录错误日志、恢复程序状态、清理资源或重新抛出异常供上层处理。理想情况下，异常处理应使程序恢复到稳定状态并继续执行，或将错误清晰地传递给调用者。

这套机制为处理程序运行时千变万化的异常情况提供了一种结构化的方法，显著增强了程序的健壮性。深入理解异常与其他错误处理机制的区别，有助于在复杂项目中做出更合适的设计选择。

2、C++标准库中的异常类型

C++标准库提供了一系列从 std::exception 基类派生而来的标准异常类，用于表示常见的错误场景。这种标准化的异常体系有助于统一错误处理方式。以下是一些最常用的标准异常类：

1. std::logic_error：表示程序逻辑上的错误，通常由编码失误导致。其常见派生类包括：

   • std::invalid_argument：传递给函数的参数无效。
   • std::length_error：容器操作试图超出其最大允许长度。
   • std::out_of_range：访问数组、字符串等容器时索引超出有效范围。

2. std::runtime_error：表示程序运行时发生的错误，通常与环境或资源相关。其常见派生类包括：

   • std::overflow_error：算术运算结果上溢出。
   • std::underflow_error：算术运算结果下溢出。
   • std::range_error：数值结果超出了可表示的范围。

3. std::bad_alloc：当 new 操作符无法分配请求的内存时抛出，通常意味着内存耗尽。

4. std::bad_cast：当 dynamic_cast 对引用类型进行运行时类型转换失败时抛出。

5. std::bad_typeid：当 typeid 运算符的操作数为空指针时抛出。

此外，标准库还有其他异常类，如 std::ios_base::failure 用于表示I/O流操作失败。在异常处理实践中，通常应捕获最具体的异常类型并进行针对性处理，这能极大提升程序的可靠性和可调试性。

3、如何创建自定义异常

虽然标准异常覆盖了许多场景，但在实际项目中，我们经常需要定义与特定业务逻辑相关的异常。在C++中，可以通过继承 std::exception 类来创建自定义异常。

自定义异常类允许你携带更丰富的错误上下文信息。通常，你需要：

1. 继承 std::exception。
2. 添加一个或多个构造函数，用于初始化异常信息。
3. 重写 what() 虚函数，返回描述异常的C风格字符串。

以下是一个简单的自定义异常实现示例：

#include <iostream>
#include <exception>
#include <string>

// 自定义异常类 MyException，继承自 std::exception
class MyException : public std::exception {
private:
    std::string message; // 用于存储异常详细信息

public:
    // 构造函数，初始化异常信息
    MyException(const std::string& msg) : message(msg) {}

    // 重写 what() 方法，返回异常描述
    const char* what() const noexcept override {
        return message.c_str();
    }
};

int main() {
    try {
        // 抛出自定义异常
        throw MyException("This is a custom exception!");
    } catch (const MyException& e) {
        // 捕获并处理自定义异常
        std::cerr << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

在这个示例中，MyException 类封装了一个字符串信息。在 main 函数中，我们抛出一个该类型的异常对象，并在 catch 块中捕获它，打印出我们自定义的错误信息。这种面向对象的设计思想在构建复杂的错误处理体系时非常有用。

4、异常处理的优点与争议

异常处理作为一种错误管理策略，有其显著优势，但也伴随着一些争议和需要注意的缺点。

优点：

1. 错误处理代码分离：异常机制允许将正常的业务逻辑代码与错误处理代码分离，使得主流程更清晰易读，提升了代码的可维护性。
2. 错误传播自动化：异常可以自动沿调用栈向上传播，直到被合适的 catch 块捕获。这省去了通过返回值逐层检查错误的繁琐。
3. 适用于构造函数：构造函数没有返回值，无法通过返回错误码来报告失败。异常是处理构造函数失败（如资源分配失败）的唯一可靠方式。
4. 强制处理错误：未被捕获的异常会导致程序终止，这迫使开发者必须考虑和处理可能的错误路径。

缺点与争议：

1. 性能开销：抛出和捕获异常涉及栈展开等操作，相较于简单的错误码返回，会有额外的运行时开销。在性能极度敏感或实时性要求高的场景（如嵌入式系统、游戏核心循环）中需谨慎使用。
2. 控制流模糊：异常使程序的执行流程跳转变得不那么直观，增加了代码的理解和调试难度。
3. 资源管理复杂性：如果异常发生在资源（如内存、文件句柄、锁）持有期间，必须确保异常安全，即使用RAII（资源获取即初始化）等技术保证资源能被正确释放，避免泄漏。
4. 过度使用风险：异常应用于处理“异常”情况，即那些罕见的、预料之外的错误。将其用于常规控制流（如替代函数返回值）是一种糟糕的做法，会破坏代码结构。

实战示例：除法运算的异常处理

下面的代码展示了如何使用异常处理除零错误：

#include <iostream>
#include <stdexcept> // 包含标准异常类的头文件

// 函数：计算两个数相除，除数为零时抛出异常
double divide(double numerator, double denominator) {
    if (denominator == 0) {
        // 抛出标准异常，明确错误原因
        throw std::invalid_argument("Denominator cannot be zero");
    }
    return numerator / denominator;
}

int main() {
    double a = 10.0;
    double b = 0.0;

    try {
        double result = divide(a, b); // 可能抛出异常
        std::cout << "Result: " << result << std::endl;
    } catch (const std::invalid_argument& e) {
        // 集中处理特定类型的异常
        std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;
        // 此处可进行恢复操作，如设置默认值、记录日志等
    }

    return 0;
}

此示例体现了异常处理的优点：divide 函数的职责单一（计算），错误处理被转移到了 main 函数的 catch 块中，逻辑清晰。然而，这也反映了其缺点：即使没有发生异常（b != 0），try 块的引入也带来了一些细微的性能开销。在实际项目中，是否采用异常，需要权衡清晰度、安全性与性能之间的关系。