Java的异常

一个健壮的程序必须处理各种各样的错误。

所谓错误，就是程序调用某个函数的时候，如果失败了，就表示出错。

调用方如何获知调用失败的信息？有两种方法：

方法一：约定返回错误码。

例如，处理一个文件，如果返回0，表示成功，返回其他整数，表示约定的错误码：

int code = processFile("C:\\test.txt");
if (code == 0) {
    // ok:
} else {
    // error:
    switch (code) {
    case 1:
        // file not found:
    case 2:
        // no read permission:
    default:
        // unknown error:
    }
}

因为使用int类型的错误码，想要处理就非常麻烦。这种方式常见于底层C函数。

方法二：在语言层面上提供一个异常处理机制。

Java内置了一套异常处理机制，总是使用异常来表示错误。

异常是一种class，因此它本身带有类型信息。异常可以在任何地方抛出，但只需要在上层捕获，这样就和方法调用分离了：

try {
    String s = processFile(“C:\\test.txt”);
    // ok:
} catch (FileNotFoundException e) {
    // file not found:
} catch (SecurityException e) {
    // no read permission:
} catch (IOException e) {
    // io error:
} catch (Exception e) {
    // other error:
}

因为Java的异常是class，它的继承关系如下：

                     ┌───────────┐
                     │  Object   │
                     └───────────┘
                           ▲
                           │
                     ┌───────────┐
                     │ Throwable │
                     └───────────┘
                           ▲
                 ┌─────────┴─────────┐
                 │                   │
           ┌───────────┐       ┌───────────┐
           │   Error   │       │ Exception │
           └───────────┘       └───────────┘
                 ▲                   ▲
         ┌───────┘              ┌────┴──────────┐
         │                      │               │
┌─────────────────┐    ┌─────────────────┐┌───────────┐
│OutOfMemoryError │... │RuntimeException ││IOException│...
└─────────────────┘    └─────────────────┘└───────────┘
                                ▲
                    ┌───────────┴─────────────┐
                    │                         │
         ┌─────────────────────┐ ┌─────────────────────────┐
         │NullPointerException │ │IllegalArgumentException │...
         └─────────────────────┘ └─────────────────────────┘

从继承关系可知：Throwable是异常体系的根，它继承自Object。Throwable有两个体系：Error和Exception，Error表示严重的错误，程序对此一般无能为力，例如：

  • OutOfMemoryError：内存耗尽
  • NoClassDefFoundError：无法加载某个Class
  • StackOverflowError：栈溢出

而Exception则是运行时的错误，它可以被捕获并处理。

某些异常是应用程序逻辑处理的一部分，应该捕获并处理。例如：

  • NumberFormatException：数值类型的格式错误
  • FileNotFoundException：未找到文件
  • SocketException：读取网络失败

还有一些异常是程序逻辑编写不对造成的，应该修复程序本身。例如：

  • NullPointerException：对某个null的对象调用方法或字段
  • IndexOutOfBoundsException：数组索引越界

Exception又分为两大类：

  1. RuntimeException以及它的子类；
  2. 非RuntimeException（包括IOException、ReflectiveOperationException等等）

Java规定：

  • 必须捕获的异常，包括Exception及其子类，但不包括RuntimeException及其子类，这种类型的异常称为Checked Exception。
  • 不需要捕获的异常，包括Error及其子类，RuntimeException及其子类。

捕获异常

捕获异常使用try...catch语句，把可能发生异常的代码放到try {...}中，然后使用catch捕获对应的Exception及其子类：

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] bs = toGBK("中文");
        System.out.println(Arrays.toString(bs));
    }

    static byte[] toGBK(String s) {
        try {
            // 用指定编码转换String为byte[]:
            return s.getBytes("GBK");
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            // 如果系统不支持GBK编码，会捕获到UnsupportedEncodingException:
            System.out.println(e); // 打印异常信息
            return s.getBytes(); // 尝试使用用默认编码
        }
    }
}

如果我们不捕获UnsupportedEncodingException，会出现编译失败的问题：

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] bs = toGBK("中文");
        System.out.println(Arrays.toString(bs));
    }

    static byte[] toGBK(String s) {
        return s.getBytes("GBK");
    }
}

编译器会报错，错误信息类似：unreported exception UnsupportedEncodingException; must be caught or declared to be thrown，并且准确地指出需要捕获的语句是return s.getBytes("GBK");。意思是说，像UnsupportedEncodingException这样的Checked Exception，必须被捕获。

这是因为String.getBytes(String)方法定义是：

public byte[] getBytes(String charsetName) throws UnsupportedEncodingException {
    ...
}

在方法定义的时候，使用throws Xxx表示该方法可能抛出的异常类型。调用方在调用的时候，必须强制捕获这些异常，否则编译器会报错。

在toGBK()方法中，因为调用了String.getBytes(String)方法，就必须捕获UnsupportedEncodingException。我们也可以不捕获它，而是在方法定义处用throws表示toGBK()方法可能会抛出UnsupportedEncodingException，就可以让toGBK()方法通过编译器检查：

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] bs = toGBK("中文");
        System.out.println(Arrays.toString(bs));
    }

    static byte[] toGBK(String s) throws UnsupportedEncodingException {
        return s.getBytes("GBK");
    }
}

上述代码仍然会得到编译错误，但这一次，编译器提示的不是调用return s.getBytes("GBK");的问题，而是byte[] bs = toGBK("中文");。因为在main()方法中，调用toGBK()，没有捕获它声明的可能抛出的UnsupportedEncodingException。

修复方法是在main()方法中捕获异常并处理：

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            byte[] bs = toGBK("中文");
            System.out.println(Arrays.toString(bs));
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            System.out.println(e);
        }
    }

    static byte[] toGBK(String s) throws UnsupportedEncodingException {
        // 用指定编码转换String为byte[]:
        return s.getBytes("GBK");
    }
}

可见，只要是方法声明的Checked Exception，不在调用层捕获，也必须在更高的调用层捕获。所有未捕获的异常，最终也必须在main()方法中捕获，不会出现漏写try的情况。这是由编译器保证的。main()方法也是最后捕获Exception的机会。

如果是测试代码，上面的写法就略显麻烦。如果不想写任何try代码，可以直接把main()方法定义为throws Exception：

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] bs = toGBK("中文");
        System.out.println(Arrays.toString(bs));
    }

    static byte[] toGBK(String s) throws UnsupportedEncodingException {
        // 用指定编码转换String为byte[]:
        return s.getBytes("GBK");
    }
}

因为main()方法声明了可能抛出Exception，也就声明了可能抛出所有的Exception，因此在内部就无需捕获了。代价就是一旦发生异常，程序会立刻退出。

还有一些童鞋喜欢在toGBK()内部“消化”异常：

static byte[] toGBK(String s) {
    try {
        return s.getBytes("GBK");
    } catch (UnsupportedEncodingException e) {
        // 什么也不干
    }
    return null;

这种捕获后不处理的方式是非常不好的，即使真的什么也做不了，也要先把异常记录下来：

static byte[] toGBK(String s) {
    try {
        return s.getBytes("GBK");
    } catch (UnsupportedEncodingException e) {
        // 先记下来再说:
        e.printStackTrace();
    }
    return null;

所有异常都可以调用printStackTrace()方法打印异常栈，这是一个简单有用的快速打印异常的方法。

捕获异常

多catch语句

可以使用多个catch语句，每个catch分别捕获对应的Exception及其子类。JVM在捕获到异常后，会从上到下匹配catch语句，匹配到某个catch后，执行catch代码块，然后不再继续匹配。

简单地说就是：多个catch语句只有一个能被执行。例如：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (IOException e) {
        System.out.println(e);
    } catch (NumberFormatException e) {
        System.out.println(e);
    }
}

存在多个catch的时候，catch的顺序非常重要：子类必须写在前面。

finally语句

无论是否有异常发生，如果我们都希望执行一些语句，例如清理工作，怎么写？

可以把执行语句写若干遍：正常执行的放到try中，每个catch再写一遍。例如：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
        System.out.println("END");
    } catch (UnsupportedEncodingException e) {
        System.out.println("Bad encoding");
        System.out.println("END");
    } catch (IOException e) {
        System.out.println("IO error");
        System.out.println("END");
    }
}

上述代码无论是否发生异常，都会执行System.out.println("END");这条语句。

那么如何消除这些重复的代码？Java的try ... catch机制还提供了finally语句，finally语句块保证有无错误都会执行。上述代码可以改写如下：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (UnsupportedEncodingException e) {
        System.out.println("Bad encoding");
    } catch (IOException e) {
        System.out.println("IO error");
    } finally {
        System.out.println("END");
    }
}

finally总是最后执行。

某些情况下，可以没有catch，只使用try ... finally结构。例如：

void process(String file) throws IOException {
    try {
        ...
    } finally {
        System.out.println("END");
    }
}

因为方法声明了可能抛出的异常，所以可以不写catch。

捕获多种异常

如果某些异常的处理逻辑相同，但是异常本身不存在继承关系，那么就得编写多条catch子句：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (IOException e) {
        System.out.println("Bad input");
    } catch (NumberFormatException e) {
        System.out.println("Bad input");
    } catch (Exception e) {
        System.out.println("Unknown error");
    }
}

因为处理IOException和NumberFormatException的代码是相同的，所以我们可以把它两用|合并到一起：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (IOException | NumberFormatException e) { // IOException或NumberFormatException
        System.out.println("Bad input");
    } catch (Exception e) {
        System.out.println("Unknown error");
    }
}

抛出异常

异常的传播

当某个方法抛出了异常时，如果当前方法没有捕获异常，异常就会被抛到上层调用方法，直到遇到某个try ... catch被捕获为止：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            process1();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static void process1() {
        process2();
    }

    static void process2() {
        Integer.parseInt(null); // 会抛出NumberFormatException
    }
}

通过printStackTrace()可以打印出方法的调用栈，类似：

java.lang.NumberFormatException: null
    at java.base/java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:614)
    at java.base/java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:770)
    at Main.process2(Main.java:16)
    at Main.process1(Main.java:12)
    at Main.main(Main.java:5)
Java

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