java之异常机制

异常

什么是异常？异常是指程序运行过程中出现的错误，一旦错误产生就会创建异常对象，我们需要处理这些异常对象。

异常的体系结构

java中，异常对象均派生自Throwable类，java 异常的体系结构如下
java异常体系结构

Throwable有两个子类，分别为为 Error(错误) 和 Exception(异常)

Error: 表示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。当此类错误发生时，应用不应该去处理此类错误。常见的错误有：Virtual MachineError（虚拟机运行错误）、NoClassDefFoundError（类定义错误）、OutOfMemoryError。此类错误发生时，JVM将终止线程。非代码性错误。
Exception：是程序本身可以捕获并且可以处理的异常。其中可分为运行时异常（RuntimeException）和非运行时异常，也叫做受检异常
- 运行时异常(不受检异常)： RuntimeException类及其子类表示JVM在运行期间可能出现的错误。编译器不会检查此类异常，并且不要求处理异常，比如用空值对象的引用（NullPointerException）、数组下标越界（ArrayIndexOutBoundException）。此类异常属于不可查异常，一般是由程序逻辑错误引起的，在程序中可以选择捕获处理，也可以不处理。
- 非运行时异常(受检异常)： Exception中除RuntimeException及其子类之外的异常。编译器会检查此类异常，如果程序中出现此类异常，比如说 IOException，必须对该异常进行处理，要么使用try-catch捕获，要么使用throws语句抛出，否则编译不通过。

              ---> Throwable <--- 
              |    (checked)     |
              |                  |
              |                  |
      ---> Exception           Error
      |    (checked)        (unchecked)
      |
RuntimeException
  (unchecked)

可查异常和不可查异常

可查异常：指编译器要求必须处置的异常，除了RuntimeException及其子类外的所有Exception及其子类均为可查异常。
不可查异常：指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）

如何处理异常

来看示例：

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块里打开的物理资源(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。

异常声明 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。

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public static void method() throws IOException, FileNotFoundException{
    //something statements
}

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。
通常，应该捕获那些知道如何处理的异常，将不知道如何处理的异常继续传递下去。传递异常可以在方法签名处使用 throws 关键字声明可能会抛出的异常。

private static void readFile(String filePath) throws IOException {
    File file = new File(filePath);
    String result;
    BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader(file));
    while((result = reader.readLine())!=null) {
        System.out.println(result);
    }
    reader.close();
}

Throws抛出异常的规则：

Throws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。调用方法必须遵循任何可查异常的处理和声明规则。
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。
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。

异常抛出 throw

不合适的代码会导致异常，需要抛出这些异常，使程序正常工作：

public static double method(int value) {
    if(value == 0) {
        throw new ArithmeticException("参数不能为0"); //抛出 运行时异常
    }
    return 1.0 / value;
}

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;
    }
}

自定义异常

如果想要自定义异常，继承自``即可
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);
    }
    // ...
}

捕获异常

捕获异常的方式有如下几种：

try-catch
try-catch-finally
try-finally
try-with-resource

try-catch

public int getPlayerScore(String playerFile) {
    try {
        Scanner contents = new Scanner(new File(playerFile));
        return Integer.parseInt(contents.nextLine());
    } catch (FileNotFoundException noFile) {
        throw new IllegalArgumentException("File not found");
    }
}

try-catch-finally

如果在异常出现后，仍需要处理部分逻辑，比如关闭文件等，则需要将最终需要处理的操作放在finally语句块中。

public int getPlayerScore(String playerFile)
  throws FileNotFoundException {
    Scanner contents = null;
    try {
        contents = new Scanner(new File(playerFile));
        return Integer.parseInt(contents.nextLine());
    } finally {
        if (contents != null) {
            contents.close();
        }
    }
}

上述示例中，在向上抛出FileNotFoundException异常前，会调用finally语句块的内容，以关闭文件流。
通常情况下会使用如下写法，以防止关闭文件流出错：

public int getPlayerScore(String playerFile) {
    Scanner contents;
    try {
        contents = new Scanner(new File(playerFile));
        return Integer.parseInt(contents.nextLine());
    } catch (FileNotFoundException noFile ) {
        logger.warn("File not found, resetting score.");
        return 0; 
    } finally {
        try {
            if (contents != null) {
                contents.close();
            }
        } catch (IOException io) {
            logger.error("Couldn't close the reader!", io);
        }
    }
}

JAVA 7 之后可以自动释放实现了AutoCloseable 接口的资源占用。

public int getPlayerScore(String playerFile) {
    try (Scanner contents = new Scanner(new File(playerFile))) {
      return Integer.parseInt(contents.nextLine());
    } catch (FileNotFoundException e ) {
      logger.warn("File not found, resetting score.");
      return 0;
    }
}

上述代码可以自动释放的原因是 Scanner实现了Closeable，而Closeable继承自AutoCloseable：

public final class Scanner implements Iterator<String>, Closeable {
  // ...
}
public interface Closeable extends AutoCloseable {
    public void close() throws IOException;
}

try 代码块退出时，会自动调用 scanner.close 方法，和把 scanner.close 方法放在 finally 代码块中不同的是，若 scanner.close 抛出异常，则会被抑制，抛出的仍然为原始异常。被抑制的异常会由 addSusppressed 方法添加到原来的异常，如果想要获取被抑制的异常列表，可以调用 getSuppressed 方法来获取。

异常实践

当你抛出或捕获异常的时候，有很多不同的情况需要考虑，而且大部分事情都是为了改善代码的可读性或者 API 的可用性。异常不仅仅是一个错误控制机制，也是一个通信媒介。因此，为了和同事更好的合作，一个团队必须要制定出一个最佳实践和规则，只有这样，团队成员才能理解这些通用概念，同时在工作中使用它。

如下是异常使用的场景

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:

try { 
  obj.method(); 
} catch (NullPointerException e) {
  //...
}

主要原因有如下三点：

异常机制的设计初衷是用于不正常的情况，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。

在 finally 块中清理资源或者使用 try-with-resource 语句

防止编码时忘记关闭资源等。

尽量使用标准的异常

异常	使用场景
IllegalArgumentException	参数的值不合适
IllegalStateException	参数的状态不合适
NullPointerException	在null被禁止的情况下参数值为null
IndexOutOfBoundsException	下标越界
ConcurrentModificationException	在禁止并发修改的情况下，对象检测到并发修改
UnsupportedOperationException	对象不支持客户请求的方法

优先捕获最具体的异常

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。

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。

public void doNotCatchThrowable() {
    try {
        // do something
    } catch (Throwable t) {
        // don't do this!
    }
}

不要忽略异常

catch语句块里至少要加上日志。

public void logAnException() {
    try {
        // do something
    } catch (NumberFormatException e) {
        log.error("This should never happen: " + e); // see this line
    }
}

抛出异常则不要打日志

逻辑上没有问题，但是会给同一个异常输出多条日志

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

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);
    }
}

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

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。

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。

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

引用

1. java-exceptions
2. Java异常详解——一篇文章搞定Java异常
 3. Java 基础 - 异常机制详解