【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (11) 异常处理机制

终于到最后一条了，GESP C++四级官方考试大纲中，共有11条考点，本文针对第11条考点进行分析介绍。

（11）了解异常处理机制，掌握异常处理的常用方法。

其实，由于本人也是边学、边实验、边总结，且对考纲深度和广度的把握属于个人理解。因此本文更多的不是一个教程，而是个人知识梳理，如有遗漏、疏忽，欢迎指正、交流。

四级其他考点回顾：

• 【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (1) 指针
• 【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (2) 结构体和二维数组
• 【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (3) 模块化和函数
• 【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (4) 变量和作用域
• 【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (5) 值传递
• 【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (6) 递推算法
• 【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (7) 排序算法基本概念
• 【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (8) 冒泡、插入、选择排序
• 【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (9) 简单算法复杂度的估算
• 【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (10) 文件读写和重定向

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在 C++ 中，异常处理机制主要用于处理程序运行时发生的异常情况，使程序具有更强的鲁棒性（容错性）和可维护性。

一、异常处理机制的定位和作用

C++ 中的异常处理机制是一种结构化错误处理机制，其定位和作用主要有：

✅ 1. 程序健壮性的重要保障

异常处理用于应对程序运行时的非正常情况，如除以 0、数组越界、内存不足、非法输入等。这些问题如果不处理，程序可能崩溃或输出错误结果。

✅ 2. 错误处理与业务逻辑解耦

异常处理将“如何应对错误”与“主流程的正常逻辑”分离，使代码结构更清晰、可维护性更强。

✅ 3. 支持跨层传播的错误传递机制

异常可以从函数内部“抛出”并在调用者（甚至更高层）中“捕获”，避免了每层函数都要显式返回错误码。

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二、异常处理的常用方法

C++ 提供了标准的异常处理机制，主要通过 try、catch 和 throw 关键字实现。

• throw：用于抛出异常，表示程序检测到错误或异常情况。
• try：定义可能抛出异常的代码块。
• catch：捕获并处理特定类型的异常。

2.1 基本异常处理

使用 try 和 catch 捕获特定类型的异常。通常，异常可以是内置类型（如 int、std::string）或自定义异常类。

代码示例:

#include <iostream>
#include <string>

int divide(int a, int b) {
    if (b == 0) {
        throw std::string("Division by zero is not allowed");
    }
    return a / b;
}

int main() {
    try {
        int result = divide(10, 0);
        std::cout << "Result: " << result << std::endl;
    } catch (const std::string& e) {
        std::cerr << "Error: " << e << std::endl;
    }
    return 0;
}

说明：

• throw 抛出 std::string 类型的异常。
• catch 捕获 std::string 类型的异常并打印错误信息。
• 如果没有异常，try 块中的代码正常执行。

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2.2 捕获多种异常类型

可以通过多个 catch 块捕获不同类型的异常。C++ 允许按异常类型的层次结构进行匹配。

代码示例:

#include <iostream>
#include <stdexcept>

void processValue(int value) {
    if (value < 0) {
        throw std::invalid_argument("Negative value not allowed");
    } else if (value > 100) {
        throw std::out_of_range("Value exceeds maximum limit");
    }
    std::cout << "Value processed: " << value << std::endl;
}

int main() {
    try {
        processValue(-5);
        processValue(150);
    } catch (const std::invalid_argument& e) {
        std::cerr << "Invalid argument: " << e.what() << std::endl;
    } catch (const std::out_of_range& e) {
        std::cerr << "Out of range: " << e.what() << std::endl;
    } catch (...) {
        std::cerr << "Unknown error occurred" << std::endl;
    }
    return 0;
}

说明：

• 使用标准库中的异常类（如 std::invalid_argument 和 std::out_of_range）。
• catch (...) 是通配符捕获，用于处理未明确指定的异常类型。
• 异常按声明顺序匹配，因此更具体的异常类型应放在前面。

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2.3 自定义异常类

对于复杂程序，建议定义自定义异常类，继承自 std::exception 或其子类，以便提供更详细的错误信息。

代码示例:

#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <string>
#include <cmath>

class MyException : public std::exception {
private:
    std::string message;
public:
    MyException(const std::string& msg) : message(msg) {}
    const char* what() const noexcept override {
        return message.c_str();
    }
};

double calculateSquareRoot(double x) {
    if (x < 0) {
        throw MyException("Cannot calculate square root of a negative number");
    }
    return sqrt(x);
}

int main() {
    try {
        double result = calculateSquareRoot(-4.0);
        std::cout << "Square root: " << result << std::endl;
    } catch (const MyException& e) {
        std::cerr << "Custom error: " << e.what() << std::endl;
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Standard error: " << e.what() << std::endl;
    } catch (...) {
        std::cerr << "Unknown error" << std::endl;
    }
    return 0;
}

说明：

• MyException 继承自 std::exception，重写了 what() 方法以提供自定义错误信息。
• 异常类可以通过成员变量存储额外信息，增强错误描述的灵活性。
• 多个 catch 块按继承层次匹配异常。

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2.4 异常规范（C++11 前）与 noexcept（C++11 后）

• 异常规范（C++11 前）：C++98/03 使用 throw() 动态异常规范来指定函数可能抛出的异常类型，但此特性在 C++11 中被废弃。
• noexcept（C++11 后）：用于声明函数不会抛出异常，优化性能并提高代码安全性。

代码示例:

#include <iostream>

// 声明函数不会抛出异常
void safeFunction() noexcept {
    std::cout << "This function does not throw exceptions" << std::endl;
}

void mayThrow() {
    throw std::runtime_error("An error occurred");
}

int main() {
    try {
        safeFunction();
        mayThrow();
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Caught: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

执行结果：

This function does not throw exceptions
Caught: An error occurred

说明：

• noexcept 修饰的函数若抛出异常，将导致程序调用 std::terminate()。
• 使用 noexcept 可以提高编译器优化效率，特别是在模板代码中。

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2.5 栈展开与 RAII

C++ 的异常处理会触发栈展开（stack unwinding），即从抛出异常的点到捕获异常的 catch 块之间，局部对象的析构函数会被调用。这使得 RAII（资源获取即初始化）技术在异常处理中尤为重要。

代码示例：RAII 与异常处理

#include <iostream>
#include <stdexcept>

class Resource {
public:
    Resource() { std::cout << "Resource acquired" << std::endl; }
    ~Resource() { std::cout << "Resource released" << std::endl; }
};

void riskyOperation() {
    Resource res; // RAII 对象
    std::cout << "Inside riskyOperation" << std::endl;
    throw std::runtime_error("Something went wrong");
}

int main() {
    try {
        riskyOperation();
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

代码输出：

Resource acquired
Inside riskyOperation
Resource released
Error: Something went wrong

说明：

• Resource 对象的析构函数在异常抛出时自动调用，确保资源正确释放。
• RAII 避免了资源泄漏问题，特别是在复杂控制流中。

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三、标准异常类

C++ 标准库提供了 std::exception 层次结构的异常类，常用类包括：

• std::logic_error：逻辑错误，如 std::invalid_argument、std::out_of_range。
• std::runtime_error：运行时错误，如 std::overflow_error、std::underflow_error。
• std::bad_alloc：内存分配失败。
• std::bad_cast：动态类型转换失败。

使用标准异常类的好处在于:

1. 可移植性：标准异常类在所有支持 C++ 的平台上都可用，代码可以轻松地在不同编译器和操作系统间移植
2. 可读性：标准异常类的命名清晰直观（如 std::invalid_argument、std::out_of_range 等），其他程序员一看就能理解异常的类型和含义
3. 一致性：使用标准异常类可以与 C++ 标准库保持一致的错误处理风格

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四、异常处理的最佳实践

1. 优先使用标准异常类：除非有特殊需求，否则使用 std::exception 及其子类。
2. 捕获异常时使用引用：避免对象拷贝，使用 const std::exception&。
3. 按需捕获异常：避免滥用 catch (...)，因为它可能掩盖未预期的错误。
4. 确保资源安全：使用 RAII 管理资源，避免异常导致的资源泄漏。
5. 明确异常语义：抛出异常时提供清晰的错误信息。
6. 谨慎使用 noexcept：仅在确定函数不会抛出异常时使用。

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五、总结

C++ 的异常处理机制通过 try、catch 和 throw 提供了一种强大的错误处理方式。常用方法包括基本异常处理、捕获多种异常类型、自定义异常类、使用 noexcept 优化性能以及结合 RAII 确保资源安全。遵循最佳实践（如使用标准异常类、避免滥用通配符捕获）可以编写健壮且可维护的代码。

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所有代码已上传至Github：https://github.com/lihongzheshuai/yummy-code

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