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异常处理入门

程序的错误大致可以分为三种，分别是语法错误、逻辑错误和运行时错误：
1) 语法错误在编译和链接阶段就能发现
2) 逻辑错误是说我们编写的代码思路有问题，不能够达到最终的目标，这种错误可以通过调试来解决。
3) 运行时错误是指程序在运行期间发生的错误，例如除数为 0、内存分配失败、数组越界、文件不存在等。C++ 异常（Exception）机制就是为解决运行时错误而引入的。
异常可以发生在当前的 try 块中，也可以发生在 try 块所调用的某个函数中，或者是所调用的函数又调用了另外的一个函数，这个另外的函数中发生了异常。这些异常，都可以被 try 检测到。

#include <iostream>
#include <string>
#include <exception>
using namespace std;
void func(){
    throw "Unknown Exception"; //抛出异常, 抛的类型要和接的类型一致
    cout<<"[1]This statement will not be executed."<<endl;
}
int main(){
    try{
        func();
        cout<<"[2]This statement will not be executed."<<endl;
    }catch(const char* &e){
        cout<<e<<endl;
    }
    return 0;
}

C++异常类型以及多级catch匹配

try{
    // 可能抛出异常的语句
}catch(exceptionType variable){
    // 处理异常的语句
}

exceptionType是异常类型，它指明了当前的 catch 可以处理什么类型的异常；variable是一个变量，用来接收异常信息。
当程序抛出异常时，会创建一份数据，这份数据包含了错误信息，程序员可以根据这些信息来判断到底出了什么问题，接下来怎么处理。
exceptionType variable和函数的形参非常类似，当异常发生后，会将异常数据传递给 variable 这个变量，这和函数传参的过程类似。
总起来说，catch 和真正的函数调用相比，多了一个在运行阶段将实参和形参匹配的过程,如果不匹配就会忽略掉的。

C++ 语言本身以及标准库中的函数抛出的异常，都是 exception 类或其子类的异常。
另外需要注意的是，如果不希望 catch 处理异常数据，也可以将 variable 省略掉，也即写作：

try{
    // 可能抛出异常的语句
}catch(exceptionType){
    // 处理异常的语句
}

多级 catch

try{
    //可能抛出异常的语句
}catch (exception_type_1 e){
    //处理异常的语句
}catch (exception_type_2 e){
    //处理异常的语句
}
//其他的catch
catch (exception_type_n e){
    //处理异常的语句
}

当异常发生时，程序会按照从上到下的顺序，将异常类型和 catch 所能接收的类型逐个匹配。一旦找到类型匹配的 catch 就停止检索，并将异常交给当前的 catch 处理。如果最终也没有找到匹配的 catch，就只能交给系统处理，终止程序的运行。

catch 在匹配过程中的类型转换

catch在匹配异常类型的过程中，也会进行类型转换，但是这种转换受到了更多的限制，仅能进行
* 向上转型
* const 转换
* 数组或函数指针转换

throw（抛出异常）

异常必须显式地抛出，才能被检测和捕获到；如果没有显式的抛出，即使有异常也检测不到。
语法：

throw exceptionData;

exceptionData 可以是 int、float、bool 等基本类型，也可以是指针、数组、字符串、结构体、类等聚合类型

一个动态数组的例子

#include <iostream>
#include <cstdlib>
using namespace std;

//自定义的异常类型
class OutOfRange{
public:
    OutOfRange(): m_flag(1){ };
    OutOfRange(int len, int index): m_len(len), m_index(index), m_flag(2){ }
public:
    void what() const;  //获取具体的错误信息
private:
    int m_flag;   //不同的flag表示不同的错误
    int m_len;    //当前数组的长度
    int m_index;  //当前使用的数组下标
};

void OutOfRange::what() const {
    if(m_flag == 1){
        cout<<"Error: empty array, no elements to pop."<<endl;
    }else if(m_flag == 2){
        cout<<"Error: out of range( array length "<<m_len<<", access index "<<m_index<<" )"<<endl;
    }else{
        cout<<"Unknown exception."<<endl;
    }
}

//实现动态数组
class Array{
public:
    Array();
    ~Array(){ free(m_p); };
public:
    int operator[](int i) const;  //获取数组元素
    int push(int ele);  //在末尾插入数组元素
    int pop();  //在末尾删除数组元素
    int length() const{ return m_len; };  //获取数组长度
private:
    int m_len;  //数组长度
    int m_capacity;  //当前的内存能容纳多少个元素
    int *m_p;  //内存指针
private:
    static const int m_stepSize = 50;  //每次扩容的步长
};

Array::Array(){
    m_p = (int*)malloc( sizeof(int) * m_stepSize );
    m_capacity = m_stepSize;
    m_len = 0;
}
int Array::operator[](int index) const {
    if( index<0 || index>=m_len ){  //判断是否越界
        throw OutOfRange(m_len, index);  //抛出异常（创建一个匿名对象）
    }

    return *(m_p + index);
}
int Array::push(int ele){
    if(m_len >= m_capacity){  //如果容量不足就扩容
        m_capacity += m_stepSize;
        m_p = (int*)realloc( m_p, sizeof(int) * m_capacity );  //扩容
    }

    *(m_p + m_len) = ele;
    m_len++;
    return m_len-1;
}
int Array::pop(){
    if(m_len == 0){
         throw OutOfRange();  //抛出异常（创建一个匿名对象）
    }

    m_len--;
    return *(m_p + m_len);
}

//打印数组元素
void printArray(Array &arr){
    int len = arr.length();

    //判断数组是否为空
    if(len == 0){
        cout<<"Empty array! No elements to print."<<endl;
        return;
    }

    for(int i=0; i<len; i++){
        if(i == len-1){
            cout<<arr[i]<<endl;
        }else{
            cout<<arr[i]<<", ";
        }
    }
}

int main(){
    Array nums;
    //向数组中添加十个元素
    for(int i=0; i<10; i++){
        nums.push(i);
    }
    printArray(nums);

    //尝试访问第20个元素
    try{
        cout<<nums[20]<<endl;
    }catch(OutOfRange &e){
        e.what();
    }

    //尝试弹出20个元素
    try{
        for(int i=0; i<20; i++){
            nums.pop();
        }
    }catch(OutOfRange &e){
        e.what();
    }

    printArray(nums);

    return 0;
}

throw 用作异常规范

throw 关键字除了可以用在函数体中抛出异常，还可以用在函数头和函数体之间，指明当前函数能够抛出的异常类型，这称为异常规范（Exception specification），有些教程也称为异常指示符或异常列表。请看下面的例子：
double func (char param) throw (int, char, exception);
只能抛出异常规范中的异常，如果抛出其他类型的异常，try 将无法捕获，只能终止程序
1. 虚函数中的异常规范
C++ 规定，派生类虚函数的异常规范必须与基类虚函数的异常规范一样严格，或者更严格。只有这样，当通过基类指针（或者引用）调用派生类虚函数时，才能保证不违背基类成员函数的异常规范。不能说我父类只能抛int的，而子类int char float的什么都能抛，就没有起到规范的作用了。
2. 异常规范与函数定义和函数声明
C++ 规定，异常规范在函数声明和函数定义中必须同时指明，并且要严格保持一致

请抛弃异常规范，不要再使用它

异常规范的初衷是好的，它希望让程序员看到函数的定义或声明后，立马就知道该函数会抛出什么类型的异常，这样程序员就可以使用 try-catch 来捕获了。如果没有异常规范，程序员必须阅读函数源码才能知道函数会抛出什么异常。
不过这有时候也不容易做到
例如，func_outer() 函数可能不会引发异常，但它调用了另外一个函数 func_inner()，这个函数可能会引发异常。
再如，您编写的函数调用了老式的库函数，此时不会引发异常，但是库更新以后这个函数却引发了异常。
总之，异常规范的初衷实现起来有点困难，所以大家达成的一致意见是，最好不要使用异常规范。
异常规范是 C++98 新增的一项功能，但是后来的 C++11 已经将它抛弃了，不再建议使用。

exception类

C++语言本身或者标准库抛出的异常都是 exception 的子类，称为标准异常（Standard Exception）。
通过下面的语句来捕获所有的标准异常（有个兜底儿的异常）：

try{
    //可能抛出异常的语句
}catch(exception &e){
    //处理异常的语句
}

之所以使用引用，是为了提高效率。如果不使用引用，就要经历一次对象拷贝（要调用拷贝构造函数）的过程。

exception 类的继承层次：

怎样才能用好异常？

异常只是 C++ 为了处理错误而提出的一种解决方案，当然也不会是唯一的一种。
在 C++ 之前，处理异常的基本手段是错误码。函数执行后，需要检查返回值或者全局的 errno，看是否正常，如果出错了，就执行另外一段代码处理错误.

错误码缺点：
1. 这种做法很直观，但也有一个问题，那就是正常的业务逻辑代码与错误处理代码混在了一起，看起来很乱，你的思维要在两个本来不相关的流程里来回跳转。而且，有的时候，错误处理的逻辑要比正常业务逻辑复杂、麻烦得多，看了半天，你可能都会忘了它当初到底要干什么了，容易引起新的错误。
2. 错误码还有另一个更大的问题：它是可以被忽略的。也就是说，你完全可以不处理错误，“假装”程序运行正常，继续跑后面的代码，这就可能导致严重的安全隐患。

用异常的好处：
1. 异常的处理流程是完全独立的，throw 抛出异常后就可以不用管了，错误处理代码都集中在专门的 catch 块里。这样就彻底分离了业务逻辑与错误逻辑，看起来更清楚。
2. 异常是绝对不能被忽略的，必须被处理。如果你有意或者无意不写 catch 捕获异常，那么它会一直向上传播出去，直至找到一个能够处理的 catch 块。如果实在没有，那就会导致程序立即停止运行，明白地提示你发生了错误，而不会“坚持带病工作”。
3. 异常可以用在错误码无法使用的场合，这也算是 C++ 的“私人原因”。因为它比 C 语言多了构造 / 析构函数、操作符重载等新特性，有的函数根本就没有返回值，或者返回值无法表示错误，而全局的 errno 实在是“太不优雅”了，与 C++ 的理念不符，所以也必须使用异常来报告错误。

C++ 里对异常的定义非常宽松，任何类型都可以用 throw 抛出，也就是说，你可以直接把错误码（int）、或者错误消息（char*、string）抛出，catch 也能接住，然后处理。
但我建议你最好不要“图省事”，因为 C++ 已经为处理异常设计了一个配套的异常类型体系，定义在标准库的 <stdexcept> 头文件里。见上边：exception 类的继承层次

异常也与上一讲的智能指针密切相关，如果你决定使用异常，为了确保出现异常的时候资源会正确释放，就必须禁用裸指针，改成智能指针，用 RAII 来管理内存。
由于异常出现和处理的时机都不好确定，当前的 C++ 也没有在语言层面提出更好的机制，所以，你还要在编码阶段写好文档和注释，说清楚哪些函数、什么情况下会抛出什么样的异常，应如何处理，加上一些“软约束”。
小结：
1. 异常是针对错误码的缺陷而设计的，它不能被忽略，而且可以“穿透”调用栈，逐层传播到其他地方去处理；
2. 使用 try-catch 机制处理异常，能够分离正常流程与错误处理流程，让代码更清晰；
3. throw 可以抛出任何类型作为异常，但最好使用标准库里定义的 exception 类；
4. 完全用或不用异常处理错误都不可取，而是应该合理分析，适度使用，降低异常的成本；
5. 关键字 noexcept 标记函数不抛出异常，可以让编译器做更好的优化。

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