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异常处理

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异常处理,是编程语言或计算机硬件里的一种机制,用于处理软件或信息系统中出现的异常状况(即超出程序正常执行流程的某些特殊条件)。

各种编程语言在处理异常方面具有非常显著的不同点(错误检测与异常处理区别在于:错误检测是在正常的程序流中,处理不可预见问题的代码,例如一个调用操作未能成功结束)。某些编程语言有这样的函数:当输入存在非法数据时不能被安全地调用,或者返回值不能与异常进行有效的区别。例如,C语言中的atoi函数(ASCII串到整数的转换)在输入非法时可以返回0。在这种情况下编程者需要另外进行错误检测(可能通过某些辅助全局变量如C的errno),或进行输入检验(如通过正则表达式),或者共同使用这两种方法。

通过异常处理,我们可以对用户在程序中的非法输入进行控制和提示,以防程序崩溃。

从进程的视角,硬件中断相当于可恢复异常,虽然中断一般与程序流本身无关。

从子程序编程者的视角,异常是很有用的一种机制,用于通知外界该子程序不能正常执行。如输入的数据无效(例如除数是0),或所需资源不可用(例如文件丢失)。如果系统没有异常机制,则编程者需要用返回值来标示发生了哪些错误。

异常安全[编辑]

一段代码是异常安全的,如果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。异常安全可分成不同层次:

  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. 提交或卷回的语义(commit or rollback semantics),或称作强异常安全(strong exception safety)无变化保证(no-change guarantee):运行可以是失败,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。[1]
  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。

程序设计语言的异常机制[编辑]

许多常见的程序设计语言,包括ActionscriptAdaBlitzMaxC++C#DECMAScriptEiffelJavaMLObject Pascal(如DelphiFree Pascal等),Objective-COcamlPHP(version 5),PL/1PrologPythonREALbasicRubyVisual Prolog以及大多数.NET程序设计语言,内建的异常机制都是沿着函数调用栈的函数调用逆向搜索,直到遇到异常处理代码为止。一般在这个异常处理代码的搜索过程中逐级完成栈卷回(stack unwinding)。但Common Lisp是个例外,它不采取栈卷回,因此允许异常处理完后在抛出异常的代码处原地恢复执行。

多数语言的异常机制的语法是类似的:用throwraise抛出一个异常对象(Java或C++等)或一个特殊可扩展的枚举类型的值(如Ada语言);异常处理代码的作用范围用标记子句(trybegin开始的语言作用域)标示其起始,以第一个异常处理子句(catch, except, resuce等)标示其结束;可连续出现若干个异常处理子句,每个处理特定类型的异常。某些语言允许else子句,用于无异常出现的情况。更多见的是finally, ensure子句,无论是否出现异常它都将执行,用于释放异常处理所需的一些资源。

C++异常处理资源获取即初始化(Resource-Acquisition-Is-Initialization)的基础。

C语言一般认为是不支持异常处理的。Perl语言可选择支持结构化异常处理(structured exception handling)。

Python语言对异常处理机制是非常普遍深入的,所以想写出不含try, except的程序非常困难。

参考文献[编辑]

  1. ^ http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/1997/N1077.asc