Java基础 -- 深入理解Java异常机制

异常指不期而至的各种状况，如：文件找不到、网络连接失败、非法参数等。异常是一个事件，它发生在程序运行期间，干扰了正常的指令流程。Java通 过API中Throwable类的众多子类描述各种不同的异常。因而，Java异常都是对象，是Throwable子类的实例，描述了出现在一段编码中的错误条件。当条件生成时，错误将引发异常。

一 异常分类

Java异常类层次结构图：

在 Java 中，所有的异常都有一个共同的祖先 Throwable（可抛出）。Throwable 指定代码中可用异常传播机制通过 Java 应用程序传输的任何问题的共性。

1、Throwable： 有两个重要的子类：Exception和 Error二者都是 Java 异常处理的重要子类，各自都包含大量子类。

• Error：是程序无法处理的错误，表示运行应用程序中较严重问题。大多数错误与代码编写者执行的操作无关，而表示代码运行时 JVM（Java 虚拟机）出现的问题。例如，Java虚拟机运行错误（Virtual MachineError），当 JVM 不再有继续执行操作所需的内存资源时，将出现 OutOfMemoryError。这些异常发生时，Java虚拟机（JVM）一般会选择线程终止。
• Exception：是程序本身可以处理的异常。Exception 类有一个重要的子类 RuntimeException。RuntimeException 类及其子类表示“JVM 常用操作”引发的错误。例如，若试图使用空值对象引用、除数为零或数组越界，则分别引发运行时异常（NullPointerException、ArithmeticException）和 ArrayIndexOutOfBoundException。

注意：异常和错误的区别：异常能被程序本身可以处理，错误是无法处理。

2、通常，Java的异常分为可查的异常（checked exceptions）和不可查的异常（unchecked exceptions）。

• 可查异常（编译器要求必须处置的异常）：除了RuntimeException及其子类以外，其他的Exception类及其子类都属于可查异常。Java编译器要求对检查异常必须捕获或抛出，代码逻辑没有错误，但程序运行时会因为IO等错误导致异常，你在编写程序阶段是预料不到的。如果不处理这些异常，程序将来可能会出错。所以编译器会提示你要去捕获并处理这种可能发生的异常，不处理就不能通过编译。

• 不可查异常(编译器不要求强制处置的异常)：包括运行时异常（RuntimeException与其子类）和错误（Error）。Java编译器不要求对不可查异常一定捕获或抛出，可以不做处理，此类异常通常是在逻辑上有错误，可以通过修改代码避免。

3、Exception 又可分两大类：运行时异常和非运行时异常(编译异常)，程序中应当尽可能去处理这些异常。

• 运行时异常（比不可查异常少了Error）：都是RuntimeException类及其子类异常，如NullPointerException(空指针异常)、IndexOutOfBoundsException(下标越界异常)等，这些异常是不可查异常，程序中可以选择捕获处理，也可以不处理。这些异常一般是由程序逻辑错误引起的，程序应该从逻辑角度尽可能避免这类异常的发生。

运行时异常的特点是Java编译器不会检查它，也就是说，当程序中可能出现这类异常，即使没有用try-catch语句捕获它，也没有用throws子句声明抛出它，也会编译通过。

• 非运行时异常 （编译器要求必须处置的异常，也就是可查类型）：是RuntimeException以外的异常，类型上都属于Exception类及其子类。从程序语法角度讲是必须进行处理的异常，如果不处理，程序就不能编译通过。如IOException、SQLException等以及用户自定义的Exception异常，一般情况下不自定义检查异常。

二 异常处理机制

在 Java 应用程序中，异常处理机制为：抛出异常，捕捉异常。

• 抛出异常：当一个方法出现错误引发异常时，方法创建异常对象并交付运行时系统，异常对象中包含了异常类型和异常出现时的程序状态等异常信息。运行时系统负责寻找处置异常的代码并执行。
• 捕获异常：在方法抛出异常之后，运行时系统将转为寻找合适的异常处理器（exception handler）。潜在的异常处理器是异常发生时依次存留在调用栈中的方法的集合。当异常处理器所能处理的异常类型与方法抛出的异常类型相符时，即为合适 的异常处理器。运行时系统从发生异常的方法开始，依次回查调用栈中的方法，直至找到含有合适异常处理器的方法并执行。当运行时系统遍历调用栈而未找到合适 的异常处理器，则运行时系统终止。同时，意味着Java程序的终止。

对于不可查异常(RuntimeException、Error)或可查异常(除了RuntimeException及其子类以外，其他的Exception类及其子类)，Java技术所要求的异常处理方式有所不同。

• RuntimeException异常：由于RuntimeException异常的不可查性，为了更合理、更容易地实现应用程序，Java规定，运行时异常将由Java运行时系统自动抛出，允许应用程序忽略运行时异常。
• Error：对于方法运行中可能出现的Error，当运行方法不欲捕捉时，Java允许该方法不做任何抛出声明。因为，大多数Error异常属于永远不能被允许发生的状况，也属于合理的应用程序不该捕捉的异常。
• 除了RuntimeException及其子类以外，其他的Exception类及其子类：对于所有的可查异常，Java规定：一个方法必须捕捉，或者声明抛出方法（也就是说，当一个方法选择不捕捉可查异常时，它必须声明将抛出异常）。

能够捕捉异常的方法，需要提供相符类型的异常处理器。所捕捉的异常，可能是由于自身语句所引发并抛出的异常，也可能是由某个调用的方法或者Java运行时 系统等抛出的异常。也就是说，一个方法所能捕捉的异常，一定是Java代码在某处所抛出的异常。简单地说，异常总是先被抛出，后被捕捉的。
任何Java代码都可以抛出异常，如：自己编写的代码、来自Java开发环境包中代码，或者Java运行时系统。无论是谁，都可以通过Java的throw语句抛出异常。
从方法中抛出的任何异常都必须使用throws子句。
捕捉异常通过try-catch语句或者try-catch-finally语句实现。
总体来说，Java规定：对于可查异常必须捕捉、或者声明抛出。允许忽略不可查的RuntimeException和Error。

三 try-catch语句

在Java中，异常通过try-catch语句捕获，其一般语法形式为：

    try {
        // 可能会发生异常的程序代码
    } catch (Type1 id1){
        // 捕获并处置try抛出的异常类型Type1
    }
    catch (Type2 id2){
         //捕获并处置try抛出的异常类型Type2
    }

关键字try后的一对大括号将一块可能发生异常的代码包起来，称为监控区域(guarded region)。Java方法在运行过程中出现异常，则创建异常对象。将异常抛出监控区域之 外，Java异常处理机制将负责搜寻参数与异常类型相匹配的第一个处理程序。若有匹配的catch子句，则运行其异常处理代码，try-catch语句结束。

匹配的原则是：如果抛出的异常对象属于catch子句的异常类，或者属于该异常类的子类，则认为生成的异常对象与catch块捕获的异常类型相匹配。

1、捕捉throw语句抛出的“除数为0”异常

public class TestException1 {
	
	public static void main(String[] args) {
		int a = 6;
		int b = 0;
		try { // try监控区域
			
			if (b == 0) 
				throw new ArithmeticException();  // 通过throw语句抛出异常
			System.out.println("a/b的值是：" + a / b);
		}
		catch (ArithmeticException e) {           // catch捕捉异常
			System.out.println("程序出现异常，变量b不能为0。");
		}
		System.out.println("程序正常结束。");
	}
	
}

 输出：

程序出现异常，变量b不能为0。
程序正常结束。

上例中在try监控区域通过if语句进行判断，当“除数为0”的错误条件成立时引发ArithmeticException异常，创建 ArithmeticException异常对象，并由throw语句将异常抛给Java运行时系统，由系统寻找匹配的异常处理器catch并运行相应异常处理代码。
事实上，“除数为0”等ArithmeticException异常，是RuntimException的子类。而运行时异常将由运行时系统自动抛出，不需要使用throw语句。

2、捕捉运行时系统自动抛出“除数为0”引发的ArithmeticException异常

public class TestException1 {
	
	public static void main(String[] args) {
		int a = 6;
		int b = 0;
		try { // try监控区域		
			System.out.println("a/b的值是：" + a / b);
		}
		catch (ArithmeticException e) {           // catch捕捉异常
			System.out.println("程序出现异常，变量b不能为0。");
		}
		System.out.println("程序正常结束。");
	}
	
}

 输出结果：

程序出现异常，变量b不能为0。
程序正常结束。

上例中System.out.println("a/b的值是：" + a/b)语句，在运行中出现“除数为0”错误，引发ArithmeticException异常。运行时系统创建异常对象并抛出监控区域，转而匹配合适的异常处理器catch，并执行相应的异常处理代码。
由于检查运行时异常的代价远大于捕捉异常所带来的益处，运行时异常不可查。Java编译器允许忽略运行时异常，一个方法可以既不捕捉，也不声明抛出运行时异常。

3、不捕捉、也不声明抛出运行时异常

    public class TestException {
    	public static void main(String[] args) {
    		int a, b;
    		a = 6;
    		b = 0; // 除数b 的值为0
    		System.out.println(a / b);
    	}
    }

 输出结果：

Exception in thread "main" java.lang.ArithmeticException: / by zero
at Test.TestException.main(TestException.java:8)

4、程序可能存在除数为0异常和数组下标越界异常

public class TestException2 {
	public static void main(String[] args) {
		int[] intArray = new int[3] ;
		try {
			for(int i=0;i <= intArray.length; i++) {
				intArray[i] = i;
				System.out.println("intArray[" + i + "] = " + intArray[i]);
				System.out.println("intArray[" + i + "]  / " + (i-2) + " = "  + intArray[i] / (i-2));
			}
		}catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
			System.out.println("intArray数组下表越界异常。");
		}catch(ArithmeticException e) {
			System.out.println("除数为0异常。");
		}
		System.out.println("程序正常结束");
	}
}

 输出结果：

intArray[0] = 0
intArray[0]  / -2 = 0
intArray[1] = 1
intArray[1]  / -1 = -1
intArray[2] = 2
除数为0异常。
程序正常结束

程序可能会出现除数为0异常，还可能会出现数组下标越界异常。程序运行过程中ArithmeticException异常类型是先行匹配的，因此执行相匹配的catch语句：

catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
			System.out.println("intArray数组下表越界异常。");
		}

需要注意的是，一旦某个catch捕获到匹配的异常类型，将进入异常处理代码，一旦处理结束就意味着整个try-catch语句结束，其他的catch子句不再有匹配和捕获异常类型的机会。

四 try－catch-finally语句

try-catch语句还可以包括第三部分，就是finally子句。它表示无论是否出现异常，都应当执行的内容。try-catch-finally语句的一般语法形式为：

      try {
		// 可能会发生异常的程序代码
	} catch (Type1 id1) {
		// 捕获并处理try抛出的异常类型Type1
	} catch (Type2 id2) {
		// 捕获并处理try抛出的异常类型Type2
	} finally {
		// 无论是否发生异常，都将执行的语句块
	}

1、带finally子句的异常处理程序

public class TestException3 {
	
	public static void main(String args[]) {
		int i = 0;
		String[] greetings = { 
				" Hello world !", 
				" Hello World !! ",
				" HELLO WORLD !!!" 
				};
		while (i < 4) {
			try {
				// 特别注意循环控制变量i的设计，避免造成无限循环
				System.out.println(greetings[i++]);
				
			} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
				System.out.println("数组下标越界异常");
				
			} finally {
				System.out.println("--------------------------");
			}
		}
	}
}

输出如下：

 Hello world !
--------------------------
 Hello World !! 
--------------------------
 HELLO WORLD !!!
--------------------------
数组下标越界异常
--------------------------

小结：

1、try 块：用于捕获异常。其后可接零个或多个catch块，如果没有catch块，则必须跟一个finally块；

2、catch 块：用于处理try捕获到的异常；

3、finally 块：无论是否捕获或处理异常，finally块里的语句都会被执行。当在try块或catch块中遇到return语句时，finally语句块将在方法返回之前被执行。在以下4种特殊情况下，finally块不会被执行：

• 在finally语句块中发生了异常；
• 在前面的代码中用了System.exit()退出程序；
• 程序所在的线程死亡；
• 关闭CPU；

五 try-catch-finally 规则(异常处理语句的语法规则）

• 必须在 try 之后添加 catch 或 finally 块。try 块后可同时接 catch 和 finally 块，但至少有一个块；
• 必须遵循块顺序：若代码同时使用 catch 和 finally 块，则必须将 catch 块放在 try 块之后；
• catch 块与相应的异常类的类型相关；
• 一个 try 块可能有多个 catch 块。若如此，则执行第一个匹配块。即Java虚拟机会把实际抛出的异常对象依次和各个catch代码块声明的异常类型匹配，如果异常对象为某个异常类型或其子类的实例，就执行这个catch代码块，不会再执行其他的 catch代码块；
• 可嵌套 try-catch-finally 结构；
• 在 try-catch-finally 结构中，可重新抛出异常；
• 除了下列情况，总将执行 finally 做为结束：JVM 过早终止（调用 System.exit(int)）；在 finally 块中抛出一个未处理的异常；计算机断电、失火、或遭遇病毒攻击；

 六 try、catch、finally语句块的执行顺序

• 当try没有捕获到异常时：try语句块中的语句逐一被执行，程序将跳过catch语句块，执行finally语句块和其后的语句；
• 当try捕获到异常，catch语句块里没有处理此异常的情况：当try语句块里的某条语句出现异常时，而没有处理此异常的catch语句块时，此异常将会抛给JVM处理，finally语句块里的语句还是会被执行，但finally语句块后的语句不会被执行；
  
• 当try捕获到异常，catch语句块里有处理此异常的情况：在try语句块中是按照顺序来执行的，当执行到某一条语句出现异常时，程序将跳到catch语句块，并与catch语句块逐一匹配，找到与之对应的处理程序，其他的catch语句块将不会被执行，而try语句块中，出现异常之后的语句也不会被执行，catch语句块执行完后，执行finally语句块里的语句，最后执行finally语句块后的语句；

七 抛出异常

任何Java代码都可以抛出异常，如：自己编写的代码、来自Java开发环境包中代码，或者Java运行时系统。无论是谁，都可以通过Java的throw语句抛出异常。从方法中抛出的任何异常都必须使用throws子句。

1. throws抛出异常

如果一个方法可能会出现异常，但没有能力处理这种异常，可以在方法声明处用throws子句来声明抛出异常。例如汽车在运行时可能会出现故障，汽车本身没办法处理这个故障，那就让开车的人来处理。

throws语句用在方法定义时声明该方法要抛出的异常类型，如果抛出的是Exception异常类型，则该方法被声明为抛出所有的异常。多个异常可使用逗号分割。throws语句的语法格式为：

    methodname throws Exception1,Exception2,..,ExceptionN
    {
    }

 方法名后的throws Exception1,Exception2,...,ExceptionN 为声明要抛出的异常列表。当方法抛出异常列表的异常时，方法将不对这些类型及其子类类型的异常作处理，而抛向调用该方法的方法，由他去处理。例如：

public class TestException4 {
	static void pop() throws NegativeArraySizeException {
		
		// 定义方法并抛出NegativeArraySizeException异常
		int[] arr = new int[-3]; // 创建数组
	}
 
	public static void main(String[] args) { 
		try { // try语句处理异常信息
			
			pop(); // 调用pop()方法
			
		} catch (NegativeArraySizeException e) {
			
			System.out.println("pop()方法抛出的异常！");// 输出异常信息
			
		}
	}
}

 输出：

pop()方法抛出的异常

使用throws关键字将异常抛给调用者后，如果调用者不想处理该异常，可以继续向上抛出，但最终要有能够处理该异常的调用者。
pop方法没有处理异常NegativeArraySizeException，而是由main函数来处理。

Throws抛出异常的规则：

• 如果是不可查异常（unchecked exception），即Error、RuntimeException或它们的子类，那么可以不使用throws关键字来声明要抛出的异常，编译仍能顺利通过，但在运行时会被系统抛出；
• 如果是任何可查异常（checked exception），必须进行声明处理。即如果一个方法可能出现可查异常，要么用try-catch语句捕获，要么用throws子句声明将它抛出，否则会导致编译错误；
• 仅当抛出了异常，该方法的调用者才必须处理或者重新抛出该异常。当方法的调用者无力处理该异常的时候，应该继续抛出，而不是囫囵吞枣；
• 调用方法必须遵循任何可查异常的处理和声明规则。若覆盖一个方法，则不能声明与覆盖方法不同的异常。声明的任何异常必须是被覆盖方法所声明异常的同类或子类；

例如：

void method1() throws IOException{}  //合法  
 
//编译错误，必须捕获或声明抛出IOException  
void method2(){  
  method1();  
}  
 
//合法，声明抛出IOException  
void method3()throws IOException {  
  method1();  
}  
 
//合法，声明抛出Exception，IOException是Exception的子类  
void method4()throws Exception {  
  method1();  
}  
 
//合法，捕获IOException  
void method5(){  
 try{  
    method1();  
 }catch(IOException e){…}  
}  
 
//编译错误，必须捕获或声明抛出Exception  
void method6(){  
  try{  
    method1();  
  }catch(IOException e){throw new Exception();}  
}  
 
//合法，声明抛出Exception  
void method7()throws Exception{  
 try{  
  method1();  
 }catch(IOException e){throw new Exception();}  
} 

 2. 使用throw抛出异常

throw总是出现在函数体中，用来抛出一个Throwable类型的异常。程序会在throw语句后立即终止，它后面的语句执行不到，然后在包含它的所有try块中（可能在上层调用函数中）从里向外寻找含有与其匹配的catch子句的try块。
我们知道，异常是异常类的实例对象，我们可以创建异常类的实例对象通过throw语句抛出。该语句的语法格式为：

throw new exceptionname(xx);

例如抛出一个IOException类的异常对象：

throw new IOException(xx);

要注意的是，throw 抛出的只能够是可抛出类Throwable 或者其子类的实例对象。下面的操作是错误的：

  throw new String("exception");

 这是因为String 不是Throwable 类的子类。

如果抛出了检查异常，则还应该在方法头部声明方法可能抛出的异常类型，该方法的调用者应该处理抛出的异常；

public class TestException5 {
	static int quotient(int x, int y) throws MyException { // 定义方法抛出异常
		if (y < 0) { // 判断参数是否小于0
			throw new MyException("除数不能是负数！");  // 异常信息
		}
		return x/y; // 返回值
	}
	public static void main(String args[]) { // 主方法
		int  a =3;
		int  b =-1;
		
		try { // try语句包含可能发生异常的语句
			
			int result = quotient(a, b); // 调用方法quotient()
			
		} catch (MyException e) { // 处理自定义异常
			
			System.out.println(e.getMessage()); // 输出异常信息
			
		} catch (ArithmeticException e) { // 处理ArithmeticException异常
			
			System.out.println("除数不能为0！"); // 输出提示信息
			
		} catch (Exception e) { // 处理其他异常
			
			System.out.println("程序发生了其他的异常！"); // 输出提示信息
			
		}
	}
 
}
class MyException extends Exception { // 创建自定义异常类
	
	String message; // 定义String类型变量
	
	public MyException(String ErrorMessagr) { // 父类方法
		message = ErrorMessagr;
	}
 
	public String getMessage() { // 覆盖getMessage()方法
		return message;
	}
}

 如果调用者不处理该异常，所有方法都层层上抛获取的异常，最终JVM会进行处理，处理也很简单，就是打印异常消息和堆栈信息；

public class TestException5 {
	static int quotient(int x, int y) throws MyException { // 定义方法抛出异常
		if (y < 0) { // 判断参数是否小于0
			throw new MyException("除数不能是负数！");  // 异常信息
		}
		return x/y; // 返回值
	}
	public static void main(String args[]) throws MyException  { // 主方法
		int  a =3;
		int  b =-1;
		
		quotient(a,b);
	
	}
 
}
class MyException extends Exception { // 创建自定义异常类
	
	String message; // 定义String类型变量
	
	public MyException(String ErrorMessagr) { // 父类方法
		message = ErrorMessagr;
	}
 
	public String getMessage() { // 覆盖getMessage()方法
		return message;
	}
}

 输出如下：

Exception in thread "main" MyException: 除数不能是负数！
	at TestException5.quotient(TestException5.java:4)
	at TestException5.main(TestException5.java:12)

Java方法抛出的可查异常将依据调用栈、沿着方法调用的层次结构一直传递到具备处理能力的调用方法，最高层次到main方法为止。如果异常传递到main方法，而main不具备处理能力，也没有通过throws声明抛出该异常，将可能出现编译错误。

如果调用quotient(5,0)，将会因“除数为0”错误引发ArithmeticException异常，属于运行时异常类，由Java运行时系统自动抛出，quotient（）方法没有捕捉ArithmeticException异常，Java运行时系统将沿方法调用栈查到main方法，将抛出的异常上传至quotient（）方法的调用者。

3、Throwable类中的常用方法

注意：catch关键字后面括号中的Exception类型的参数e，Exception就是try代码块传递给catch代码块的变量类型，e就是变量名，catch代码块中语句"e.getMessage();"用于输出错误性质。通常异常处理常用3个函数来获取异常的有关信息:

• getCause()：返回抛出异常的原因，如果 cause 不存在或未知，则返回 null；
• getMeage()：返回异常的消息信息；
• printStackTrace()：对象的堆栈跟踪输出至错误输出流，作为字段 System.err 的值；
• printStackTrace(System.out)：对象的堆栈跟踪输出系统输出流，即在控制台显示；
• fillInStackTrace()：有时希望把刚捕获的异常重新抛出异常时，会使用该函数，主要用来把调用栈信息更新为当前异常抛出点的栈信息。比如：throw (Exception)e.fillInStackTrace()；

有时为了简单会忽略掉catch语句后的代码，这样try-catch语句就成了一种摆设，一旦程序在运行过程中出现了异常，就会忽略处理异常，而错误发生的原因很难查找。

八 Java常见异常

在Java中提供了一些异常用来描述经常发生的错误，对于这些异常，有的需要程序员进行捕获处理或声明抛出，有的是由Java虚拟机自动进行捕获处理。Java中常见的异常类：

1. RuntimeException子类

•  java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException：数组索引越界异常。当对数组的索引值为负数或大于等于数组大小时抛出；
• java.lang.ArithmeticException：算术条件异常。比如：整数除零等；
• java.lang.NullPointerException：空指针异常。当应用试图在要求使用对象的地方使用了null时，抛出该异常。比如：调用null对象的实例方法、访问null对象的属性、计算null对象的长度、使用throw语句抛出null等等；
• java.lang.ClassNotFoundException：找不到类异常。当应用试图根据字符串形式的类名构造类，而在遍历CLASSPAH之后找不到对应名称的class文件时，抛出该异常；
• java.lang.NegativeArraySizeException：数组长度为负异常；
• java.lang.ArrayStoreException ：数组中包含不兼容的值抛出的异常；
• java.lang.SecurityException： 安全性异常；
• java.lang.IllegalArgumentException： 非法参数异常；

2.IOException

• IOException：操作输入流和输出流时可能出现的异常；
• EOFException： 文件已结束异常；
• FileNotFoundException ：文件未找到异常；

3. 其他

• ClassCastException ：类型转换异常类；
• ArrayStoreException ：数组中包含不兼容的值抛出的异常；
• SQLException： 操作数据库异常类；
• NoSuchFieldException： 字段未找到异常；
• NoSuchMethodException： 方法未找到抛出的异常；
• NumberFormatException：字符串转换为数字抛出的异常；
• StringIndexOutOfBoundsException：字符串索引超出范围抛出的异常；
• IllegalAccessException：不允许访问某类异常；
• InstantiationException：当应用程序试图使用Class类中的newInstance()方法创建一个类的实例，而指定的类对象无法被实例化时，抛出该异常；

九 自定义异常

使用Java内置的异常类可以描述在编程时出现的大部分异常情况。除此之外，用户还可以自定义异常，用户自定义异常类，只需继承Exception类即可。
在程序中使用自定义异常类，大体可分为以下几个步骤。
（1）创建自定义异常类。
（2）在方法中通过throw关键字抛出异常对象。
（3）如果在当前抛出异常的方法中处理异常，可以使用try-catch语句捕获并处理；否则在方法的声明处通过throws关键字指明要抛出给方法调用者的异常，继续进行下一步操作。
（4）在出现异常方法的调用者中捕获并处理异常。

 参考文献：

[1]深入理解java异常处理机制(转载)