C++ 异常处理机制：捕获、自定义与实战

注意： catch 块按声明顺序匹配。若将基类异常的 catch 放在派生类之前，派生类异常会被基类捕获，导致后续代码无法执行。因此，务必遵循'派生类在前，基类在后'的原则。

标准异常库与自定义异常

C++ 标准库提供了继承自 std::exception 的预定义异常类，常用包括 std::logic_error、std::runtime_error、std::out_of_range 和 std::bad_alloc 等。

实际开发中，我们常需要自定义异常来体现业务语义。设计自定义异常类时，建议遵循以下原则：

• 继承自 std::exception 或其派生类。
• 重写 what() 方法返回描述信息。
• 提供必要的构造函数。
• 类名清晰，体现异常类型。

#include <exception>
#include <string>
using namespace std;

class BusinessException : public exception {
private:
    string err_msg;
public:
    BusinessException(const string& msg) : err_msg(msg) {}
    const char* what() const noexcept override {
        return err_msg.c_str();
    }
};

class UserNotFoundException : public BusinessException {
public:
    UserNotFoundException(int user_id) 
        : BusinessException("用户不存在：ID=" + to_string(user_id)) {}
};

void query_user(int user_id) {
    if (user_id < 1000 || user_id > 9999) {
        throw UserNotFoundException(user_id);
    }
    cout << "查询成功：用户 ID=" << user_id << endl;
}

int main() {
    try {
        query_user(123);
    } catch (const UserNotFoundException& e) {
        cout << "业务异常：" << e.what() << endl;
    }
    return 0;
}

高级特性与安全实践

noexcept 关键字

C++11 引入的 noexcept 用于声明函数是否可能抛出异常。相比废弃的异常规格说明，它更简洁且能触发编译器优化。若 noexcept 函数实际抛出异常，程序会调用 std::terminate() 终止，因此需确保该函数确实不会抛出异常。

异常安全与 RAII

异常安全要求程序在抛出异常时不泄露资源、保持数据状态一致。推荐使用智能指针（如 std::unique_ptr）和资源获取即初始化（RAII）模式管理资源。例如，文件流对象在析构时会自动关闭，即使中间抛出异常也不会泄漏。

#include <fstream>
#include <string>
using namespace std;

class FileGuard {
private:
    ofstream file;
public:
    FileGuard(const string& filename) : file(filename) {
        if (!file.is_open()) throw string("文件打开失败");
    }
    ~FileGuard() { if (file.is_open()) file.close(); }
};

void write_file(const string& filename) {
    FileGuard f(filename); // 构造时打开
    // ... 写入操作 ...
    // 异常抛出后，f 析构，文件自动关闭
}

常见错误与最佳实践

1. 避免过度使用异常：正常控制流（如查找元素未找到）应使用返回值，而非异常。
2. 按引用捕获：使用 catch (const Exception& e) 避免拷贝开销和对象切片。
3. 合理组织 catch 顺序：派生类在前，基类在后，兜底 catch(...) 放最后。
4. 记录异常信息：捕获后记录详细日志，便于排查。
5. 避免析构函数抛异常：栈展开过程中析构函数抛异常会导致程序终止。

实战案例：文件读写工具

下面是一个基于 RAII 的文件读写工具类示例，展示了如何处理文件操作异常并保证资源安全释放。

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <vector>
#include <string>
#include <exception>
using namespace std;

class FileException : public exception {
protected:
    string err_msg;
public:
    FileException(const string& filename, const string& reason) {
        err_msg = "文件操作异常：文件\"" + filename + "\", 原因：" + reason;
    }
    const char* what() const noexcept override {
        return err_msg.c_str();
    }
};

class FileHandler {
private:
    string filename;
    fstream file_stream;
public:
    FileHandler(const string& filename, ios_base::openmode mode) : filename(filename) {
        file_stream.open(filename, mode);
        if (!file_stream.is_open()) {
            throw FileException(filename, "无法打开文件");
        }
    }
    ~FileHandler() {
        if (file_stream.is_open()) file_stream.close();
    }
    vector<string> read_file() {
        vector<string> content;
        string line;
        while (getline(file_stream, line)) {
            content.push_back(line);
        }
        return content;
    }
    void write_file(const vector<string>& content) {
        for (const string& line : content) {
            file_stream << line << endl;
        }
        file_stream.flush();
    }
};

int main() {
    try {
        FileHandler reader("input.txt", ios::in);
        auto content = reader.read_file();
        FileHandler writer("output.txt", ios::out | ios::trunc);
        writer.write_file(content);
    } catch (const FileException& e) {
        cout << "错误提示：" << e.what() << endl;
    } catch (const exception& e) {
        cout << "系统错误：" << e.what() << endl;
    }
    return 0;
}

通过上述实践，我们可以构建健壮、容错能力强的 C++ 程序。掌握异常处理不仅是语法的运用，更是编写高质量工程代码的重要保障。