C和C++中的异常处理

1、简介

许多的编程新手对异常处理视而不见，程序里很少考虑异常情况。一部分人甚至根本就不考虑，以为程序总是能以正确的途径运行。譬如我们有的程序设计者调用fopen打开一个文件后，立马就开始进行读写操作，根本就不考虑文件是否正常打开了。在编程过程中恰当地使用异常处理可以增强软件的健壮性。本文将介绍C和C++对于异常处理的一些常用方法。

2、C语言的异常处理

2.1、无条件终止

标准C库提供了exit()和abort()两个函数，它们可以强行终止程序的运行，其声明处于<stdlib.h>头文件中。这两个函数本身不能检测异常，但在C程序发生异常后经常使用这两个函数进行程序终止。下面的这个例子描述了exit()的行为：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main(void)

{

printf("this will be executed\n");

exit(EXIT_SUCCESS);

printf("this will not be executed\n");

return 0;

}

输出结果为：

this will be executed

在这个例子中，main函数在输出了“this will be executed”之后就执行了exit函数（此函数原型为void exit(int)），因此，程序不会输出" this will not be executed "。程序中的exit(EXIT_SUCCESS)表示程序正常结束，与之对应的exit(EXIT_FAILURE)表示程序执行错误，只能强行终止。EXIT_SUCCESS、EXIT_FAILURE分别定义为0和1。对于exit函数，我们可以利用atexit函数为exit事件"挂接"另外的函数，这种"挂接"有点类似Windows编程中的"钩子"（Hook）。例如：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

static void atExitFunc(void)

{

printf("atexit hooked function\n");

}

int main(void)

{

atexit(atExitFunc);

printf("this will be executed\n");

exit(EXIT_SUCCESS);

printf("this will not be executed\n");

return 0;

}

输出结果为：

this will be executed

atexit hooked function

在这个例子中，main函数在输出了“this will be executed”之后就执行了exit函数，因此程序不会输出" this will not be executed "，但在程序退出前会执行atExitFunc函数，输出“atexit hooked function”。

如果把上面例子中的“exit(EXIT_SUCCESS);”语句注释掉，

则输出结果如下：

this will be executed

this will not be executed

atexit hooked function

这说明，即便是我们不调用exit函数，当程序本身退出时，atexit挂接的函数仍然会被执行。atexit可以被多次执行，并挂接多个函数，这些函数的执行顺序为后挂接的先执行，例如：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

static void atExitFunc1(void)

{

printf("atexit hooked function 1\n");

}

static void atExitFunc2(void)

{

printf("atexit hooked function 2\n");

}

static void atExitFunc3(void)

{

printf("atexit hooked function 3\n");

}

int main(void)

{

atexit(atExitFunc1);

atexit(atExitFunc2);

atexit(atExitFunc3);

return 0;

}

输出结果为：

atexit hooked function 3

atexit hooked function 2

atexit hooked function 1

另一个异常终止函数abort（此函数不带参数，原型为void abort（void））会直接退出程序。例如：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main(void)

{

printf("this will be executed\n");

abort();                                             //这里不是用exit来退出

printf("this will not be executed\n");

return 0;

}

在Visual C++中的debug模式运行时弹出下图1所示的对话框。

图1

虽然exit 和abort两个函数在概念上是相联系的，但它们的效果不同：

abort()：程序异常结束。默认情况下，调用abort()导致运行期诊断和程序自毁。它

可能会也可能不会刷新缓冲区、关闭被打开的文件及删除临时文件，这依赖于你的编译

器的具体实现。

exit()：文明地结束程序。除了关闭文件和给运行环境返回一个状态码外，exit()还调

用了你挂接的atexit()处理程序。

一般调用abort()处理灾难性的程序故障。因为abort()的默认行为是立即终止程序，

你就必须负责在调用abort()前存储重要数据。

相反，exit()会执行用atexit()挂接的函数，你可以把作挂接的函数当做虚拟析构器。执行必要的clean up 代码，你可以安全地终止程序而没有留下尾巴。

2.2、有条件终止

abort()和exit()让你无条件终止程序。你还可以有条件地终止程序。其实现体系是每

个程序员所喜爱的诊断工具：断言，定义于<assert.h>。 assert宏在C语言程序的调试中发挥着重要的作用，它用于检测不会发生的情况，表明一旦发生了这样的情况，程序就实际上执行错误了。先来看看assert的宏定义

#ifdef  NDEBUG

#define assert(exp)     ((void)0)

#else

#ifdef  __cplusplus

extern "C" {

#endif

_CRTIMP void __cdecl _assert(void *, void *, unsigned);

#ifdef  __cplusplus

}

#endif

#define assert(exp) (void)( (exp) || (_assert(#exp, __FILE__, __LINE__), 0) )

#endif  /* NDEBUG */

如果程序不在debug模式下，assert宏实际上什么都不做，所以在assert宏中的表达式不能有副作用。看如下的例子：

for(int i=10;i>-5;i++)

{

……

assert((i--)!=0)         //这个语句在debug模式下可以起到递减i的作用，但不在

//debug模式下时，assert宏什么都不做，递减i的作用将失效

……

}

在debug模式下，assert宏实际上是对_assert()函数的调用，这个函数通常有如下形式的定义：

void _assert(int test, char const *test_image,

char const *file, int line)

{

if (!test)

{

printf("Assertion failed: %s, file %s, line %d\n",

test_image, file, line);

abort();

}

}

所以，失败的断言在调用abort()前显示出失败情况的诊断条件、出错的源文件名称和

行号。它们实际上是一个带说明信息的abort()并做了前提条件检查，如果检查失败，程序中止。例如下列程序：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <assert.h>

char * myStrcpy( char *strDest, const char *strSrc )

{

char *address = strDest;

assert( (strDest != NULL) && (strSrc != NULL) );

while( (*strDest++ = *strSrc++) != '\0' );

return address;

}

int main(void)

{

myStrcpy(NULL,NULL);

return 0;

}

代码中包含断言assert( (strDest != NULL) && (strSrc != NULL) )，它的意思是源和目的字符串的地址都不能为空，一旦为空，程序实际上就执行错误了，会引发一个abort。

失败的断言也会弹出如图1所示的对话框，这是因为_assert()函数中也调用了abort()函数，并且控制台输出结果如图2：

图2

2.3、全局标记（errno）

errno在C程序中是一个全局变量，这个变量由C运行时库函数设置，用户程序需要在程序发生异常时检测之。C运行库中主要在math.h和stdio.h头文件声明的函数中使用了errno，前者用于检测数学运算的合法性，后者用于检测I/O操作中（主要是文件）的错误，例如：

#include <errno.h>

#include <math.h>

#include <stdio.h>

int main(void)

{

errno = 0;

if (NULL == fopen("d:\\1.txt", "rb"))

{

printf("%d\n", errno);

}

else

{

printf("%d\n", errno);

}

return 0;

}

在此程序中，如果文件打开失败（fopen返回NULL），证明发生了异常。我们读取error可以获知错误的原因，如果D盘根目录下不存在"1.txt"文件，将输出2，表示文件不存在；在文件存在并正确打开的情况下，将执行到else语句，输出0，证明errno没有被设置。

Visual C++提供了两种版本的C运行时库。一个版本供单线程应用程序调用，另一个版本供多线程应用程序调用。多线程运行时库与单线程运行时库的一个重大差别就是对于类似errno的全局变量，每个线程单独设置了一个。因此，对于多线程的程序，我们应该使用多线程C运行时库，才能获得正确的error值。

另外，在使用errno之前，我们最好将其设置为0，即执行errno = 0的赋值语句。

2.4、其他

除了上述异常处理方式外，在C语言中还支持非局部跳转（使用setjmp和longjmp）、信号（使用signal、raise）、返回错误值或回传错误值给参数等方式进行一定能力的异常处理，但是其使用不如2.1~2.3节所介绍方式常用，这里就不细研究。

3、C++异常处理

3.1、异常处理语法

C++的异常处理结构为：

try

{

//可能引发异常的代码

}

catch(type_1 e)

{

// type_1类型异常处理

}

catch(type_2 e)

{

// type_2类型异常处理

}

catch (...)//会捕获所有未被捕获的异常，必须最后出现

{

}

异常的抛出方式使用throw(type e)，try、catch和throw都是C++为处理异常而添加的关键字。

异常处理的过程：

1、  程序或运行库遇到一个错误状况（在try块中）；

2、  抛出一个异常，程序的运行停止于异常点；

3、  开始搜索异常处理函数。搜索沿调用栈向上搜索，搜索结束于找到了一个异常申明与异常对象的静态类型相匹配；

4、  进入相应的异常处理函数；

5、  异常处理函数结束后，跳到此异常处理函数所在的try 块下面最近的一条语句开始执行。

看看这个例子：

#include <stdio.h>

//定义Point结构体（类）

typedef struct tagPoint

{

int x;

int y;

} Point;

//扔出int异常的函数

static void f(int n)

{

throw 1;

}

//扔出Point异常的函数

static void f(Point point)

{

Point p;

p.x = 0;

p.y = 0;

throw p;

}

int main()

{

Point point;

point.x = 0;

point.y = 0;

try

{

f(point); //抛出Point异常

//     f(1); //抛出int异常

}

catch (int e)

{

printf("捕获到int异常：%d\n", e);

}

catch (Point e)

{

printf("捕获到Point异常:(%d,%d)\n", e.x, e.y);

}

printf("terminating, after 'try' block\n");  //异常处理后从这里开始接着

//处理代码。

return 0;

}

函数f定义了两个版本：f(int)和f(Point)，分别抛出int和Point异常。当main函数的try{…}中调用f(point)时和f(1)时，分别输出：

捕获到Point异常:(0,0)

terminating, after 'try' block

和

捕获到int异常：1

terminating, after 'try' block

在C++中，throw抛出异常的特点有：

（1）可以抛出基本数据类型异常，如int和char等。其中；

（2）可以抛出复杂数据类型异常，如结构体（在C++中结构体也是类）和类；

（3）C++的异常处理必须由调用者主动检查。一旦抛出异常，而程序不捕获的话，那么abort()函数就会被调用，弹出如图1所示的对话框，程序被终止；

（4）可以在函数头后加throw([type-ID-list])给出异常规格，声明其能抛出什么类型的异常。type-ID-list是一个可选项，其中包括了一个或多个类型的名字，它们之间以逗号分隔。如果函数没有异常规格指定，则可以抛出任意类型的异常。

3.2、标准异常

下面给出了C++提供的一些标准异常：

namespace std

{

//exception派生

class logic_error; //逻辑错误,在程序运行前可以检测出来

//logic_error派生

class domain_error; //违反了前置条件

class invalid_argument; //指出函数的一个无效参数

class length_error; //指出有一个超过类型size_t的最大可表现值长度的对象的企图

class out_of_range; //参数越界

class bad_cast; //在运行时类型识别中有一个无效的dynamic_cast表达式

class bad_typeid; //报告在表达试typeid(*p)中有一个空指针p

//exception派生

class runtime_error; //运行时错误,仅在程序运行中检测到

//runtime_error派生

class range_error; //违反后置条件

class overflow_error; //报告一个算术溢出

class bad_alloc; //存储分配错误

}

请注意观察上述类的层次结构，可以看出，标准异常都派生自一个公共的基类exception。基类包含必要的多态性函数提供异常描述，可以被重载。下面是exception类的原型：

class exception

{

public:

exception() throw();

exception(const exception& rhs) throw();

exception& operator=(const exception& rhs) throw();

virtual ~exception() throw();

virtual const char *what() const throw();

};

其中的一个重要函数为what()，它返回一个表示异常的字符串指针。下面我们从exception类派生一个自己的类：

#include <iostream>

#include <exception>

using namespace std;

class myexception:public exception

{

public:

myexception():exception("一个重载exception的例子"){}

};

int main()

{

try

{

throw myexception();

}

catch (exception &r) //捕获异常

{

cout << "捕获到异常：" << r.what() << endl;

}

return 0;

}

程序运行，输出：

捕获到异常：一个重载exception的例子

一般的，我们直接以基类捕获异常，例如，本例中使用了“catch (exception &r)”，然后根据基类的多态性进行处理，这是因为基类中的what函数是虚函数。

 3.3、异常处理函数

在标准C++中，还定义了数个异常处理的相关函数和类型（包含在头文件<exception>中）：

namespace std

{

//EH类型

class bad_exception;

class exception;

typedef void (*terminate_handler)();

typedef void (*unexpected_handler)();

// 函数

terminate_handler set_terminate(terminate_handler) throw();

unexpected_handler set_unexpected(unexpected_handler) throw();

void terminate();

void unexpected();

bool uncaught_exception();

}

其中的terminate相关函数与未被捕获的异常有关，如果一种异常没有被指定catch模块，则将导致terminate()函数被调用，terminate()函数中会调用ahort()函数来终止程序。可以通过set_terminate(terminate_handler)函数为terminate()专门指定要调用的函数，例如：

#include <cstdio>

#include <exception>

using namespace std;

//定义Point结构体（类）

typedef struct tagPoint

{

int x;

int y;

} Point;

//扔出Point异常的函数

static void f()

{

Point p;

p.x = 0;

p.y = 0;

throw p;

}

//set_terminate将指定的函数

void terminateFunc()

{

printf("set_terminate指定的函数\n");

}

int main()

{

set_terminate(terminateFunc);

try

{

f(); //抛出Point异

}

catch (int) //捕获int异常

{

printf("捕获到int异常");

}

//Point将不能被捕获到,引发terminateFunc函数被执行

return 0;

}

这个程序将在控制台上输出 "set_terminate指定的函数" 字符串，因为Point类型的异常没有被捕获到。当然，它也会弹出图1所示对话框（因为调用了abort()函数）。

上述给出的仅仅是一个set_terminate指定函数的例子。在实际工程中，往往使用set_terminate指定的函数进行一些清除性的工作，其后再调用exit(int)函数终止程序。这样，abort()函数就不会被调用了，也不会输出图1所示对话框。