C++異常處理：如何確保程序異常時不中斷程序的正常運行

在編寫C++程序時，出現異常是不可避免的。異常的產生可能是由於程序運行時的錯誤、意外情況或其他因素導致的。為了確保程序不會因異常而中斷，C++提供了異常處理機制。

一、異常處理機制

異常處理機制允許在程序遇到異常時，跳轉到一個異常處理程序，並在處理完異常後返回到程序的正常執行流程。在C++中，異常處理通過以下幾個步驟實現：

1. 拋出異常

當程序出現異常時，可以使用關鍵字throw拋出一個異常對象，以表示該異常情況。throw語句的語法格式如下：

throw exception_type(arguments);

其中，exception_type是用戶自定義類或標準異常類，arguments是傳遞給異常構造函數的參數。

2. 捕獲異常

當程序遇到throw語句拋出的異常時，會搜索調用棧，查找是否有與異常相匹配的catch塊。catch塊是由try語句中的代碼塊定義的，用於捕獲指定類型的異常。catch語句的語法格式如下：

try {
    // 可能拋出異常的代碼
}
catch (exception_type1 argument1) {
    // 處理異常的代碼塊1
}
catch (exception_type2 argument2) {
    // 處理異常的代碼塊2
}
catch (...) {
    // 處理所有其他異常的代碼塊
}

需要注意的是，…表示捕獲所有其他未定義類型的異常。如果catch塊中沒有指定參數，則不能訪問拋出的異常，並且程序仍會終止。

二、使用標準異常類

在C++中，標準庫提供了許多異常類，您可以使用這些類來標識和處理異常。其中一些常見的異常類包括：

• std::exception：所有標準異常類的基類。
• std::runtime_error：表示運行時錯誤，例如試圖訪問越界的數組元素、除以0等。
• std::logic_error：表示邏輯錯誤，例如試圖打開不存在的文件、使用無效參數等。
• std::bad_alloc：表示內存分配失敗。

使用標準異常類可以使代碼更加清晰明了，減少錯誤率。例如：

#include <iostream>
#include <exception>

using namespace std;

int divide(int dividend, int divisor) {
    if (divisor == 0) {
        throw runtime_error("除數不能為0");
    }
    return dividend / divisor;
}

int main() {
    try {
        int quotient = divide(10, 0);
        cout << quotient << endl;
    }
    catch (const exception& ex) {
        cerr << "出現異常： " << ex.what() << endl;
    }
    return 0;
}

在上面的例子中，如果除數為0，則會拋出一個std::runtime_error異常，傳遞錯誤消息”除數不能為0″。catch塊捕獲這個異常並輸出錯誤消息。

三、自定義異常類

除了使用標準異常類，您還可以定義自己的異常類來標識和處理異常。自定義異常類必須從std::exception類派生，並且通常需要實現異常構造函數和what()函數。例如：

#include <iostream>
#include <exception>
#include <string>

using namespace std;

class MyException : public exception {
public:
    MyException(const string& message) : m_message(message) {}

    virtual const char* what() const throw() {
        return m_message.c_str();
    }

private:
    string m_message;
};

int main() {
    try {
        throw MyException("自定義異常信息");
    }
    catch (const std::exception& ex) {
        cerr << "出現異常： " << ex.what() << endl;
    }
    return 0;
}

在上面的例子中，自定義了一個MyException類，它從std::exception類派生，並實現了異常構造函數和what()函數。當程序執行throw MyException(“自定義異常信息”)時，由MyException類對象拋出異常。catch塊捕獲異常並輸出錯誤消息。

四、使用多個catch塊處理不同類型的異常

在可能拋出多種類型的異常時，可以使用多個catch塊來分別處理它們。例如：

#include <iostream>
#include <exception>
#include <string>

using namespace std;

int divide(int dividend, int divisor) {
    if (divisor == 0) {
        throw runtime_error("除數不能為0");
    }
    return dividend / divisor;
}

int main() {
    try {
        int quotient = divide(10, 0);
        cout << quotient << endl;
    }
    catch (const std::bad_alloc& ex) {
        cerr << "內存分配失敗" << endl;
    }
    catch (const std::exception& ex) {
        cerr << "出現異常： " << ex.what() << endl;
    }
    return 0;
}

在上面的例子中，當除數為0時，將拋出一個std::runtime_error異常，這時會被第二個catch塊捕獲並輸出錯誤消息。如果除數過大，導致內存分配失敗，則會拋出一個std::bad_alloc異常，這時會被第一個catch塊捕獲並輸出錯誤消息。

五、finally語句塊

在try-catch語句中，可以使用finally語句塊在不論是否拋出異常的情況下執行一段特定的代碼。finally語句塊中的代碼總是會被執行，無論是否拋出異常。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>

using namespace std;

int main() {
    ifstream infile;
    try {
        infile.open("file.txt");
        if (!infile) {
            throw runtime_error("文件打開失敗");
        }
        // 讀取文件
    }
    catch (const exception& ex) {
        cerr << "出現異常： " << ex.what() << endl;
    }
    finally {
        infile.close();
    }
    return 0;
}

在上面的例子中，finally語句塊中的infile.close()總是會被執行，以確保文件流被正常關閉。

六、總結

C++異常處理機制可以確保程序在遇到異常時不會中斷正常的執行流程，從而讓程序更加健壯。除了使用標準異常類，您還可以自定義異常類，並使用多個catch塊處理不同類型的異常。同時，finally語句塊可以用於在不論是否拋出異常的情況下執行一段特定的代碼。