JVM 异常处理原理
异常相关概念
Java异常抛出类型有两种：
- 显式抛出：抛出异常的主体是应用程序，它指的是程序在代码中使用 throw 关键字进行异常抛出。
- 隐式抛出：抛出异常的主体是JVM，它指的是程序在执行过程出现无法执行的异常状态，由JVM自动抛出相关异常。比如数组越界。
捕获异常相关的三种代码块：
- try代码块：用来标记需要进行异常监控的代码。
- catch代码块：跟在try代码块之后，用来捕获在try代码块中触发的某种指定类型的异常。除了声明所捕获异常的类型之外，catch代码块还定义了针对该异常类型的异常处理器。在Java中，try代码块后面可以跟着多个catch代码块，来捕获不同类型的异常。JVM会从上至下匹配异常处理器。因此，前面的catch代码块所捕获的异常类型不能覆盖后边的，否则编译器会报错。
- finally代码块：跟在try代码块和catch代码块之后，用来声明一段必定运行的代码，无论try块还是catch出现异常，它都会执行。它的设计初衷是为了避免跳过某些关键的清理代码，例如关闭已打开的系统资源。
在程序正常执行的情况下，这段代码会在try代码块之后运行。否则，也就是try代码块触发异常的情况下，如果该异常没有被捕获，finally代码块会直接运行，并且在运行之后重新抛出该异常。如果该异常被catch代码块捕获，finally代码块则在catch代码块之后运行。在某些不幸的情况下，catch代码块也触发了异常，那么finally代码块同样会运行，并会抛出catch代码块触发的异常。在某些极端不幸的情况下，finally代码块也触发了异常，那么只好中断当前finally代码块的执行，并往外抛异常。
finally块只有一种情况不会被执行，那么就是执行了System.exit(0);后就不会执行finally块了，还是直接退出了。
异常体系
下面是异常的派生图：
在Java语言规范中，所有异常都是Throwable类或者其子类的实例。Throwable有两大直接子类。第一个是Error，涵盖程序不应捕获的异常。当程序触发Error时，它的执行状态已经无法恢复，需要中止线程甚至是中止虚拟机。第二子类则是Exception，涵盖程序可能需要捕获并且处理的异常。
RuntimeException和Error属于Java里的非检查异常（unchecked exception）。其他异常则属于检查异常（checked exception）。在Java语法中，所有的检查异常都需要程序显式地捕获，或者在方法声明中用throws关键字标注。通常情况下，程序中自定义的异常应为检查异常，以便最大化利用Java编译器的编译时检查。
异常实例的构造十分昂贵。这是由于在构造异常实例时，Java虚拟机便需要生成该异常的栈轨迹（stack trace）。该操作会逐一访问当前线程的Java栈帧，并且记录下各种调试信息，包括栈帧所指向方法的名字，方法所在的类名、文件名，以及在代码中的第几行触发该异常。当然，在生成栈轨迹时，Java虚拟机会忽略掉异常构造器以及填充栈帧的Java方法（Throwable.fillInStackTrace），直接从新建异常位置开始算起。此外，Java虚拟机还会忽略标记为不可见的Java方法栈帧。
既然异常实例的构造十分昂贵，我们是否可以缓存异常实例，在需要用到的时候直接抛出呢？从语法角度上来看，这是允许的。然而，该异常对应的栈轨迹并非throw语句的位置，而是新建异常的位置。因此，这种做法可能会误导开发人员，使其定位到错误的位置。这也是为什么在实践中，往往选择抛出新建异常实例的原因。
异常处理的原理
在编译生成的字节码中，每个方法都附带一个异常表。异常表中的每一个条目代表一个异常处理器，并且由from指针、to指针、target指针以及所捕获的异常类型构成。这些指针的值是字节码索引（bytecode index，bci），用以定位字节码。其中，from指针和to指针标示了该异常处理器所监控的范围，例如try代码块所覆盖的范围。target指针则指向异常处理器的起始位置，例如catch代码块的起始位置。
为理解上面这段话，举一个例子，看下面一段代码：
public class Foo {
public static void main(String []args){
try {
int x = 10 / 0;
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
编译并查看字节码：
javac Foo.java
javap -c Foo
字节码内容如下：
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: bipush 10
2: iconst_0
3: idiv
4: istore_1
5: goto 13
8: astore_1
9: aload_1
10: invokevirtual #3 // Method java/lang/Exception.printStackTrace:()V
13: return
Exception table:
from to target type
0 5 8 Class java/lang/Exception
编译过后，该方法的异常表拥有一个条目。其from指针和to指针分别为0和5，代表它的监控范围从索引为0的字节码开始，到索引为5的字节码结束（不包括5）。该条目的target指针是8，代表这个异常处理器从索引为8的字节码开始。条目的最后一列，代表该异常处理器所捕获的异常类型正是Exception。可以不用看懂这段字节码的含义，如果想了解常用的字节码请查看 Java 字节码含义。
当程序触发异常时，JVM会从上至下遍历异常表中的所有条目。当触发异常的字节码的索引值在某个异常表条目的监控范围内，JVM会判断所抛出的异常和该条目想要捕获的异常是否匹配。如果匹配，JVM会将控制流转移至该条目target指针指向的字节码。如果遍历完所有异常表条目，JVM仍未匹配到异常处理器，那么它会弹出当前方法对应的Java栈帧，并且在调用者（caller）中重复上述操作。在最坏情况下，JVM需要遍历当前线程Java栈上所有方法的异常表。
finally代码块的编译比较复杂。当前版本Java编译器的做法，是复制finally代码块的内容，分别放在try-catch代码块所有正常执行路径以及异常执行路径的出口中。如下图：
从上图可以很容易看出来，变种1就是将finally块的代码复制到try块和catch后面，然后再加一个抛出异常的finally块，try块如果出现catch块无法捕获的异常就只能直接执行finally块，同时还有catch块出现异常就只能直接执行finally块。变种2同理，比较容易看懂。
为了深入理解JVM的如何还执行的，可以从下面的代码进行反编译成字节码进行阅读：
public class Foo {
private int tryBlock;
private int catchBlock;
private int finallyBlock;
private int methodExit;
public void test() {
try {
tryBlock = 0;
} catch (Exception e) {
catchBlock = 1;
} finally {
finallyBlock = 2;
}
methodExit = 3;
}
}
执行以下编译与反编译代码：
javac Foo.java
javap -c Foo
字节码如下：
public class Foo {
public Foo();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public void test();
Code:
0: aload_0
1: iconst_0
2: putfield #2 // Field tryBlock:I
5: aload_0
6: iconst_2
7: putfield #3 // Field finallyBlock:I
10: goto 35
13: astore_1
14: aload_0
15: iconst_1
16: putfield #5 // Field catchBlock:I
19: aload_0
20: iconst_2
21: putfield #3 // Field finallyBlock:I
24: goto 35
27: astore_2
28: aload_0
29: iconst_2
30: putfield #3 // Field finallyBlock:I
33: aload_2
34: athrow
35: aload_0
36: iconst_3
37: putfield #6 // Field methodExit:I
40: return
Exception table:
from to target type
0 5 13 Class java/lang/Exception
0 5 27 any
13 19 27 any
}
只需要看test方法就可以。上面的字节码还是比较好容易理解的。如果对字节码不熟悉的，可以查看 Java 字节码含义。这里只解释几个，不容易看出来的，上面出现了多个aload_0，这个字节码是加载局部变量表的第一个数据到操作数栈，而对于非静态方法来说，局部变量表中第一个数据一定是this指针。因为每个实例需要进行赋值操作时，都有this指针。其他的都字节码都非常好理解，就不解释了，看不懂的可以去看看上面链接。
需要注意的是，如果catch代码块捕获了异常，并且触发了另一个异常，那么finally捕获并且重抛的异常就是catch块里的异常，这里特别注意，因为try块异常就已经被抛弃了，在排查问题时需要特别注意，同时养成一个好习惯，catch到异常时先打出日志栈。
Suppressed异常以及语法糖
Java 7引入了Suppressed异常允许将一个异常附于另一个异常之上。Suppressed异常用来保存被屏蔽的异常，可通过Throwable.getSuppressed() 获得。添加的话用addSuppressed(Throwable exception)。因此，抛出的异常可以附带多个异常的信息。然而，Java层面的finally代码块缺少指向所捕获异常的引用，所以这个新特性使用起来非常繁琐。为此，Java 7专门构造了一个名为try-with-resources的语法糖，在字节码层面自动使用Suppressed异常。当然，该语法糖的主要目的并不是使用Suppressed异常，而是精简资源打开关闭的用法。
在Java 7之前，对于打开的资源，需要定义一个finally代码块，来确保该资源在正常或者异常执行状况下都能关闭。资源的关闭操作本身容易触发异常。因此，如果同时打开多个资源，那么每一个资源都要对应一个独立的try-finally代码块，以保证每个资源都能够关闭。这样一来，代码将会变得十分繁琐。
比如如下代码：
FileInputStream in0 = null;
FileInputStream in1 = null;
FileInputStream in2 = null;
...
try {
in0 = new FileInputStream(new File("in0.txt"));
...
try {
in1 = new FileInputStream(new File("in1.txt"));
...
try {
in2 = new FileInputStream(new File("in2.txt"));
...
} finally {
if (in2 != null) in2.close();
}
} finally {
if (in1 != null) in1.close();
}
} finally {
if (in0 != null) in0.close();
}
Java 7的try-with-resources语法糖，极大地简化了上述代码。程序可以在try关键字后声明并实例化实现了AutoCloseable接口的类，编译器将自动添加对应的close()操作。在声明多个AutoCloseable实例的情况下，编译生成的字节码类似于上面手工编写代码的编译结果。与手工代码相比，try-with-resources还会使用Suppressed异常的功能，来避免原异常“被消失”。所以如果try语句和释放资源都出现了异常，那么最终抛出的异常是try语句中出现的异常，在释放资源时出现的异常会作为被抑制的异常添加进去，即通过Throwable.addSuppressed方法来实现。
public class Foo implements AutoCloseable {
private final String name;
public Foo(String name) { this.name = name; }
@Override
public void close() {
throw new RuntimeException(name);
}
public static void main(String[] args) {
try (Foo foo0 = new Foo("Foo0"); // try-with-resources
Foo foo1 = new Foo("Foo1");
Foo foo2 = new Foo("Foo2")) {
throw new RuntimeException("Initial");
}
}
}
// 运行结果：
Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: Initial
at Foo.main(Foo.java:18)
Suppressed: java.lang.RuntimeException: Foo2
at Foo.close(Foo.java:13)
at Foo.main(Foo.java:19)
Suppressed: java.lang.RuntimeException: Foo1
at Foo.close(Foo.java:13)
at Foo.main(Foo.java:19)
Suppressed: java.lang.RuntimeException: Foo0
at Foo.close(Foo.java:13)
at Foo.main(Foo.java:19)
除了try-with-resources语法糖之外，Java 7还支持在同一catch代码块中捕获多种异常。实际实现非常简单，生成多个异常表条目即可。
// 在同一catch代码块中捕获多种异常
try {
...
} catch (SomeException | OtherException e) {
...
}
异常返回值
最后一个问题就是关于异常返回值的问题，如果try块、catch块和finally块都有返回值，那么返回结果是什么呢。
public class Foo {
public static int test() {
try {
return 1;
} catch(Exception e) {
return 2;
} finally {
return 3;
}
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(test());
}
}
先不运行结果，先想想这个结果会是几呢？
没错答案就是3。因为前面讲过了，finally块会被复制到try块和catch块后面的，所以这个值才是最后的返回结果。
所以总结一句话，如果finally块中有返回语句，一定是以finally块中的为准。如果finally块中没有返回语句，那么JVM会暂存try块和catch块中的返回值，然后再执行finally块，再返回刚才暂存的返回值。但是需要的注意的是，如果finally块中有返回语句，并不是try块和catch块中的返回值就没有用，因为如果try块和cacth块中的返回值对值进行了修改，那么还是有效果。看下面这个例子。
public class Foo {
public static int test() {
int a = 0;
try {
int b = 10 / 0;
return a = a + 1;
} catch(Exception e) {
return a = a + 2;
} finally {
return a + 3;
}
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(test());
}
}
有了上面的解释这个结果应该是显而易见了吧，那就是5。
因为首先第5行会发生异常，那么会执行catch块的代码，执行第8行，此时a变成了2，然后最后执行finally块代码，再加3，所以最后返回值为5。