計算機程式的思維邏輯 (25) - 異常 (下)

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上節我們介紹了異常的基本概念和異常類，本節我們進一步介紹對異常的處理，我們先來看Java語言對異常處理的支援，然後探討在實際中到底應該如何處理異常。

異常處理

catch匹配

上節簡單介紹了使用try/catch捕獲異常，其中catch只有一條，其實，catch還可以有多條，每條對應一個異常型別，比如說：

try{
    //可能觸發異常的程式碼
}catch(NumberFormatException e){
    System.out.println("not valid number");
}catch(RuntimeException e){
    System.out.println("runtime exception "+e.getMessage());
}catch(Exception e){
    e.printStackTrace();
}
複製程式碼

異常處理機制將根據丟擲的異常型別找第一個匹配的catch塊，找到後，執行catch塊內的程式碼，其他catch塊就不執行了，如果沒有找到，會繼續到上層方法中查詢。需要注意的是，丟擲的異常型別是catch中宣告異常的子類也算匹配，所以需要將最具體的子類放在前面，如果基類Exception放在前面，則其他更具體的catch程式碼將得不到執行。

示例也演示了對異常資訊的利用，e.getMessage()獲取異常訊息，e.printStackTrace()列印異常棧到標準錯誤輸出流。通過這些資訊有助於理解為什麼會出異常，這是解決程式設計錯誤的常用方法。示例是直接將資訊輸出到標準流上，實際系統中更常用的做法是輸出到專門的日誌中。

重新throw

在catch塊內處理完後，可以重新丟擲異常，異常可以是原來的，也可以是新建的，如下所示：

try{
    //可能觸發異常的程式碼
}catch(NumberFormatException e){
    System.out.println("not valid number");
    throw new AppException("輸入格式不正確", e);
}catch(Exception e){
    e.printStackTrace();
    throw e;
}
複製程式碼

對於Exception，在列印出異常棧後，就通過throw e重新丟擲了。

而對於NumberFormatException，我們重新丟擲了一個AppException，當前Exception作為cause傳遞給了AppException，這樣就形成了一個異常鏈，捕獲到AppException的程式碼可以通過getCause()得到NumberFormatException。

為什麼要重新丟擲呢？因為當前程式碼不能夠完全處理該異常，需要呼叫者進一步處理。

為什麼要丟擲一個新的異常呢？當然是當前異常不太合適，不合適可能是資訊不夠，需要補充一些新資訊，還可能是過於細節，不便於呼叫者理解和使用，如果呼叫者對細節感興趣，還可以繼續通過getCause()獲取到原始異常。

finally

異常機制中還有一個重要的部分，就是finally, catch後面可以跟finally語句，語法如下所示：

try{
    //可能丟擲異常
}catch(Exception e){
    //捕獲異常
}finally{
    //不管有無異常都執行
}
複製程式碼

finally內的程式碼不管有無異常發生，都會執行。具體來說：

• 如果沒有異常發生，在try內的程式碼執行結束後執行。
• 如果有異常發生且被catch捕獲，在catch內的程式碼執行結束後執行
• 如果有異常發生但沒被捕獲，則在異常被拋給上層之前執行。

由於finally的這個特點，它一般用於釋放資源，如資料庫連線、檔案流等。

try/catch/finally語法中，catch不是必需的，也就是可以只有try/finally，表示不捕獲異常，異常自動向上傳遞，但finally中的程式碼在異常發生後也執行。

finally語句有一個執行細節，如果在try或者catch語句內有return語句，則return語句在finally語句執行結束後才執行，但finally並不能改變返回值，我們來看下程式碼：

public static int test(){
    int ret = 0;
    try{
        return ret;
    }finally{
        ret = 2;
    }
}
複製程式碼

這個函式的返回值是0，而不是2，實際執行過程是，在執行到try內的return ret;語句前，會先將返回值ret儲存在一個臨時變數中，然後才執行finally語句，最後try再返回那個臨時變數，finally中對ret的修改不會被返回。

如果在finally中也有return語句呢？try和catch內的return會丟失，實際會返回finally中的返回值。finally中有return不僅會覆蓋try和catch內的返回值，還會掩蓋try和catch內的異常，就像異常沒有發生一樣，比如說：

public static int test(){
    int ret = 0;
    try{
        int a = 5/0;
        return ret;
    }finally{
        return 2;
    }
}
複製程式碼

以上程式碼中，5/0會觸發ArithmeticException，但是finally中有return語句，這個方法就會返回2，而不再向上傳遞異常了。

finally中不僅return語句會掩蓋異常，如果finally中丟擲了異常，則原異常就會被掩蓋，看下面程式碼：

public static void test(){
    try{
        int a = 5/0;
    }finally{
        throw new RuntimeException("hello");
    }
}
複製程式碼

finally中丟擲了RuntimeException，則原異常ArithmeticException就丟失了。

所以，一般而言，為避免混淆，應該避免在finally中使用return語句或者丟擲異常，如果呼叫的其他程式碼可能丟擲異常，則應該捕獲異常並進行處理。

throws

異常機制中，還有一個和throw很像的關鍵字throws，用於宣告一個方法可能丟擲的異常，語法如下所示：

public void test() throws AppException, SQLException, NumberFormatException {
    //....
}
複製程式碼

throws跟在方法的括號後面，可以宣告多個異常，以逗號分隔。這個宣告的含義是說，我這個方法內可能丟擲這些異常，我沒有進行處理，至少沒有處理完，呼叫者必須進行處理。這個宣告沒有說明，具體什麼情況會丟擲什麼異常，作為一個良好的實踐，應該將這些資訊用註釋的方式進行說明，這樣呼叫者才能更好的處理異常。

對於RuntimeException(unchecked exception)，是不要求使用throws進行宣告的，但對於checked exception，則必須進行宣告，換句話說，如果沒有宣告，則不能丟擲。

對於checked exception，不可以丟擲而不宣告，但可以宣告丟擲但實際不丟擲，不丟擲宣告它幹嘛？主要用於在父類方法中宣告，父類方法內可能沒有丟擲，但子類重寫方法後可能就丟擲了，子類不能丟擲父類方法中沒有宣告的checked exception，所以就將所有可能丟擲的異常都寫到父類上了。

如果一個方法內呼叫了另一個宣告丟擲checked exception的方法，則必須處理這些checked exception，不過，處理的方式既可以是catch，也可以是繼續使用throws，如下程式碼所示：

public void tester() throws AppException {
    try {
        test();
    }  catch (SQLException e) {
        e.printStackTrace();
    }
} 
複製程式碼

對於test丟擲的SQLException，這裡使用了catch，而對於AppException，則將其新增到了自己方法的throws語句中，表示當前方法也處理不了，還是由上層處理吧。

Checked對比Unchecked Exception

以上，可以看出RuntimeException(unchecked exception)和checked exception的區別，checked exception必須出現在throws語句中，呼叫者必須處理，Java編譯器會強制這一點，而RuntimeException則沒有這個要求。

為什麼要有這個區分呢？我們自己定義異常的時候應該使用checked還是unchecked exception啊？對於這個問題，業界有各種各樣的觀點和爭論，沒有特別一致的結論。

一種普遍的說法是，RuntimeException(unchecked)表示程式設計的邏輯錯誤，程式設計時應該檢查以避免這些錯誤，比如說像空指標異常，如果真的出現了這些異常，程式退出也是正常的，程式設計師應該檢查程式程式碼的bug而不是想辦法處理這種異常。Checked exception表示程式本身沒問題，但由於I/O、網路、資料庫等其他不可預測的錯誤導致的異常，呼叫者應該進行適當處理。

但其實程式設計錯誤也是應該進行處理的，尤其是，Java被廣泛應用於伺服器程式中，不能因為一個邏輯錯誤就使程式退出。所以，目前一種更被認同的觀點是，Java中的這個區分是沒有太大意義的，可以統一使用RuntimeException即unchcked exception來代替。

這個觀點的基本理由是，無論是checked還是unchecked異常，無論是否出現在throws宣告中，我們都應該在合適的地方以適當的方式進行處理，而不是隻為了滿足編譯器的要求，盲目處理異常，既然都要進行處理異常，checked exception的強制宣告和處理就顯得囉嗦，尤其是在呼叫層次比較深的情況下。

其實觀點本身並不太重要，更重要的是一致性，一個專案中，應該對如何使用異常達成一致，按照約定使用即可。Java中已有的異常和類庫也已經在哪裡，我們還是要按照他們的要求進行使用。

如何使用異常

針對異常，我們介紹了try/catch/finally, catch匹配、重新丟擲、throws、checked/unchecked exception，那到底該如何使用異常呢？

異常應該且僅用於異常情況

這個含義是說，異常不能代替正常的條件判斷。比如說，迴圈處理陣列元素的時候，你應該先檢查索引是否有效再進行處理，而不是等著丟擲索引異常再結束迴圈。對於一個引用變數，如果正常情況下它的值也可能為null，那就應該先檢查是不是null，不為null的情況下再進行呼叫。

另一方面，真正出現異常的時候，應該丟擲異常，而不是返回特殊值，比如說，我們看String的substring方法，它返回一個子字串，它的程式碼如下：

public String substring(int beginIndex) {
    if (beginIndex < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
    }
    int subLen = value.length - beginIndex;
    if (subLen < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
    }
    return (beginIndex == 0) ? this : new String(value, beginIndex, subLen);
}
複製程式碼

程式碼會檢查beginIndex的有效性，如果無效，會丟擲StringIndexOutOfBoundsException。純技術上一種可能的替代方法是不拋異常而返回特殊值null，但beginIndex無效是異常情況，異常不能假裝當正常處理。

異常處理的目標

異常大概可以分為三個來源：使用者、程式設計師、第三方。使用者是指使用者的輸入有問題，程式設計師是指程式設計錯誤，第三方泛指其他情況如I/O錯誤、網路、資料庫、第三方服務等。每種異常都應該進行適當的處理。

處理的目標可以分為報告和恢復。恢復是指通過程式自動解決問題。報告的最終物件可能是使用者，即程式使用者，也可能是系統運維人員或程式設計師。報告的目的也是為了恢復，但這個恢復經常需要人的參與。

對使用者，如果使用者輸入不對，可能提示使用者具體哪裡輸入不對，如果是程式設計錯誤，可能提示使用者系統錯誤、建議聯絡客服，如果是第三方連線問題，可能提示使用者稍後重試。

對系統運維人員或程式設計師，他們一般不關心使用者輸入錯誤，而關注程式設計錯誤或第三方錯誤，對於這些錯誤，需要報告儘量完整的細節，包括異常鏈、異常棧等，以便儘快定位和解決問題。

對於使用者輸入或程式設計錯誤，一般都是難以通過程式自動解決的，第三方錯誤則可能可以，甚至很多時候，程式都不應該假定第三方是可靠的，應該有容錯機制。比如說，某個第三方服務連線不上(比如發簡訊)，可能的容錯機制是，換另一個提供同樣功能的第三方試試，還可能是，間隔一段時間進行重試，在多次失敗之後再報告錯誤。

異常處理的一般邏輯

如果自己知道怎麼處理異常，就進行處理，如果可以通過程式自動解決，就自動解決，如果異常可以被自己解決，就不需要再向上報告。

如果自己不能完全解決，就應該向上報告。如果自己有額外資訊可以提供，有助於分析和解決問題，就應該提供，可以以原異常為cause重新丟擲一個異常。

總有一層程式碼需要為異常負責，可能是知道如何處理該異常的程式碼，可能是面對使用者的程式碼，也可能是主程式。如果異常不能自動解決，對於使用者，應該根據異常資訊提供使用者能理解和對使用者有幫助的資訊，對運維和程式設計師，則應該輸出詳細的異常鏈和異常棧到日誌。

這個邏輯與在公司中處理問題的邏輯是類似的，每個級別都有自己應該解決的問題，自己能處理的自己處理，不能處理的就應該報告上級，把下級告訴他的，和他自己知道的，一併告訴上級，最終，公司老闆必須要為所有問題負責。每個級別既不應該掩蓋問題，也不應該逃避責任。

小結

上節和本節介紹了Java中的異常機制。在沒有異常機制的情況下，唯一的退出機制是return，判斷是否異常的方法就是返回值。

方法根據是否異常返回不同的返回值，呼叫者根據不同返回值進行判斷，並進行相應處理。每一層方法都需要對呼叫的方法的每個不同返回值進行檢查和處理，程式的正常邏輯和異常邏輯混雜在一起，程式碼往往難以閱讀理解和維護。

另外，因為異常畢竟是少數情況，程式設計師經常偷懶，假定異常不會發生，而忽略對異常返回值的檢查，降低了程式的可靠性。

在有了異常機制後，程式的正常邏輯與異常邏輯可以相分離，異常情況可以集中進行處理，異常還可以自動向上傳遞，不再需要每層方法都進行處理，異常也不再可能被自動忽略，從而，處理異常情況的程式碼可以大大減少，程式碼的可讀性、可靠性、可維護性也都可以得到提高。

至此，關於Java語言本身的主要概念我們就介紹的差不多了，接下來的幾節中，我們介紹Java中一些常用的類及其操作，從包裝類開始。

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