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之前我们介绍的基本类型、类、接口、枚举都是在表示和操作数据,操作的过程中可能有很多出错的情况,出错的原因可能是多方面的,有的是不可控的内部原因,比如内存不够了、磁盘满了,有的是不可控的外部原因,比如网络连接有问题,更多的可能是程序的编程错误,比如引用变量未初始化就直接调用实例方法。

这些非正常情况在Java中统一被认为是异常,Java使用异常机制来统一处理,由于内容较多,我们分为两节来介绍,本节介绍异常的初步概念,以及异常类本身,下节主要介绍异常的处理。

我们先来通过一些例子认识一下异常。

初始异常

NullPointerException (空指针异常)

我们来看段代码:

public class ExceptionTest {
public static void main(String[] args) {
String s = null;
s.indexOf("a");
System.out.println("end");
}
}

变量s没有初始化就调用其实例方法indexOf,运行,屏幕输出为:

Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
at ExceptionTest.main(ExceptionTest.java:5)

输出是告诉我们:在ExceptionTest类的main函数中,代码第5行,出现了空指针异常(java.lang.NullPointerException)。

但,具体发生了什么呢?当执行s.indexOf("a")的时候,Java系统发现s的值为null,没有办法继续执行了,这时就启用异常处理机制,首先创建一个异常对象,这里是类NullPointerException的对象,然后查找看谁能处理这个异常,在示例代码中,没有代码能处理这个异常,Java就启用默认处理机制,那就是打印异常栈信息到屏幕,并退出程序。

在介绍函数调用原理的时候,我们介绍过栈,异常栈信息就包括了从异常发生点到最上层调用者的轨迹,还包括行号,可以说,这个栈信息是分析异常最为重要的信息。

Java的默认异常处理机制是退出程序,异常发生点后的代码都不会执行,所以示例代码中最后一行System.out.println("end")不会执行。

NumberFormatException (数字格式异常)

我们再来看一个例子,代码如下:

public class ExceptionTest {
public static void main(String[] args) {
if(args.length<1){
System.out.println("请输入数字");
return;
}
int num = Integer.parseInt(args[0]);
System.out.println(num);
}
}

args表示命令行参数,这段代码要求参数为一个数字,它通过Integer.parseInt将参数转换为一个整数,并输出这个整数。参数是用户输入的,我们没有办法强制用户输入什么,如果用户输的是数字,比如123,屏幕会输出123,但如果用户输的不是数字,比如abc,屏幕会输出:

Exception in thread "main" java.lang.NumberFormatException: For input string: "abc"
at java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65)
at java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:492)
at java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:527)
at ExceptionTest.main(ExceptionTest.java:7)

出现了异常NumberFormatException。这个异常是怎么产生的呢?根据异常栈信息,我们看相关代码:

这是NumberFormatException类65行附近代码:

 static NumberFormatException forInputString(String s) {
return new NumberFormatException("For input string: \"" + s + "\"");
}

这是Integer类492行附近代码:

 digit = Character.digit(s.charAt(i++),radix);
if (digit < 0) {
throw NumberFormatException.forInputString(s);
}
if (result < multmin) {
throw NumberFormatException.forInputString(s);
}

将这两处合为一行,主要代码就是:

throw new NumberFormatException(...)

new NumberFormatException(...)是我们容易理解的,就是创建了一个类的对象,只是这个类是一个异常类。throw是什么意思呢?就是抛出异常,它会触发Java的异常处理机制。在之前的空指针异常中,我们没有看到throw的代码,可以认为throw是由Java虚拟机自己实现的。

throw关键字可以与return关键字进行对比,return代表正常退出,throw代表异常退出,return的返回位置是确定的,就是上一级调用者,而throw后执行哪行代码则经常是不确定的,由异常处理机制动态确定。

异常处理机制会从当前函数开始查找看谁"捕获"了这个异常,当前函数没有就查看上一层,直到主函数,如果主函数也没有,就使用默认机制,即输出异常栈信息并退出,这正是我们在屏幕输出中看到的。

对于屏幕输出中的异常栈信息,程序员是可以理解的,但普通用户无法理解,也不知道该怎么办,我们需要给用户一个更为友好的信息,告诉用户,他应该输入的是数字,要做到这一点,我们需要自己"捕获"异常。

"捕获"是指使用try/catch关键字,我们看捕获异常后的示例代码:

public class ExceptionTest {
public static void main(String[] args) {
if(args.length<1){
System.out.println("请输入数字");
return;
}
try{
int num = Integer.parseInt(args[0]);
System.out.println(num);
}catch(NumberFormatException e){
System.err.println("参数"+args[0]
+"不是有效的数字,请输入数字");
}
}
}

我们使用try/catch捕获并处理了异常,try后面的大括号{}内包含可能抛出异常的代码,括号后的catch语句包含能捕获的异常和处理代码,catch后面括号内是异常信息,包括异常类型和变量名,这里是NumberFormatException e,通过它可以获取更多异常信息,大括号{}内是处理代码,这里输出了一个更为友好的提示信息。

捕获异常后,程序就不会异常退出了,但try语句内异常点之后的其他代码就不会执行了,执行完catch内的语句后,程序会继续执行catch大括号外的代码。

这样,我们就对异常有了一个初步的了解,异常是相对于return的一种退出机制,可以由系统触发,也可以由程序通过throw语句触发,异常可以通过try/catch语句进行捕获并处理,如果没有捕获,则会导致程序退出并输出异常栈信息。异常有不同的类型,接下来,我们来认识一下。

异常类

Throwable

NullPointerException和NumberFormatException都是异常类,所有异常类都有一个共同的父类Throwable,它有4个public构造方法:

  1. public Throwable()
  2. public Throwable(String message)
  3. public Throwable(String message, Throwable cause)
  4. public Throwable(Throwable cause)

有两个主要参数,一个是message,表示异常消息,另一个是cause,表示触发该异常的其他异常。异常可以形成一个异常链,上层的异常由底层异常触发,cause表示底层异常。

Throwable还有一个public方法用于设置cause:

Throwable initCause(Throwable cause)

Throwable的某些子类没有带cause参数的构造方法,就可以通过这个方法来设置,这个方法最多只能被调用一次。

所有构造方法中都有一句重要的函数调用:

fillInStackTrace();

它会将异常栈信息保存下来,这是我们能看到异常栈的关键。

Throwable有一些常用方法用于获取异常信息:

void printStackTrace()

打印异常栈信息到标准错误输出流,它还有两个重载的方法:

void printStackTrace(PrintStream s)
void printStackTrace(PrintWriter s)

打印栈信息到指定的流,关于PrintStream和PrintWriter我们后续文章介绍。

String getMessage()
Throwable getCause()

获取设置的异常message和cause

StackTraceElement[] getStackTrace()

获取异常栈每一层的信息,每个StackTraceElement包括文件名、类名、函数名、行号等信息。

异常类体系

以Throwable为根,Java API中定义了非常多的异常类,表示各种类型的异常,部分类示意如下:

Throwable是所有异常的基类,它有两个子类Error和Exception。

Error表示系统错误或资源耗尽,由Java系统自己使用,应用程序不应抛出和处理,比如图中列出的虚拟机错误(VirtualMacheError)及其子类内存溢出错误(OutOfMemoryError)和栈溢出错误(StackOverflowError)。

Exception表示应用程序错误,它有很多子类,应用程序也可以通过继承Exception或其子类创建自定义异常,图中列出了三个直接子类:IOException(输入输出I/O异常),SQLException(数据库SQL异常),RuntimeException(运行时异常)。

RuntimeException(运行时异常)比较特殊,它的名字有点误导,因为其他异常也是运行时产生的,它表示的实际含义是unchecked exception (未受检异常),相对而言,Exception的其他子类和Exception自身则是checked exception (受检异常),Error及其子类也是unchecked exception。

checked还是unchecked,区别在于Java如何处理这两种异常,对于checked异常,Java会强制要求程序员进行处理,否则会有编译错误,而对于unchecked异常则没有这个要求。下节我们会进一步解释。

RuntimeException也有很多子类,下表列出了其中常见的一些:

异常 说明
NullPointerException 空指针异常
IllegalStateException 非法状态
ClassCastException 非法强制类型转换
IllegalArgumentException 参数错误
NumberFormatException 数字格式错误
IndexOutOfBoundsException 索引越界
ArrayIndexOutOfBoundsException 数组索引越界
StringIndexOutOfBoundsException 字符串索引越界

这么多不同的异常类其实并没有比Throwable这个基类多多少属性和方法,大部分类在继承父类后只是定义了几个构造方法,这些构造方法也只是调用了父类的构造方法,并没有额外的操作。

那为什么定义这么多不同的类呢?主要是为了名字不同,异常类的名字本身就代表了异常的关键信息,无论是抛出还是捕获异常时,使用合适的名字都有助于代码的可读性和可维护性。

自定义异常

除了Java API中定义的异常类,我们也可以自己定义异常类,一般通过继承Exception或者它的某个子类,如果父类是RuntimeException或它的某个子类,则自定义异常也是unchecked exception,如果是Exception或Exception的其他子类,则自定义异常是checked exception。

我们通过继承Exception来定义一个异常,代码如下:

public class AppException extends Exception {
public AppException() {
super();
} public AppException(String message,
Throwable cause) {
super(message, cause);
} public AppException(String message) {
super(message);
} public AppException(Throwable cause) {
super(cause);
}
}

和很多其他异常类一样,我们没有定义额外的属性和代码,只是继承了Exception,定义了构造方法并调用了父类的构造方法。

小结

本节,我们通过两个例子对异常做了基本介绍,介绍了try/catch和throw关键字及其含义,同时介绍了Throwable以及以它为根的异常类体系。

下一节,让我们进一步探讨异常。

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