Java進階02 異常處理

ii_chengzi發表於2019-11-19
Java

程式很難做到完美，不免有各種各樣的異常。比如程式本身有bug，比如程式列印時印表機沒有紙了，比如記憶體不足。為了解決這些異常，我們需要知道異常發生的原因。對於一些常見的異常，我們還可以提供一定的應對預案。C語言中的異常處理是簡單的透過函式返回值來實現的，但返回值代表的含義往往是由慣例決定的。程式設計師需要查詢大量的資料，才可能找到一個模糊的原因。面嚮物件語言，比如C++, Java, Python往往有更加複雜的異常處理機制。這裡討論Java中的異常處理機制。

Java異常處理

異常處理

Java的異常處理機制很大一部分來自C++。它允許程式設計師跳過暫時無法處理的問題，以繼續後續的開發，或者讓程式根據異常做出更加聰明的處理。

Java使用一些特殊的物件來代表 異常狀況，這樣物件稱為異常物件。當異常狀況發生時，Java會根據預先的設定， 丟擲(throw)代表當前狀況的物件。所謂的丟擲是一種特殊的返回方式。該執行緒會暫停，逐層退出方法呼叫，直到遇到 異常處理器(Exception Handler)。異常處理器可以 捕捉(catch)的異常物件，並根據物件來決定下一步的行動，比如:

  • 提醒使用者
  • 處理異常
  • 繼續程式
  • 退出程式
  • ......

異常處理器看起來如下，它由try, catch, finally以及隨後的程式塊組成。finally不是必須的。

複製程式碼
try {
  ...;
}catch() {
  ...;
}catch() {
  ...;
}finally {
  ...;
}
複製程式碼

這個異常處理器監視 try後面的程式塊。 catch的括號有一個引數，代表所要捕捉的異常的型別。catch會捕捉 相應的型別及其 衍生類。try後面的程式塊包含了針對該異常型別所要進行的操作。try所監視的程式塊可能丟擲不止一種型別的異常，所以一個異常處理器可以有多個catch模組。 finally後面的程式塊是 無論是否發生異常，都要執行的程式。

我們在 try中放入可能出錯，需要 監視的程式，在 catch中設計 應對異常的方案。

 

下面是一段使用到異常處理的部分Java程式。try部分的程式是從一個檔案中讀取文字行。在讀取檔案的過程中，可能會有IOException發生:

複製程式碼
BufferedReader br = 
new BufferedReader(
new FileReader("file.txt"
));
try
 {
    StringBuilder sb = 
new
 StringBuilder();
    String line =
 br.readLine();    
while (line != 
null
) {
        sb.append(line);
        sb.append("\n"
);
        line =
 br.readLine();
    }
    String everything =
 sb.toString();
} 

catch
(IOException e) {

    e.printStackTrace();
    System.out.println("IO problem"
);
}
finally
 {
    br.close();
}
複製程式碼

如果我們捕捉到IOException類物件e的時，可以對該物件操作。比如呼叫物件的printStackTrace()，列印當前棧的狀況。此外，我們還向中端列印了提示"IO problem"。

無論是否有異常，程式最終會進入finally塊中。我們在finally塊中關閉檔案，清空檔案描述符所佔據的資源。

 

異常的型別

Java中的異常類都繼承自Trowable類。一個Throwable類的物件都可以 丟擲(throw)。

 

橙色: unchecked; 藍色: checked

Throwable物件可以分為兩組。一組是 unchecked異常，異常處理機制往往 不用於這組異常，包括:

  • Error 類通常是指Java的 內部錯誤以及如 資源耗盡的錯誤。當Error(及其衍生類)發生時，我們不能在程式設計層面上解決Error，所以應該直接退出程式。
  • Exception類有特殊的一個衍生類 RuntimeException。RuntimeException(及其衍生類)是Java程式自身造成的，也就是說，由於程式設計師在程式設計時 犯錯。RuntimeException完全可以透過修正Java程式避免。比如將一個型別的物件轉換成沒有繼承關係的另一個型別，即ClassCastException。這類異常應該並且可以避免。

剩下的是 checked異常。這些類是由程式設計與環境互動造成程式在執行時 出錯。比如讀取檔案時，由於檔案本身有錯誤，發生IOException。再比如網路伺服器臨時更改URL指向，造成MalformedURLException。檔案系統和網路伺服器是在Java環境之外的，並不是程式設計師所能控制的。如果程式設計師可以預期異常，可以利用異常處理機制來制定應對預案。比如檔案出問題時，提醒系統管理員。再比如在網路伺服器出現問題時，提醒使用者，並等待網路伺服器恢復。 異常處理機制主要是 用於處理這樣的異常。

 

丟擲異常

在上面的程式中，異常來自於我們對Java IO API的呼叫。我們也可以在自己的程式中丟擲異常，比如下面的battery類，有充電和使用方法:

複製程式碼
public class Test
{    public static void main(String[] args)
    {
        Battery aBattery = new Battery();
        aBattery.chargeBattery(0.5);
        aBattery.useBattery(-0.5);
    }
}class Battery 
{    /**
     * increase battery     */
    public void chargeBattery(double p)
    {        // power <= 1
        if (this.power + p < 1.) {            this.power = this.power + p;
        }        else {            this.power = 1.;
        }
    }    /**
     * consume battery     */
    public boolean useBattery(double p)
    {        try {
            test(p);
        }        catch(Exception e) {
            System.out.println("catch Exception");
            System.out.println(e.getMessage());
            p = 0.0;
        }        if (this.power >= p) {            this.power = this.power - p;            return true;
        }        else {            this.power = 0.0;            return false;
        }
    }    /**
     * test usage     */
    private void test(double p) throws Exception // I just throw, don't handle
    {        if (p < 0) {
            Exception e = new Exception("p must be positive");            throw e;
        }
    }    private double power = 0.0; // percentage of battery}
複製程式碼

 

useBattery()表示使用電池操作。useBattery()方法中有一個引數，表示使用的電量。我們使用test()方法測試該引數。如果該引數為負數，那麼我們認為有異常，並丟擲。

在test中，當有異常發生時(p < 0)，我們建立一個Exception物件e，並用一個字串作為引數。字串中包含有異常相關的資訊，該引數不是必需的。使用 throw將該Exception物件丟擲。

我們在useBattery()中有異常處理器。由於test()方法不直接處理它產生的異常，而是將該異常拋給上層的useBattery()，所以在test()的定義中，我們需要 throws Exception來說明。

(假設異常處理器並不是位於useBattery()中，而是在更上層的main()方法中，我們也要在useBattery()的定義中增加 throws Exception。)

 

在catch中，我們使用getMessage()方法提取其異常中包含的資訊。上述程式的執行結果如下:

catch Exception
p must be positive

異常處理器中，我們會捕捉任意Exception類或者其衍生類異常。這往往不利於我們識別問題，特別是一段程式可能丟擲多種異常時。我們可以提供一個更加具體的類來捕捉。

 

自定義異常

我們可以透過繼承來建立新的異常類。在繼承時，我們往往需要重寫構造方法。異常有兩個構造方法，一個沒有引數，一個有一個String引數。比如:

複製程式碼
class BatteryUsageException extends Exception
{    public BatteryUsageException() {}    public BatteryUsageException(String msg) {        super(msg);
    }
}
複製程式碼

我們可以在衍生類中提供更多異常相關的方法和資訊。

 

在自定義異常時，要小心選擇所繼承的基類。一個更具體的類要包含更多的異常資訊，比如IOException相對於Exception。

 

總結

異常處理是在解決問題，同時也是在製造問題。大型專案中，過多、過細的異常處理往往會導致程式變得一團糟。異常處理的設計並不簡單，並需要謹慎使用。

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