异常处理

在计算和计算机编程领域中，例外处理（exception handling，也意译为异常处理，需注意“异常”一般对应英文abnormality），是对出现的例外的响应处理，在程序执行期间，异常或例外情况需要特殊处理。一般而言，例外打断正常的执行流程并执行预先登记的“例外处理器”；具体如何去做依赖于它是硬件还是软件例外，还有软件例外是如何实现的。
例外是由计算机系统的不同层级来定义的，典型的层级有CPU定义的中断、操作系统（OS）定义的信号和编程语言定义的例外。每个层级都要求不同例外处理方式，但是它们可以是关联的，比如说CPU中断可能被转变成OS信号。一些例外特别是硬件例外，可以被优雅地处理使得程序执行能在它被中断的地方恢复。

**硬体的例外处理**
硬体的异常处理机制由CPU完成。这种机制支持错误检测，在发生错误后会将程序流跳转到专门的错误处理例程中。发生异常前的状态存储在栈上。

**操作系统的例外处理**
针对程序中可能发生的例外，操作系统可能通过IPC来提供对应的处理设施。进程执行过程中发生的中断通常由操作提供的「中断服务子程序」处理，操作系统可以借此向该进程发送信号。进程可以通过注册信号处理器的方式自行处理信号，也可以让操作系统执行预设行为（比如终止该程序）。
从进程的视角，硬体中断相当于可恢复异常，虽然中断一般与程序流本身无关。

**编程语言的例外处理**
在编程语言领域，通常例外（exception）这一术语所描述的是一种资料结构，该资料结构可以存储例外的相关讯息。例外处理的常见的一种机制是移交控制权。引发（raise）异常，也叫作抛出（throw）异常，通过该方式达到移交控制权的效果。例外抛出后，控制权会被移交至某处的接（catch），并执行处理。
编程语言对例外有着截然不同的定义，而现代语言大致上可分两类：- 用作于控制流程的例外，如：Ada、Java、Modula-3、ML、OCaml、Python、Ruby 。- 用作于处理异常、无法预测、错误性的情况。如：C++、C#、Common Lisp、Eiffel、Modula-2 。
从子程序作者的角度看，如果要表示当前子程序无法正常执行，抛出例外是很好的选择。无法正常执行的原因可以是输入参数无效（比如值在函数的定义域之外），也可以是无法获得所需的资源（比如文件不存在、硬碟出错、内存不足）等等。在不支持例外的系统中，子程序需要通过返回特殊的错误码实作类似的功能。然而回传错误码可能导致不完全预测问题，子程序的使用方需要编写额外的代码，才能将普通的回传值与错误码相区别。
Kiniry强调：“语言设计仅仅部分地影响了对例外的使用，从而影响编程者处理系统执行期间部分或所有失败的方式。其他主要的影响还有在核心库、技术书籍、杂志文章、在线研讨论坛和特定组织的代码标准中的使用示例”。 

**历史**
在1960和1970年代，Lisp语言发展出软体例外。最初版本是在1962年Lisp 1.5的时候，这时候异常通过ERRSET关键词进行捕捉，并在出错时候，通过NIL进行回传，而不是以前的终止程序或者进行调试器。p=31960年代后半，Maclisp语言通过ERR关键词引入“引发”（Raise）错误机制。p=3Lisp的这种创新不仅仅被应用于抛出错误，还被应用于“非局部控制流”。在在1972年6月，Maclisp语言通过CATCH和THROW两个新的关键词来实现非局部控制流，并保留ERRSET和ERR专门做错误处理。在1970中后，NIL（“新实现的LISP”）衍生出清除操作UNWIND-PROTECT，对应着现今常见的finally。p=194该操作也被Common Lisp使用了。与之同时代，Scheme也诞生了dynamic-wind，用于处理闭包中的异常。1975a和1975b是介绍结构化的异常处理的开创性文章。p=392 1980年后，异常处理被广泛利用于许多编程语言。
PL/I语言使用的是动态作用域例外，然而稍微现代的编程语言多用词法作用域的例外。PL/I语言的例外处理包含事件（不是错误）、注意（Attention）、EOF、列举了的变量的修改（Modification of listed variables）。虽然现在的一些编程语言支持不含错误信息的例外，但是他们并不常见。
一开始，软体的例外处理是包含可恢复的例外，它具有恢复语义，就像大部分的硬体例外一样，以及不恢复的例外，它具有终止语义。但是，在1960和1970时代，在实践中得出恢复语义是十分低效的（C++标准相关的讨论可见loc=16.6 Exception Handling: Resumption vs. Termination, pp. 390–393），因此恢复语义就很少再出现了，通常只能在类似Common Lisp和Dylan这种语言中见到。

**批评**
1980年Tony Hoare在评论Ada语言时，将异常处理提及为危险特征。
对于软件而言，异常处理经常无法正确的处理，尤其是当这里有多种来自不同源代码的异常时。在对五百万行Java代码进行数据流分析时，我们发现了超过1300个异常处理。这是1999-2004年的前沿报告以及他们的结论，Weimer和Necula写到，异常是一个十分严峻的问题，他们会创造隐藏的控制流途径，这种途径是编程人员很难去推理的。
Go语言的初始版本并没有异常处理，而因此被有的开发者认为控制流十分冗余。后来，追加了类似的异常处理的语法lang=go/lang=go机制，但是Go语言的作者建立这仅仅在整个程序不可恢复的错误时候使用它。
异常，作为一个非结构化的流程，它会增加资源泄露的可能性（如：从锁住的代码中逃脱，在打开文件时候逃脱掉），也有可能导致状态不一致。因此，出现了集中异常处理的资源管理技术，最常见的结合dispose pattern和解除保护（unwind protection）一起使用（如finally语句），会在这段代码的控制权结束时自动释放资源。

**编程语言相关支持**
许多常见的程序设计语言支持异常处理，包括：
*Actionscript
*Ada
*BlitzMax
*C++
*C#
*Common Lisp
*D
*ECMAScript
*Eiffel
*Java
*ML
*Modula-2
*Modula-3
*Object Pascal
*Objective-C
*OCaml
*PHP（版本5）
*PL/I
*Prolog
*Python
*REALbasic
*Ruby
*Visual Prolog
*Scheme
*大多数.NET语言
多数语言的异常机制的语法是类似的：用throw或raise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（try或begin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, rescue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，用于无例外出现的情况。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语言没有try-catch异常处理，而是使用返回码用于错误检查；setjmp与longjmp标准库函数可以被用来通过宏实现try-catch处理。一般在异常处理代码的搜索过程中会逐级完成-{zh-hans:栈卷回;zh-hant:堆叠辗转开解;}-（stack unwinding）；但Common Lisp中进行异常处理的条件系统，不采取-{zh-hans:栈卷回;zh-hant:堆叠辗转开解;}-，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。

**C++**
C++异常处理是资源获取即初始化（RAII）的基础。异常事件在C++中表示为“异常对象”（exception object）。异常事件发生时，由操作系统为程序设置当前异常对象，然后执行程序的当前异常处理代码块，在包含了异常出现点的最内层的try块，依次匹配同级的catch语句。如果匹配catch语句成功，则在该catch块内处理异常；然后执行当前try...catch...块之后的代码。如果在当前的try...catch...块没有能匹配该异常对象的catch语句，则由更外一层的try...catch...块处理该异常；如果当前函数内的所有try...catch...块都不能匹配该异常，则递归回退到调用栈的上一层函数去处理该异常。如果一直回退到主函数main()都不能处理该异常，则调用系统函数terminate()终止程序。

**Python**
在Python中只存在语法错误和例外。语法错误是在运行之前发生的。而例外是在运行时发生的错误，除非进行捕捉处理，否则它将无条件停止程序。可以书写代码来处理选定的例外。
Python语言中对例外处理机制的采用是非常普遍深入的，这种编码风格被称为EAFP（请求原谅比得到许可更容易），它假定有效的键或特性存在，并在这个假定证明失败时捕获例外。Python社区认为这种风格是清晰而快速的，它的特征是会出现很多try和except语句。这种技术对立于常见于很多其他语言比如C语言中的LBYL（看好再跳）风格。

**Java**
在Java中异常是异常事件（exceptional event）的缩写。异常是一个事件，它发生在程序运行时并会打乱程序指示的正常流程。当方法出现了错误时，方法会创建一个对象并将它交给运行时系统，所创建的对象叫“异常对象”，该对象包含了错误的信息（描述了出错时的程序的类型和状态）。创建错误对象和转交给运行时系统的过程，叫抛出异常。
class RuntimeException 和class Error均是不检查的异常（Unchecked Exceptions）。错误不等于错误类（class Error），错误类代表着不应该被捕捉的严重的问题。class RuntimeException 意味着程序出现问题了。

**Go**
Go语言提倡的是错误处理（error handling）。Go语言设计者系统希望使用者在错误出时，显式地检查错误。 Go虽然不提供与Java语言的try..catch同等的功能语句，但是取而代之，提供了轻型的异常处理机制panic...recover。

**.NET语言**
大多数.NET程序设计语言，内建的异常机制都是沿着函数-{zh-hans:调用栈;zh-hant:呼叫堆叠}-的函数调用逆向搜索，直到遇到异常处理代码为止。而 Visual Basic（尤其是在其早于 .net 的版本，例如 6.0 中）走得更远：on error 语句可轻易指定发生异常后是重试（resume）还是跳过（resume next）还是执行程序员定义的错误处理程序（goto ***）。

**错误处理**
错误处理（error handling）是通过处理函数的返回值的形式从而处理错误的一种编程方式。在Go等返回值可为复数的语言中，可通过将其中一个值设为错误值，从而达到错误处理的效果。
f, err := os.Open("filename.ext")
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
// do something with the open *File f
在仅仅支持返回状态码的语言里，可通过处理错误码，达到错误处理的效果。shell语言可通过$?获得函数执行的退出码，从而判断是否出错。
在其他语言中，可以通过判断结果的某一个特征，从而达到错误处理部分的效果，但不意味着这些语言自身支持错误处理。如，Java等面向对象的语言往往会通过null值判断是否执行失败，但有时候也会通过异常处理判断是否执行失败。

**技术问题**

**未捕捉异常**
如果一个异常抛出后，没有被捕捉，那幺未捕捉异常（uncaught exception）将会在运行时被处理。进行该处理的例程叫“未捕捉异常处理器”（uncaught exception handler）。大部分的处理是终止程序并将错误信息打印至控制台，该信息通常包含调试用的信息，如：异常的描述信息、栈追踪。通常处于最高级（应用级别）的处理器，即便捕捉到异常也会避免终止自身（如：线程出现异常，主线程也不会终止）。
值得了解的是，在即便未捕捉异常导致了程序异常中断（如：异常没被捕捉、滚动未完成、没释放资源），程序仍旧能正常地顺序性地关闭。只要确保运行时系统能正常地运行，因为运行时系统控制着整个程序的执行。
作为默认的未捕捉异常处理器是可以被替换的，不管是全局还是单线程的，新的未捕捉异常处理器可以尝试做这些事情：未捕捉异常导致关闭了的线程，使之重启；提供另一种方式记录日志；让用户报告未捕捉异常等等。在Java中，单一线程可以使用Thread.setUncaughtExceptionHandler，全局可以用Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler；在python中，可通过修改sys.excepthook。

**异常的静态检查**

**= 检查性异常 =**
Java的设计者设计了 检查性异常（Checked exceptions）。当方法引发“检查性异常”时，“检查性异常”将成为方法符号的一部分。例如：如果方法抛出了IOException ，我们必须显式地使用方法符号（在Java中是try...catch），如果不这样做的话将会导致编译时错误。

**异常安全**
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：
#“失败透明”，也称作“不抛出保证”：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）
#“提交或卷回的语义”，或称作“强异常安全”或“无变化保证”：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。
#“基本异常安全”：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。
#“最小异常安全”，也称作“无泄漏保证”：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。
# “没有异常安全”：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++的 std::vector或Java的 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。

**引用**

**参考文献**
 oclc=123311492-  dead-url = no-  first = John B.- edition=1st- dead-url=no 

**外部链接**
  A Crash Course on the Depths of Win32 Structured Exception Handling by Matt Pietrek - Microsoft Systems Journal (1997)- Article " C++ Exception Handling date=20110717205658 " by Christophe de Dinechin- Article " Exceptional practices date=20110604072934 " by Brian Goetz- Article " Object Oriented Exception Handling in Perl date=20100715182059 " by Arun Udaya Shankar- Article " Programming with Exceptions in C++ date=20091004221159 " by Kyle Loudon- Article " Unchecked Exceptions - The Controversy date=20090805054419 "- Conference slides  Floating-Point Exception-Handling policies (pdf p. 46)  date=20130620140729  by William Kahan-  Descriptions from Portland Pattern Repository date=20110514181448 -  Does Java Need Checked Exceptions?