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Java异常机制详解

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异常机制详解

异常的层次结构

异常指不期而至的各种状况，如：文件找不到、网络连接失败、非法参数等。异常是一个事件，它发生在程序运行期间，干扰了正常的指令流程。Java通 过API中Throwable类的众多子类描述各种不同的异常。因而，Java异常都是对象，是Throwable子类的实例，描述了出现在一段编码中的 错误条件。当条件生成时，错误将引发异常。

Java异常机制详解

Throwable

Throwable 是 Java 语言中所有错误与异常的超类。

Throwable 包含两个子类：Error（错误）和 Exception（异常），它们通常用于指示发生了异常情况。

Throwable 包含了其线程创建时线程执行堆栈的快照，它提供了 printStackTrace() 等接口用于获取堆栈跟踪数据等信息。

Error（错误）

Error 类及其子类：程序中无法处理的错误，表示运行应用程序中出现了严重的错误。

此类错误一般表示代码运行时 JVM 出现问题。通常有 Virtual MachineError（虚拟机运行错误）、NoClassDefFoundError（类定义错误）等。比如 OutOfMemoryError：内存不足错误；StackOverflowError：栈溢出错误。此类错误发生时，JVM 将终止线程。

这些错误是不受检异常，非代码性错误。因此，当此类错误发生时，应用程序不应该去处理此类错误。按照Java惯例，我们是不应该实现任何新的Error子类的。

Exception（异常）

程序本身可以捕获并且可以处理的异常。Exception 这种异常又分为两类：运行时异常和编译时异常。

  • 运行时异常

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，也就是说，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。

  • 非运行时异常 （编译异常）

是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。

可查的异常（checked exceptions）和不可查的异常（unchecked exceptions）

  • 可查异常（编译器要求必须处置的异常）：

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，也就是说，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。

  • 不可查异常(编译器不要求强制处置的异常)

包括运行时异常（RuntimeException与其子类）和错误（Error）

异常基础

异常关键字

  • try – 用于监听。将要被监听的代码(可能抛出异常的代码)放在try语句块之内，当try语句块内发生异常时，异常就被抛出。
  • catch – 用于捕获异常。catch用来捕获try语句块中发生的异常。
  • finally – finally语句块总是会被执行。它主要用于回收在try块里打开的物力资源(如数据库连接、网络连接和磁盘文件)。只有finally块执行完成之后，才会回来执行try或者catch块中的return或者throw语句，如果finally中使用了return或者throw等终止方法的语句，则就不会跳回执行，直接停止。
  • throw – 用于抛出异常。
  • throws – 用在方法签名中，用于声明该方法可能抛出的异常。

异常的申明(throws)

在Java中，当前执行的语句必属于某个方法，Java解释器调用main方法执行开始执行程序。若方法中存在检查异常，如果不对其捕获，那必须在方法头中显式声明该异常，以便于告知方法调用者此方法有异常，需要进行处理。 在方法中声明一个异常，方法头中使用关键字throws，后面接上要声明的异常。若声明多个异常，则使用逗号分割。

public static void method() throws IOException, FileNotFoundException{//检查异常
    //something statements
}
//注意：若是父类的方法没有声明异常，则子类继承方法后，也不能声明异常。要声明的话需要先在父类方法中申明。

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，而不是囫囵吞枣。
  • 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。

异常的抛出(throw)

大部分情况下都不需要手动抛出异常，因为Java的大部分方法要么已经处理异常，要么已声明异常。所以一般都是捕获异常或者再往上抛。

有时我们会从 catch 中抛出一个异常，目的是为了改变异常的类型。多用于在多系统集成时，当某个子系统故障，异常类型可能有多种，可以用统一的异常类型向外暴露，不需暴露太多内部异常细节。

private static void readFile(String filePath) throws MyException {    
    try {
        // code
    } catch (IOException e) {
        MyException ex = new MyException("read file failed.");
        ex.initCause(e);
        throw ex;
    }
}

异常的自定义

习惯上，定义一个异常类应包含两个构造函数，一个无参构造函数和一个带有详细描述信息的构造函数（Throwable 的 toString 方法会打印这些详细信息，调试时很有用）, 比如上面用到的自定义MyException：

public class MyException extends Exception {
    public MyException(){ }
    public MyException(String msg){
        super(msg);
    }
    // ...
}

异常的捕获

try-catch

在一个 try-catch 语句块中可以捕获多个异常类型，并对不同类型的异常做出不同的处理，同一个 catch 也可以捕获多种类型异常，用 | 隔开

private static void readFile(String filePath) {
    try {
        // code
    } catch (FileNotFoundException e) {
        // handle FileNotFoundException
    } catch (IOException e){
        // handle IOException
    }
}

private static void readFile(String filePath) {
    try {
        // code
    } catch (FileNotFoundException | UnknownHostException e) {
        // handle FileNotFoundException or UnknownHostException
    } catch (IOException e){
        // handle IOException
    }
}

try-catch-finally

try {                        
    //执行程序代码，可能会出现异常                 
} catch(Exception e) {   
    //捕获异常并处理   
} finally {
    //必执行的代码
}

执行的顺序

  • 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；
  • 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；
  • 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
  • 再次强调，只有finally块执行完成之后，才会回来执行try或者catch块中的return或者throw语句，如果finally中使用了return或者throw等终止方法的语句，则就不会跳回执行，直接停止。

Java异常机制详解

try-finally

try块中引起异常，异常代码之后的语句不再执行，直接执行finally语句。 try块没有引发异常，则执行完try块就执行finally语句。

try-finally可用在不需要捕获异常的代码，可以保证资源在使用后被关闭。例如IO流中执行完相应操作后，关闭相应资源；使用Lock对象保证线程同步，通过finally可以保证锁会被释放；数据库连接代码时，关闭连接操作等等。

//以Lock加锁为例，演示try-finally
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
try {
    //需要加锁的代码
} finally {
    lock.unlock(); //保证锁一定被释放
}

finally遇见如下情况不会执行

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

try-with-resource

try-with-resource是Java 7中引入的，很容易被忽略。可以理解为是一个声明一个或多个资源的 try语句（用分号隔开）， 一个资源作为一个对象，并且这个资源必须要在执行完关闭的， try-with-resources语句确保在语句执行完毕后，每个资源都被自动关闭 。任何实现了** java.lang.AutoCloseable**的对象, 包括所有实现了 java.io.Closeable 的对象 , 都可以用作一个资源。

深入理解 Java try-with-resource 语法糖

异常实践

只针对不正常的情况才使用异常

异常只应该被用于不正常的条件，它们永远不应该被用于正常的控制流。《阿里手册》中：【强制】Java 类库中定义的可以通过预检查方式规避的RuntimeException异常不应该通过catch 的方式来处理，比如：NullPointerException，IndexOutOfBoundsException等等。

比如，在解析字符串形式的数字时，可能存在数字格式错误，不得通过catch Exception来实现

主要原因有三点：

  • 异常机制的设计初衷是用于不正常的情况，所以很少会会JVM实现试图对它们的性能进行优化。所以，创建、抛出和捕获异常的开销是很昂贵的。
  • 把代码放在try-catch中返回阻止了JVM实现本来可能要执行的某些特定的优化。
  • 对数组进行遍历的标准模式并不会导致冗余的检查，有些现代的JVM实现会将它们优化掉。

尽量使用标准的异常

代码重用是值得提倡的，这是一条通用规则，异常也不例外。

重用现有的异常有几个好处：

  • 它使得你的API更加易于学习和使用，因为它与程序员原来已经熟悉的习惯用法是一致的。
  • 对于用到这些API的程序而言，它们的可读性更好，因为它们不会充斥着程序员不熟悉的异常。
  • 异常类越少，意味着内存占用越小，并且转载这些类的时间开销也越小。

对异常进行文档说明

当在方法上声明抛出异常时，也需要进行文档说明。目的是为了给调用者提供尽可能多的信息，从而可以更好地避免或处理异常。

//在 Javadoc 添加 @throws 声明，并且描述抛出异常的场景。
/**
* Method description
* 
* @throws MyBusinessException - businuess exception description
*/
public void doSomething(String input) throws MyBusinessException {
   // ...
}

优先捕获最具体的异常

大多数 IDE 都可以帮助你实现这个最佳实践。当你尝试首先捕获较不具体的异常时，它们会报告无法访问的代码块。

//总是优先捕获最具体的异常类，并将不太具体的 catch 块添加到列表的末尾。
//第一个 catch 块处理所有 NumberFormatException 异常，第二个处理所有非 NumberFormatException 异常的IllegalArgumentException 异常。
public void catchMostSpecificExceptionFirst() {
    try {
        doSomething("A message");
    } catch (NumberFormatException e) {
        log.error(e);
    } catch (IllegalArgumentException e) {
        log.error(e)
    }
}

不要捕获 Throwable 类

Throwable 是所有异常和错误的超类。你可以在 catch 子句中使用它，但是你永远不应该这样做！

如果在 catch 子句中使用 Throwable ，它不仅会捕获所有异常，也将捕获所有的错误。JVM 抛出错误，指出不应该由应用程序处理的严重问题。 典型的例子是 OutOfMemoryError 或者 StackOverflowError 。两者都是由应用程序控制之外的情况引起的，无法处理。

所以，最好不要捕获 Throwable ，除非你确定自己处于一种特殊的情况下能够处理错误。

不要忽略异常

很多时候，开发者很有自信不会抛出异常，因此写了一个catch块，但是没有做任何处理或者记录日志。

但现实是经常会出现无法预料的异常，或者无法确定这里的代码未来是不是会改动(删除了阻止异常抛出的代码)，而此时由于异常被捕获，使得无法拿到足够的错误信息来定位问题。

合理的做法是至少要记录异常的信息。

不要记录并抛出异常

可以发现很多代码甚至类库中都会有捕获异常、记录日志并再次抛出的逻辑。如下：

try {
    new Long("xyz");
} catch (NumberFormatException e) {
    log.error(e);
    throw e;
}

这个处理逻辑看着是合理的。但这经常会给同一个异常输出多条日志。如下：

17:44:28,945 ERROR TestExceptionHandling:65 - java.lang.NumberFormatException: For input string: "xyz"
Exception in thread "main" java.lang.NumberFormatException: For input string: "xyz"
at java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65)
at java.lang.Long.parseLong(Long.java:589)
at java.lang.Long.(Long.java:965)
at com.stackify.example.TestExceptionHandling.logAndThrowException(TestExceptionHandling.java:63)
at com.stackify.example.TestExceptionHandling.main(TestExceptionHandling.java:58)

如上所示，后面的日志也没有附加更有用的信息。如果想要提供更加有用的信息，那么可以将异常包装为自定义异常。

public void wrapException(String input) throws MyBusinessException {
    try {
        // do something
    } catch (NumberFormatException e) {
        throw new MyBusinessException("A message that describes the error.", e);
    }
}

因此，仅仅当想要处理异常时才去捕获，否则只需要在方法签名中声明让调用者去处理

包装异常时不要抛弃原始的异常

捕获标准异常并包装为自定义异常是一个很常见的做法。这样可以添加更为具体的异常信息并能够做针对的异常处理。 在你这样做时，请确保将原始异常设置为原因（注：参考下方代码 NumberFormatException e 中的原始异常 e ）。Exception 类提供了特殊的构造函数方法，它接受一个 Throwable 作为参数。否则，你将会丢失堆栈跟踪和原始异常的消息，这将会使分析导致异常的异常事件变得困难。

public void wrapException(String input) throws MyBusinessException {
    try {
        // do something
    } catch (NumberFormatException e) {
        throw new MyBusinessException("A message that describes the error.", e);
    }
}

不要使用异常控制程序的流程

不应该使用异常控制应用的执行流程，例如，本应该使用if语句进行条件判断的情况下，你却使用异常处理，这是非常不好的习惯，会严重影响应用的性能。

不要在finally块中使用return。

try块中的return语句执行成功后，并不马上返回，而是继续执行finally块中的语句，如果此处存在return语句，则在此直接返回，无情丢弃掉try块中的返回点。

如下是一个反例：

private int x = 0;
public int checkReturn() {
    try {
        // x等于1，此处不返回
        return ++x;
    } finally {
        // 返回的结果是2
        return ++x;
    }
}

深入理解异常

JVM处理异常的机制

提到JVM处理异常的机制，就需要提及Exception Table，以下称为异常表

//用来捕获处理一个潜在的空指针异常。
public static void simpleTryCatch() {
   try {
       testNPE();
   } catch (Exception e) {
       e.printStackTrace();
   }
}
//使用javap来分析这段代码（需要先使用javac编译）
//javap -c Main
 public static void simpleTryCatch();
    Code:
       0: invokestatic  #3                  // Method testNPE:()V
       3: goto          11
       6: astore_0
       7: aload_0
       8: invokevirtual #5                  // Method java/lang/Exception.printStackTrace:()V
      11: return
    Exception table:
       from    to  target type
           0     3     6   Class java/lang/Exception

异常表中包含了一个或多个异常处理者(Exception Handler)的信息，这些信息包含如下

  • from 可能发生异常的起始点
  • to 可能发生异常的结束点
  • target 上述from和to之前发生异常后的异常处理者的位置
  • type 异常处理者处理的异常的类信息

那么异常表用在什么时候呢

当一个异常发生时

  1. JVM会在当前出现异常的方法中，查找异常表，是否有合适的处理者来处理
  2. 如果当前方法异常表不为空，并且异常符合处理者的from和to节点，并且type也匹配，则JVM调用位于target的调用者来处理。
  3. 如果上一条未找到合理的处理者，则继续查找异常表中的剩余条目
  4. 如果当前方法的异常表无法处理，则向上查找（弹栈处理）刚刚调用该方法的调用处，并重复上面的操作。
  5. 如果所有的栈帧被弹出，仍然没有处理，则抛给当前的Thread，Thread则会终止。
  6. 如果当前Thread为最后一个非守护线程，且未处理异常，则会导致JVM终止运行。

异常是否耗时？为什么会耗时？

建立一个异常对象，是建立一个普通Object耗时的约20倍（实际上差距会比这个数字更大一些，因为循环也占用了时间，追求精确的读者可以再测一下空循环的耗时然后在对比前减掉这部分），而抛出、接住一个异常对象，所花费时间大约是建立异常对象的4倍。

透过JVM看Exception本质

关于finally中改变参数值的问题

finally修改变量

结论：当try/catch中遇到return语句时，return语句并不执行（如果return后跟的是语句则仍然会执行，如"return --i"，而是先创建return值的副本，然后跳转到finally代码块中，执行完finally中的语句后回到try/catch中执行return语句（如果finally中存在return语句则不会回到try/catch的return语句）。如果return后是一个基本数据类型，则创建的副本为该值，若return中是一个对象，则副本为该对象的内存地址，在finally中改变值后会在return中生效。

转载自:https://juejin.cn/post/7131954099418824718
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