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[Java知识库]【JavaSE】----- 认识异常

一、异常的背景

🍓初识异常

（1）除以0

（2）访问null对象

（3）数组下标越界

所谓异常指的就是程序在运行时出现错误时通知调用者的一种机制。
编译时错误：例如将 System.out.println 拼写错了, 写成了 system.out.println. 此时编译过程中就会出错, 这是 "编译期" 出错；
运行时错误：是指程序已经编译通过得到 class 文件了, 再由 JVM 执行过程中出现的错误。
异常的种类有很多, 不同种类的异常具有不同的含义, 也有不同的处理方式。

🍓防御式编程

错误在代码中是客观存在的. 因此我们要让程序出现问题的时候及时通知程序猿.

?通知方式主要有两种：

LBYL: Look Before You Leap. 在操作之前就做充分的检查。
EAFP: It's Easier to Ask Forgiveness than Permission. "事后获取原谅比事前获取许可更容易". 也就是先操作, 遇到问题再处理。

异常的核心思想就是 EAFP。

🍓异常的好处

🌊代码示例：使用伪代码演示进入游戏的过程.

LBYL 风格的代码(不使用异常)

boolean ret = false;
ret = 登陆游戏();
if (!ret) {
处理登陆游戏错误;
return;
}
ret = 开始匹配();
if (!ret) {
处理匹配错误;
return;
}
ret = 游戏确认();
if (!ret) {
处理游戏确认错误;
return;
}
ret = 选择英雄();
if (!ret) {
处理选择英雄错误;
return;
}
ret = 载入游戏画面();
if (!ret) {
处理载入游戏错误;
return;
}
......

EAFP 风格的代码(使用异常)

try {
登陆游戏();
开始匹配();
游戏确认();
选择英雄();
载入游戏画面();
...
} catch (登陆游戏异常) {
处理登陆游戏异常;
} catch (开始匹配异常) {
处理开始匹配异常;
} catch (游戏确认异常) {
处理游戏确认异常;
} catch (选择英雄异常) {
处理选择英雄异常;
} catch (载入游戏画面异常) {
处理载入游戏画面异常;
}
......

对比两种不同风格的代码, 可以发现：

第一种方式（不使用异常）：正常流程和错误处理流程代码混在一起, 代码整体显的比较混乱.
第二种方式（使用异常）：正常流程和错误流程是分离开的, 更容易理解代码。

二、异常的基本用法

🍓捕获异常

基本用法：

try{
有可能出现异常的语句 ;
}[catch (异常类型 异常对象) {
} ... ]
[finally {
异常的出口
}]

try 代码块中放的是可能出现异常的代码。
catch 代码块中放的是出现异常后的处理行为。
finally 代码块中的代码用于处理善后工作, 会在最后执行。
其中 finally 可以根据情况选择加或者不加。

🌊代码示例：不处理异常

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {1, 2, 3};
        System.out.println("before");
        System.out.println(arr[100]);
        System.out.println("after");
    }
}

//运行结果 （数组越界异常）
before
Exception in thread "main" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 100
	at TestDemo.main(TestDemo.java:13)

一旦出现异常, 程序就终止，第二个输出语句（输出"after"）没有正确输出

🌊代码示例：使用 try catch 后的程序执行过程

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {1, 2, 3};
        try {
            System.out.println("before");
            System.out.println(arr[100]);
            System.out.println("after");
        } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
            // 打印出现异常的调用栈
            e.printStackTrace();
            System.out.println("捕捉到了一个数组越界异常");
        }
        System.out.println("after try catch");
    }
}

//运行结果：
before
捕捉到了一个数组越界异常
after try catch
java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 100
	at TestDemo.main(TestDemo.java:14)

一旦 try 中出现异常, 那么 try 代码块中的程序就不会继续执行, 而是交给 catch 中的代码来执行。catch 执行完毕会继续往下执行。
如果不处理异常，那么这个异常就会交给JVM处理，一旦交给了JVM处理，程序会立马终止！

🍓异常的处理

异常的种类有很多, 我们要根据不同的场景来决定。
对于比较严重的问题(例如和算钱相关的场景), 应该让程序直接崩溃, 防止造成更严重的后果。
对于不太严重的问题(大多数场景), 可以记录错误日志, 并通过监控报警程序及时通知程序猿
对于可能会恢复的问题(和网络相关的场景), 可以尝试进行重试。
当前的代码中采取的是经过简化的第二种方式. 记录的错误日志是出现异常的方法调用信息, 能很快速的让我们找到出现异常的位置。

?调用栈：e.printStackTrace();

方法之间是存在相互调用关系的, 这种调用关系我们可以用 "调用栈" 来描述.
在 JVM 中有一块内存空间称为 "虚拟机栈" 专门存储方法之间的调用关系.
当代码中出现异常的时候, 我们就可以使用 e.printStackTrace(); 的方式查看出现异常代码的调用栈。

🌊代码示例：catch 只能处理对应种类的异常。修改代码, 让代码抛出的是空指针异常

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {1, 2, 3};
        try {
            System.out.println("before");
            arr = null;
            System.out.println(arr[100]);
            System.out.println("after");
        } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
            // 打印出现异常的调用栈
            e.printStackTrace();
            System.out.println("捕捉到了一个数组越界异常");
        }
        System.out.println("after try catch");
    }
}

//运行结果：
before
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
	at TestDemo.main(TestDemo.java:15)

此时, catch 语句不能捕获到刚才的空指针异常. 因为异常类型不匹配

🌊代码示例：catch 可以有多个

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {1, 2, 3};
        try {
            System.out.println("before");
            arr = null;
            System.out.println(arr[100]);
            System.out.println("after");
        } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
            // 打印出现异常的调用栈
            e.printStackTrace();
            System.out.println("捕捉到了一个数组越界异常");
        }catch (NullPointerException e){
            e.printStackTrace();
            System.out.println("捕捉到了一个空指针异常");
        }
        System.out.println("after try catch");
    }
}

//运行结果：
before
捕捉到了一个空指针异常
after try catch
java.lang.NullPointerException
	at TestDemo.main(TestDemo.java:15)

一段代码可能会抛出多种不同的异常, 不同的异常有不同的处理方式. 因此可以搭配多个 catch 代码块.

🌊代码示例：如果多个异常的处理方式是完全相同, 也可以写成如下代码：

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
            int[] arr = {1, 2, 3};
            try {
                System.out.println("before");
                arr = null;
                System.out.println(arr[100]);
                System.out.println("after");
            } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException | NullPointerException e) {
                // 打印出现异常的调用栈
                e.printStackTrace();
                System.out.println("捕捉到了一个数组越界/空指针异常");
            }
            System.out.println("after try catch");
    }
}

//运行结果：
before
捕捉到了一个数组越界/空指针异常
after try catch
java.lang.NullPointerException
	at TestDemo.main(TestDemo.java:15)

当try中发生异常后，要在对应的catch里面捕捉对应的异常。
如果没有捕捉到这个异常，就会交给JVM处理，一旦交给JVM处理，程序就会里面终止。

🌊代码示例：也可以用一个 catch 捕获所有异常(不推荐使用这种写法)

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
            int[] arr = {1, 2, 3};
            try {
                System.out.println("before");
                arr = null;
                System.out.println(arr[100]);
                System.out.println("after");
            } catch (Exception e) {
                // 打印出现异常的调用栈
                e.printStackTrace();
                System.out.println("捕捉到了一个异常");
            }
            System.out.println("after try catch");
    }
}

//运行结果：
before
捕捉到了一个异常
after try catch
java.lang.NullPointerException
	at TestDemo.main(TestDemo.java:15)

由于 Exception 类是所有异常类的父类.，因此可以用这个类型表示捕捉所有异常。
catch 进行类型匹配的时候, 不光会匹配相同类型的异常对象, 也会捕捉目标异常类型的子类对象。
catch 在捕获异常的时候，从上往下执行，最好是：子类 -> 父类。最好是捕获具体的异常类

🌊代码示例：finally 表示最后的善后工作, 例如释放资源

import java.util.InputMismatchException;
import java.util.Scanner;

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        try {
            int n  = scanner.nextInt();
            System.out.println(10/n);
        }catch (InputMismatchException e){
            e.printStackTrace();
            System.out.println("输入有误！");
        }catch (ArithmeticException e){
            e.printStackTrace();;
            System.out.println("算术异常，可能0作为了除数");
        }finally {
            //用作资源关闭
            scanner.close();
            System.out.println("finally执行了");
        }
    }
}

//输入：0
//运行结果：
java.lang.ArithmeticException: / by zero
	at TestDemo.main(TestDemo.java:17)
算术异常，可能0作为了除数
finally执行了

无论是否存在异常, finally 中的代码一定都会执行到. 保证最终一定会执行到 Scanner 的 close 方法。

上面这个代码可以有一种等价写法：将 Scanner 对象在 try 的 ( ) 中创建, 就能保证在 try 执行完毕后自动调用 Scanner 的 close 方法。

🌊代码示例：

import java.util.InputMismatchException;
import java.util.Scanner;

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try(Scanner scanner = new Scanner(System.in)) {
            int n  = scanner.nextInt();
            System.out.println(10/n);
        }catch (InputMismatchException e){
            e.printStackTrace();
            System.out.println("输入有误！");
        }catch (ArithmeticException e){
            e.printStackTrace();;
            System.out.println("算术异常，可能0作为了除数");
        }
    }
}

🌊代码示例：如果本方法中没有合适的处理异常的方式, 就会沿着调用栈向上传递

public class TestDemo {
    public static void func() {
        int[] arr = {1, 2, 3};
        System.out.println(arr[100]);
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            func();
        } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("after try catch");
    }
}

//运行结果：
java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 100
	at TestDemo.func(TestDemo.java:23)
	at TestDemo.main(TestDemo.java:15)
after try catch

如果向上一直传递都没有合适的方法处理异常, 最终就会交给 JVM 处理, 程序就会异常终止(和最开始未使用 try catch 时是一样的）

🌊代码示例：

public class TestDemo {
    public static void func() {
        int[] arr = {1, 2, 3};
            System.out.println(arr[100]);
    }
    public static void main(String[] args) {
        func();
        System.out.println("after try catch");
    }
}

//运行结果：
Exception in thread "main" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 100
	at TestDemo.func(TestDemo.java:15)
	at TestDemo.main(TestDemo.java:18)

?代码执行结果说明：程序异常终止, 没有执行到 System.out.println("after try catch"); 这一行。

🍓异常的处理流程：

程序先执行 try 中的代码
如果 try 中的代码出现异常, 就会结束 try 中的代码, 看和 catch 中的异常类型是否匹配.
如果找到匹配的异常类型, 就会执行 catch 中的代码
如果没有找到匹配的异常类型, 就会将异常向上传递到上层调用者.
无论是否找到匹配的异常类型, finally 中的代码都会被执行到(在该方法结束之前执行).
如果上层调用者也没有处理的了异常, 就继续向上传递.

一直到 main 方法也没有合适的代码处理异常, 就会交给 JVM 来进行处理, 此时程序就会异常终止.

🍓抛出异常

除了 Java 内置的类会抛出一些异常之外,也可以使用 throw 关键字手动抛出某个异常.

🌊代码示例：

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(divide(10, 0));
    }
    public static int divide(int x, int y) {
        if (y == 0) {
            throw new ArithmeticException("抛出除 0 异常");
        }
        return x / y;
    }
}

//运行结果：
Exception in thread "main" java.lang.ArithmeticException: 抛出除 0 异常
	at TestDemo.divide(TestDemo.java:18)
	at TestDemo.main(TestDemo.java:14)

在这个代码中, 可以根据实际情况来抛出需要的异常.
在构造异常对象同时可以指定一些描述性信息

🍓异常说明

在处理异常的时候, 通常希望知道这段代码中究竟会出现哪些可能的异常.
可以使用 throws 关键字, 把可能抛出的异常显式的标注在方法定义的位置. 从而提醒调用者要注意捕获这些异常

🌊代码示例：

    public static int divide(int x, int y) throws ArithmeticException{
        if (y == 0) {
            throw new ArithmeticException("抛出除 0 异常");
        }
        return x / y;
    }

🍓关于 finally 的注意事项

finally 中的代码保证一定会被执行到，也会带来一些麻烦

🌊代码示例：

public class TestDemo {
    public static int func(){
        int a = 10;
        try {
            return a;
        }catch (ArithmeticException e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            return 20;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(func());
    }
}

//运行结果：20

?代码运行结果说明:

finally 执行的时机是在方法返回之前(try 或者 catch 中如果有 return 会在这个 return 之前执行 finally).
但是如果finally 中也存在 return 语句, 那么就会执行 finally 中的 return, 从而不会执行到 try 中原有的 return.
一般不建议在 finally 中写 return (会被编译器当做一个警告)

三、Java的异常体系

Java 内置了丰富的异常体系, 用来表示不同情况下的异常?

?说明：

顶层类 Throwable 派生出两个重要的子类, Error 和 Exception
其中 Error 指的是 Java 运行时内部错误和资源耗尽错误. 应用程序不抛出此类异常. 这种内部错误一旦出现，
除了告知用户并使程序终止之外, 再无能无力. 这种情况很少出现.
Exception 是我们程序猿所使用的异常类的父类.
其中 Exception 有一个子类称为 RuntimeException , 这里面又派生出很多我们常见的异常类
NullPointerException , IndexOutOfBoundsException 等

Java语言规范将派生于 Error 类或 RuntimeException 类的所有异常称为 非受查异常(运行时异常), 所有的其他异常称为 受查异常。
如果一段代码可能抛出受查异常, 那么必须显式进行处理。

🌊代码示例：

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(readFile());
    }
    public static String readFile() {
        // 尝试打开文件, 并读其中的一行.
        File file = new File("d:/test.txt");
        // 使用文件对象构造 Scanner 对象.
        Scanner sc = new Scanner(file);
        return sc.nextLine();
    }
}

//编译错误：
Error:(13, 22) java: 未报告的异常错误java.io.FileNotFoundException; 必须对其进行捕获或声明以便抛出

查看 Scanner 的构造方法可以发现, 存在 FileNotFoundException 这样的异常说明：

public Scanner(File source) throws FileNotFoundException {
...
}

如 FileNotFoundException 这样的异常就是受查异常. 如果不显式处理, 编译无法通过。

?显式处理异常的方式有两种：

（1）使用 try catch 包裹起来

🌊代码示例：

import java.io.File;
import java.io.FileNotFoundException;

public class TestDemo {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(readFile());
    }
    public static String readFile() {
        // 尝试打开文件, 并读其中的一行.
        File file = new File("d:/test.txt");
        // 使用文件对象构造 Scanner 对象.
        Scanner sc = null;
        try {
            sc = new Scanner(file);
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return sc.nextLine();
    }
}

（2）在方法上加上异常说明, 相当于将处理动作交给上级调用者

🌊代码示例：

import java.io.File;
import java.io.FileNotFoundException;

public class TestDemo {
    
    public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException {
        System.out.println(readFile());
    }
    public static String readFile() throws FileNotFoundException {
        // 尝试打开文件, 并读其中的一行.
        File file = new File("d:/test.txt");
        // 使用文件对象构造 Scanner 对象.
        Scanner sc = new Scanner(file);
        return sc.nextLine();
    }
}

IDEA 中使用 alt + enter, 能够快速修正代码

四、自定义异常类

Java 中虽然已经内置了丰富的异常类, 但是实际场景中可能还有一些情况需要对异常类进行扩展, 创建符合实际情况的异常

🌊代码示例：实现一个用户登陆功能

public class TestDemo2 {
    public static String Username = "admin";
    public static String Password = "123456";

    public static void main(String[] args) {
        login("admin","123");
    }
    public static void login(String username,String password){
        if(!TestDemo2.Username.equals(username)){
            System.out.println("用户名错误");
            return;
        }
        if(!TestDemo2.Password.equals(password)){
            System.out.println("登录密码错误");
            return;
        }
        System.out.println("登录成功！");
    }
}

//运行结果：登录密码错误

此时在处理用户名密码错误的时候可能就需要抛出两种异常.
可以基于已有的异常类进行扩展(继承), 创建和业务相关的异常类。

🌊代码示例：

//继承 Exception 就是受查异常
class UserException extends Exception {
    public UserException(String message) {
        super(message);
    }
}

//继承 RuntimeException 就是非受查异常
class PasswordException extends RuntimeException{
    public PasswordException(String message){
        super(message);
    }
}

public class TestDemo2 {
    public static String Username = "admin";
    public static String Password = "123456";

    public static void main(String[] args)  {
        try {
            login("admin","1234");
        }catch (UserException e){
            e.printStackTrace();
            System.out.println("用户名错误了！");
        }catch (PasswordException e){
            e.printStackTrace();
            System.out.println("登录密码错误了！");
        }finally {
            System.out.println("finally执行了！");
        }
    }
    public static void login(String username,String password) throws UserException, PasswordException {
        if(!TestDemo2.Username.equals(username)){
            throw new UserException("用户名错误");
        }
        if(!TestDemo2.Password.equals(password)){
            throw new PasswordException("登录密码错误");
        }
        System.out.println("登录成功！");
    }
}

//运行结果：
PasswordError: 登录密码错误
	at TestDemo2.login(TestDemo2.java:45)
	at TestDemo2.main(TestDemo2.java:29)
登录密码错误了！
finally执行了！

💥注意事项

自定义异常通常会继承自 Exception 或者 RuntimeException
继承自 Exception 的异常默认是受查异常
继承自 RuntimeException 的异常默认是非受查异常

五、关于异常的练习

1、编写一个类，在main方法的try块里抛出一个Exception类对象。

传递一个字符串参数给Exception的构造器。
在catch子句里面捕获此异常对象，并打印字符串参数。
添加一个finally子句，打印一条信息以证明这里确是被执行。

🌊代码示例：

public class TestDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            throw new Exception("抛出异常！");
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            System.out.println("finally被执行了！");
        }
    }
}

//运行结果：
java.lang.Exception: 抛出异常！
	at TestDemo2.main(TestDemo2.java:26)
finally被执行了！

2、使用while循环建立类似 “恢复模型” 的异常处理行为，它将不断重复，直到异常不再抛出。

🌊代码示例：

public class TestDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        while (i<10){
            try {
                if(i<10);
                throw new Exception();
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
                System.out.println("尝试连接网络"+i+"次");
                i++;
            }
        }
        System.out.println("终于连接到了网络，程序继续执行！");
    }
}