java中的异常机制

一、异常概述

异常是发生在程序执行过程中阻碍程序正常执行的错误事件，当一个程序出现错误时，可能的情况有如下3种：
1、语法错误：代码语法出现了错误，此类错误可通过IDE的智能提示纠正。
2、运行时错误：空指针异常，数组越界，除数为零等，此类错误IDE无法检测出来，只有当程序运行之后才能察觉。
3、逻辑错误：运行结果与预想的结果不一样，此类错误往往需要通过调试代码才能找出。

Java中的异常处理机制主要处理运行时错误。

二、异常分类

java中异常分类如下图所示：

从上图中可以看到，所有的异常都继承自一个共同的父类Throwable，而Throwable有两个重要的子类：Exception（异常）和Error（错误）。
对Exception（异常）和Error（错误）介绍如下：

1、Exception（异常）：是程序本身可以处理的异常
主要包含RuntimeException等运行时异常和IOException，SQLException等非运行时异常。
（1）运行时异常包括：都是RuntimeException类及其子类异常，如NullPointerException(空指针异常)、IndexOutOfBoundsException(下标越界异常)等，这些异常是不检查异常，程序中可以选择捕获处理，也可以不处理。这些异常一般是由程序逻辑错误引起的，程序应该从逻辑角度尽可能避免这类异常的发生。运行时异常的特点是Java编译器不会检查它，即当程序中可能出现这类异常，即使没有用try-catch语句捕获它，也没有用throws子句声明抛出它，也会编译通过。

（2）非运行时异常（编译异常）包括：RuntimeException以外的异常，类型上都属于Exception类及其子类。从程序语法角度讲是必须进行处理的异常，如果不处理，程序就不能编译通过。如IOException、SQLException等以及用户自定义的Exception异常，一般情况下不自定义检查异常。

2、Error（错误）：是程序无法处理的错误，表示运行应用程序中较严重问题
大多数错误与代码编写者执行的操作无关，而表示代码运行时 JVM（Java 虚拟机）出现的问题。例如，Java虚拟机运行错误（Virtual MachineError），当 JVM 不再有继续执行操作所需的内存资源时，将出现 OutOfMemoryError。这些异常发生时，Java虚拟机（JVM）一般会选择线程终止。这些错误表示故障发生于虚拟机自身、或者发生在虚拟机试图执行应用时，如Java虚拟机运行错误（Virtual MachineError）、类定义错误（NoClassDefFoundError）等。这些错误是不可查的，因为它们在应用程序的控制和处理能力之外，而且绝大多数是程序运行时不允许出现的状况。对于设计合理的应用程序来说，即使确实发生了错误，本质上也不应该试图去处理它所引起的异常状况。在 Java中，错误通过Error的子类描述。

从编译器是否要求强制处理的角度分类，异常类别又可分为：可查异常和不可查异常
（1）可查异常：正确的程序在运行中，很容易出现的、情理可容的异常状况
可查异常虽然是异常状况，但在一定程度上它的发生是可以预计的，而且一旦发生这种异常状况，就必须采取某种方式进行处理。 除了RuntimeException及其子类以外，其他的Exception类及其子类都属于可查异常。这种异常的特点是Java编译器会检查它，即当程序中可能出现这类异常，要么用try-catch语句捕获它，要么用throws子句声明抛出它，否则编译不会通过。

（2）不可查异常：包括运行时异常（RuntimeException与其子类）和错误（Error）。

三、异常的处理

1、异常处理方式
在Java应用程序中，有两种异常处理方式：抛出异常或者捕捉异常。

（1）抛出异常
当一个方法出现错误引发异常时，方法创建异常对象并交付运行时系统，异常对象中包含了异常类型和异常出现时的程序状态等异常信息。运行时系统负责寻找处置异常的代码并执行。注意：对于运行时异常、错误或可查异常，Java技术所要求的异常处理方式有所不同。由于运行时异常的不可查性，为了更合理、更容易地实现应用程序，Java规定运行时异常将由Java运行时系统自动抛出，允许应用程序忽略运行时异常。对于方法运行中可能出现的Error，当运行方法不捕捉时，Java允许该方法不做任何抛出声明。因为大多数Error异常属于永远不能被允许发生的状况，也属于合理的应用程序不该捕捉的异常。对于所有的可查异常，Java规定一个方法必须捕捉，或者声明抛出方法之外，即当一个方法选择不捕捉可查异常时它必须声明将异常抛出。

（2）捕获异常
在方法抛出异常之后，运行时系统将转为寻找合适的异常处理器（exception handler）。潜在的异常处理器是异常发生时依次存留在调用栈中的方法的集合。当异常处理器所能处理的异常类型与方法抛出的异常类型相符时，即为合适的异常处理器。运行时系统从发生异常的方法开始，依次回查调用栈中的方法直至找到含有合适异常处理器的方法并执行。当运行时系统遍历调用栈而未找到合适的异常处理器，则运行时系统终止，同时也意味着Java程序的终止。

2、异常处理关键字

Java的异常处理通过5个关键字来实现：try、catch、throw、throws和finally。对这5个关键字解释如下：
（1）try块：用于捕获异常。其后可接零个或多个catch块，如果没有catch块，则必须跟一个finally块。
（2）catch块：用于处理try捕获到的异常。
（3）finally块：无论是否捕获或处理异常，finally块里的语句都会被执行。当在try块或catch块中遇到return语句时，finally语句块将在方法返回之前被执行。在以下4种特殊情况下，finally块不会被执行：

在finally语句块中发生了异常。
在前面的代码中用了System.exit()退出程序。
程序所在的线程死亡。
关闭CPU。

（4）throw语句：用于拋出异常，用在catch块捕获到异常却不想处理时抛出异常。
（5）throws语句：用于声明时可能会出现的异常，用在声明方法上，此时异常由上层调用方法处理。

3、异常执行顺序
try、catch、finally语句块的执行顺序如下：
（1）当try没有捕获到异常时：try语句块中的语句逐一被执行，程序将跳过catch语句块，执行finally语句块和其后的语句；
（2）当try捕获到异常，catch语句块里没有处理此异常的情况
当try语句块里的某条语句出现异常时，而没有处理此异常的catch语句块时，此异常将会抛给JVM处理，finally语句块里的语句还是会被执行，但finally语句块后的语句不会被执行。
（3）当try捕获到异常，catch语句块里有处理此异常的情况
在try语句块中是按照顺序来执行的，当执行到某一条语句出现异常时，程序将跳到catch语句块，并与catch语句块逐一匹配，找到与之对应的处理程序，其他的catch语句块将不会被执行，而try语句块中，出现异常之后的语句也不会被执行，catch语句块执行完后，执行finally语句块里的语句，最后执行finally语句块后的语句。

执行流程如下图所示：

4、抛出异常实际操作
任何Java代码都可以抛出异常，如：自己编写的代码、来自Java开发环境包中代码，或者Java运行时系统。无论是谁都可以通过Java的throw语句抛出异常。从方法中抛出的任何异常都必须使用throws子句。
（1）使用throws抛出异常
如果一个方法可能会出现异常，但没有能力处理这种异常，可以在方法声明处用throws子句来声明抛出异常。
throws语句用在方法定义时声明该方法要抛出的异常类型，如果抛出的是Exception异常类型，则该方法被声明为抛出所有的异常。多个异常可使用逗号分割。throws语句的语法格式为：

public void methodName() throws Exception{
       //代码逻辑
    }

方法名后的throws Exception1，Exception2········ExceptionN 为声明要抛出的异常列表。当方法抛出异常列表的异常时，方法将不对这些类型及其子类类型的异常作处理，而抛向调用该方法的方法，由他去处理。使用throws关键字将异常抛给调用者后，如果调用者不想处理该异常，可以继续向上抛出，但最终要有能够处理该异常的调用者。
Throws抛出异常的规则：

如果是不可查异常（unchecked exception），即Error、RuntimeException或它们的子类，那么可以不使用throws关键字来声明要抛出的异常，编译仍能顺利通过，但在运行时会被系统抛出。
必须声明方法可抛出的任何可查异常（checked exception）。即如果一个方法可能出现受可查异常，要么用try-catch语句捕获，要么用throws子句声明将它抛出，否则会导致编译错误。
仅当抛出了异常，该方法的调用者才必须处理或者重新抛出该异常。当方法的调用者无力处理该异常的时候，应该继续抛出。
调用方法必须遵循任何可查异常的处理和声明规则。若覆盖一个方法，则不能声明与覆盖方法不同的异常。声明的任何异常必须是被覆盖方法所声明异常的同类或子类。

（2）使用throw抛出异常
throw总是出现在函数体中，用来抛出一个Throwable类型的异常。程序会在throw语句后立即终止，它后面的语句执行不到，然后在包含它的所有try块中（可能在上层调用函数中）从里向外寻找含有与其匹配的catch子句的try块。
我们知道，异常是异常类的实例对象，我们可以创建异常类的实例对象通过throw语句抛出。
该语句的语法格式为：throw new exceptionname；例如抛出一个IOException类的异常对象：throw new IOException;
要注意的是，throw 抛出的只能够是可抛出类Throwable 或者其子类的实例对象。
下面的操作是错误的：throw new String("exception")；这是因为String 不是Throwable 类的子类。
如果抛出了检查异常，则还应该在方法头部声明方法可能抛出的异常类型。该方法的调用者也必须检查处理抛出的异常。
如果所有方法都层层上抛获取的异常，最终JVM会进行处理，处理也很简单，就是打印异常消息和堆栈信息。如果抛出的是Error或RuntimeException，则该方法的调用者可选择处理该异常。

5、Throwable类中的常用方法
注意：catch关键字后面括号中的Exception类型的参数e。Exception就是try代码块传递给catch代码块的变量类型，e就是变量名。catch代码块中语句"e.getMessage();"用于输出错误性质。通常异常处理常用3个函数来获取异常的有关信息:

getCause()：返回抛出异常的原因。如果 cause 不存在或未知，则返回 null。
getMeage()：返回异常的消息信息。
printStackTrace()：对象的堆栈跟踪输出至错误输出流，作为字段 System.err 的值。

有时为了简单会忽略掉catch语句后的代码，这样try-catch语句就成了一种摆设，一旦程序在运行过程中出现了异常，就会忽略处理异常，而错误发生的原因很难查找。

6、Java中常见异常
在Java中提供了一些异常用来描述经常发生的错误，对于这些异常，有的需要程序员进行捕获处理或声明抛出，有的是由Java虚拟机自动进行捕获处理。
Java中常见的异常类：
（1） runtimeException子类

1、 java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException //数组索引越界异常。当对数组的索引值为负数或大于等于数组大小时抛出。    

2、java.lang.ArithmeticException //算术条件异常。譬如：整数除零等。
    
3、java.lang.NullPointerException //空指针异常。当应用试图在要求使用对象的地方使用了null时，抛出该异常。譬如：调用null对象的实例方法、访问null对象的属性、计算null对象的长度、使用throw语句抛出null等等
    
4、java.lang.ClassNotFoundException //找不到类异常。当应用试图根据字符串形式的类名构造类，而在遍历CLASSPAH之后找不到对应名称的class文件时，抛出该异常。

5、java.lang.NegativeArraySizeException //数组长度为负异常

6、java.lang.ArrayStoreException //数组中包含不兼容的值抛出的异常

7、java.lang.SecurityException //安全性异常

8、java.lang.IllegalArgumentException //非法参数异常

（2）IOException

IOException //操作输入流和输出流时可能出现的异常。

EOFException //文件已结束异常

FileNotFoundException //文件未找到异常

（3）其他

ClassCastException    //类型转换异常类

ArrayStoreException  //数组中包含不兼容的值抛出的异常

SQLException   //操作数据库异常类

NoSuchFieldException   //字段未找到异常

NoSuchMethodException   //方法未找到抛出的异常

NumberFormatException    //字符串转换为数字抛出的异常

StringIndexOutOfBoundsException //字符串索引超出范围抛出的异常

IllegalAccessException  //不允许访问某类异常

InstantiationException  //当应用程序试图使用Class类中的newInstance()方法创建一个类的实例，而指定的类对象无法被实例化时，抛出该异常

7、自定义异常
使用Java内置的异常类可以描述在编程时出现的大部分异常情况。除此之外，用户还可以自定义异常。用户自定义异常类，只需继承Exception类即可。
在程序中使用自定义异常类，大体可分为以下几个步骤：
（1）创建自定义异常类
一般会选择继承Exception和RuntimeException，如果不要求调用者一定要处理抛出的异常，就继承RuntimeException。

（2）抛出自定义异常
在方法中通过throw关键字抛出异常对象。

（3）捕获自定义异常
如果在当前抛出异常的方法中处理异常，可以使用try-catch语句捕获并处理；否则在方法的声明处通过throws关键字指明要抛出给方法调用者的异常，继续进行下一步操作。

（4）在出现异常方法的调用者中捕获并处理异常。

四、异常安全

一段代码是异常安全的，即这段代码运行时的失败不会产生有害后果，如内存泄露、存储数据混淆、或无效的输出。异常安全可分成以下5个层次：
1、失败透明（failure transparency），也称作不抛出保证（no throw guarantee）
代码的运行保证能成功并满足所有的约束条件，即使存在异常情况。如果出现了异常，将不会对外进一步抛出该异常。（异常安全的最好的层次）

2、提交或回滚的语义（commit or rollback semantics），或称作强异常安全（strong exception safety）或无变化保证（no-change guarantee）
运行可以失败，但失败的运行保证不会有负效应，因此所有涉及的数据都保持代码运行前的初始值。

3、基本异常安全（basic exception safety）
失败运行的已执行的操作可能引起了副作用，但会保证状态不变。所有存储数据保持有效值，即使这些数据与异常发生前的值有所不同。

4、最小异常安全（minimal exception safety）也称作无泄漏保证（no-leak guarantee）
失败运行的已执行的操作可能在存储数据中保存了无效的值，但不会引起崩溃，资源不会泄漏。

5、异常不安全（no exception safety）
没有保证（最差的异常安全层次）。

例如，考虑一个smart vector类型，如C++'s std::vector或Java's ArrayList。当一个数据项x插入vector v，必须实际增加x的值到vector的内部对象列表中并且修改vector的计数域以正确表示v中保存了多少数据项；此时如果已有的存储空间不够大，就需要分配新的内存。内存分配可能会失败并抛出异常。
因此，vector数据类型如果是“失败透明”保证将会非常困难甚至不可能实现。
但vector类型提供“强异常安全”保证却是相当容易的；在这种情况下，x插入v或者成功，或者v保持不变。
如果vector类型仅提供“基本异常安全”保证，如果数据插入失败，v可能包含也可能不包含x的值，但至少v的内部表示是一致的。
但如果vector数据类型是“最小异常安全”保证，v可能会是无效的，例如v的计数域被增加了，但x并未实际插入，使得内部状态不一致。
对于“异常不安全”的实现，程序可能会崩溃，例如写入数据到无效的内存。

通常至少需要基本异常安全。失败透明是难于实现的，特别是在编写库函数时，因为对应用程序的复杂知识缺少获知。

五、异常在实际应用中的经验与总结