Java编程的逻辑 (24) - 异常 (上)

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之前我们介绍的基本类型、类、接口、枚举都是在表示和操作数据，操作的过程中可能有很多出错的情况，出错的原因可能是多方面的，有的是不可控的内部原因，比如内存不够了、磁盘满了，有的是不可控的外部原因，比如网络连接有问题，更多的可能是程序的编程错误，比如引用变量未初始化就直接调用实例方法。

这些非正常情况在Java中统一被认为是异常，Java使用异常机制来统一处理，由于内容较多，我们分为两节来介绍，本节介绍异常的初步概念，以及异常类本身，下节主要介绍异常的处理。

我们先来通过一些例子认识一下异常。

初始异常

NullPointerException (空指针异常)

我们来看段代码：

public class ExceptionTest {
    public static void main(String[] args) {
        String s = null;
        s.indexOf("a");
        System.out.println("end");
    }
}

变量s没有初始化就调用其实例方法indexOf，运行，屏幕输出为：

Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
    at ExceptionTest.main(ExceptionTest.java:5)

输出是告诉我们：在ExceptionTest类的main函数中，代码第5行，出现了空指针异常(java.lang.NullPointerException)。

但，具体发生了什么呢？当执行s.indexOf("a")的时候，Java系统发现s的值为null，没有办法继续执行了，这时就启用异常处理机制，首先创建一个异常对象，这里是类NullPointerException的对象，然后查找看谁能处理这个异常，在示例代码中，没有代码能处理这个异常，Java就启用默认处理机制，那就是打印异常栈信息到屏幕，并退出程序。

在介绍函数调用原理的时候，我们介绍过栈，异常栈信息就包括了从异常发生点到最上层调用者的轨迹，还包括行号，可以说，这个栈信息是分析异常最为重要的信息。

Java的默认异常处理机制是退出程序，异常发生点后的代码都不会执行，所以示例代码中最后一行System.out.println("end")不会执行。

NumberFormatException (数字格式异常)

我们再来看一个例子，代码如下：

public class ExceptionTest {
    public static void main(String[] args) {
        if(args.length<1){
            System.out.println("请输入数字");
            return;
        }
        int num = Integer.parseInt(args[0]);
        System.out.println(num);
    }
}

args表示命令行参数，这段代码要求参数为一个数字，它通过Integer.parseInt将参数转换为一个整数，并输出这个整数。参数是用户输入的，我们没有办法强制用户输入什么，如果用户输的是数字，比如123，屏幕会输出123，但如果用户输的不是数字，比如abc，屏幕会输出：

Exception in thread "main" java.lang.NumberFormatException: For input string: "abc"
    at java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65)
    at java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:492)
    at java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:527)
    at ExceptionTest.main(ExceptionTest.java:7)

出现了异常NumberFormatException。这个异常是怎么产生的呢？根据异常栈信息，我们看相关代码：

这是NumberFormatException类65行附近代码：

64 static NumberFormatException forInputString(String s) {
65     return new NumberFormatException("For input string: \"" + s + "\"");
66 }

这是Integer类492行附近代码：

490 digit = Character.digit(s.charAt(i++),radix);
491 if (digit < 0) {
492     throw NumberFormatException.forInputString(s);
493 }
494 if (result < multmin) {
495     throw NumberFormatException.forInputString(s);
496 }

将这两处合为一行，主要代码就是：

throw new NumberFormatException(...)

new NumberFormatException(...)是我们容易理解的，就是创建了一个类的对象，只是这个类是一个异常类。throw是什么意思呢？就是抛出异常，它会触发Java的异常处理机制。在之前的空指针异常中，我们没有看到throw的代码，可以认为throw是由Java虚拟机自己实现的。

throw关键字可以与return关键字进行对比，return代表正常退出，throw代表异常退出，return的返回位置是确定的，就是上一级调用者，而throw后执行哪行代码则经常是不确定的，由异常处理机制动态确定。

异常处理机制会从当前函数开始查找看谁"捕获"了这个异常，当前函数没有就查看上一层，直到主函数，如果主函数也没有，就使用默认机制，即输出异常栈信息并退出，这正是我们在屏幕输出中看到的。

对于屏幕输出中的异常栈信息，程序员是可以理解的，但普通用户无法理解，也不知道该怎么办，我们需要给用户一个更为友好的信息，告诉用户，他应该输入的是数字，要做到这一点，我们需要自己"捕获"异常。

"捕获"是指使用try/catch关键字，我们看捕获异常后的示例代码：

public class ExceptionTest {
    public static void main(String[] args) {
        if(args.length<1){
            System.out.println("请输入数字");
            return;
        }
        try{
            int num = Integer.parseInt(args[0]);
            System.out.println(num);    
        }catch(NumberFormatException e){
            System.err.println("参数"+args[0]
                    +"不是有效的数字，请输入数字");
        }
    }
}

我们使用try/catch捕获并处理了异常，try后面的大括号{}内包含可能抛出异常的代码，括号后的catch语句包含能捕获的异常和处理代码，catch后面括号内是异常信息，包括异常类型和变量名，这里是NumberFormatException e，通过它可以获取更多异常信息，大括号{}内是处理代码，这里输出了一个更为友好的提示信息。

捕获异常后，程序就不会异常退出了，但try语句内异常点之后的其他代码就不会执行了，执行完catch内的语句后，程序会继续执行catch大括号外的代码。

这样，我们就对异常有了一个初步的了解，异常是相对于return的一种退出机制，可以由系统触发，也可以由程序通过throw语句触发，异常可以通过try/catch语句进行捕获并处理，如果没有捕获，则会导致程序退出并输出异常栈信息。异常有不同的类型，接下来，我们来认识一下。

异常类

Throwable

NullPointerException和NumberFormatException都是异常类，所有异常类都有一个共同的父类Throwable，它有4个public构造方法：

public Throwable()
public Throwable(String message)
public Throwable(String message, Throwable cause)
public Throwable(Throwable cause)

有两个主要参数，一个是message，表示异常消息，另一个是cause，表示触发该异常的其他异常。异常可以形成一个异常链，上层的异常由底层异常触发，cause表示底层异常。

Throwable还有一个public方法用于设置cause：

Throwable initCause(Throwable cause)

Throwable的某些子类没有带cause参数的构造方法，就可以通过这个方法来设置，这个方法最多只能被调用一次。

所有构造方法中都有一句重要的函数调用：

fillInStackTrace();

它会将异常栈信息保存下来，这是我们能看到异常栈的关键。

Throwable有一些常用方法用于获取异常信息：

void printStackTrace()

打印异常栈信息到标准错误输出流，它还有两个重载的方法：

void printStackTrace(PrintStream s)
void printStackTrace(PrintWriter s)

打印栈信息到指定的流，关于PrintStream和PrintWriter我们后续文章介绍。

String getMessage()
Throwable getCause()

获取设置的异常message和cause

StackTraceElement[] getStackTrace()

获取异常栈每一层的信息，每个StackTraceElement包括文件名、类名、函数名、行号等信息。

异常类体系

以Throwable为根，Java API中定义了非常多的异常类，表示各种类型的异常，部分类示意如下：

Throwable是所有异常的基类，它有两个子类Error和Exception。

Error表示系统错误或资源耗尽，由Java系统自己使用，应用程序不应抛出和处理，比如图中列出的虚拟机错误(VirtualMacheError)及其子类内存溢出错误(OutOfMemoryError)和栈溢出错误(StackOverflowError)。

Exception表示应用程序错误，它有很多子类，应用程序也可以通过继承Exception或其子类创建自定义异常，图中列出了三个直接子类：IOException(输入输出I/O异常)，SQLException(数据库SQL异常)，RuntimeException(运行时异常)。

RuntimeException(运行时异常)比较特殊，它的名字有点误导，因为其他异常也是运行时产生的，它表示的实际含义是unchecked exception (未受检异常)，相对而言，Exception的其他子类和Exception自身则是checked exception (受检异常)，Error及其子类也是unchecked exception。

checked还是unchecked，区别在于Java如何处理这两种异常，对于checked异常，Java会强制要求程序员进行处理，否则会有编译错误，而对于unchecked异常则没有这个要求。下节我们会进一步解释。

RuntimeException也有很多子类，下表列出了其中常见的一些：

异常	说明
NullPointerException	空指针异常
IllegalStateException	非法状态
ClassCastException	非法强制类型转换
IllegalArgumentException	参数错误
NumberFormatException	数字格式错误
IndexOutOfBoundsException	索引越界
ArrayIndexOutOfBoundsException	数组索引越界
StringIndexOutOfBoundsException	字符串索引越界

这么多不同的异常类其实并没有比Throwable这个基类多多少属性和方法，大部分类在继承父类后只是定义了几个构造方法，这些构造方法也只是调用了父类的构造方法，并没有额外的操作。

那为什么定义这么多不同的类呢？主要是为了名字不同，异常类的名字本身就代表了异常的关键信息，无论是抛出还是捕获异常时，使用合适的名字都有助于代码的可读性和可维护性。

自定义异常

除了Java API中定义的异常类，我们也可以自己定义异常类，一般通过继承Exception或者它的某个子类，如果父类是RuntimeException或它的某个子类，则自定义异常也是unchecked exception，如果是Exception或Exception的其他子类，则自定义异常是checked exception。

我们通过继承Exception来定义一个异常，代码如下：

public class AppException extends Exception {
    public AppException() {
        super();
    }

    public AppException(String message,
            Throwable cause) {
        super(message, cause);
    }

    public AppException(String message) {
        super(message);
    }

    public AppException(Throwable cause) {
        super(cause);
    }
}