Java 异常处理详解

Java异常是Java编程语言中用于表示程序运行时错误的一种机制。Java异常体系通过异常类和异常处理来实现，允许程序在遇到预期或意外情况时，优雅地处理问题，而不是立即终止程序运行。

异常类层次结构

Java异常类都继承自java.lang.Throwable类，它是所有异常和错误的根类。Throwable类有两个直接子类：Error和Exception。

异常类层次结构

  • Error：这是程序无法捕获或恢复的严重错误，如系统崩溃、内存溢出等。这类错误通常不需要程序处理，因为它们通常是不可控的系统级错误。
  • Exception：这是程序在运行过程中可能出现的可以捕获和处理的异常情况。Exception又分为两类：
    • Checked Exception（编译时异常）：编译器要求必须显式处理的异常，如果不处理，代码无法编译通过。例如：IOException、SQLException等。
    • Unchecked Exception（运行时异常）：也被称为RuntimeException，编译器不要求必须捕获这类异常，但是如果出现则会导致程序立即停止运行，除非它们在代码中被捕获。例如：NullPointerException、IllegalArgumentException、ArrayIndexOutOfBoundsException等。

编译时异常

编译时异常，也称为受检查异常，是指在编译阶段就需要处理的异常。这类异常通常由程序外部环境或非程序自身逻辑错误引起，比如I/O错误、网络通信失败、数据库连接失败等。编译时异常强调的是异常的预见性和可控性，要求程序员在编写代码时就必须考虑如何处理这些异常。

特点：

  • 当方法可能抛出编译时异常时，必须在方法签名中通过throws关键字声明该异常，或者在方法体内部使用try-catch块捕获并处理异常。
  • 如果调用含有声明编译时异常的方法的地方没有处理这个异常，编译器会提示错误，直到异常被适当地捕获或声明抛出为止。
  • 常见的编译时异常包括：IOException、SQLException、ClassNotFoundException等。

运行时异常

运行时异常，也称为未检查异常，是指在编译时不强制处理的异常，它们通常由程序内部逻辑错误导致，如空指针异常、数组越界、算术异常等。运行时异常强调的是程序运行时的正确性和完整性，它们通常反映出代码逻辑的缺陷，程序员也应该尽量避免这些异常的发生，但编译器并不会强制处理。

特点：

  • 编译器不会强迫程序员在方法签名中声明运行时异常，也不会因为在方法体内没有处理运行时异常而导致编译失败。
  • 程序员可以选择捕获并处理运行时异常，但这不是必需的。若没有捕获，当运行时异常发生时，程序将终止，栈轨迹（StackTrace）会显示异常的发生位置和相关信息。
  • JVM默认会抛出运行时异常，除非在调用栈中的某一层有适当的处理代码。
  • 常见的运行时异常包括：NullPointerException、ArrayIndexOutOfBoundsException、ClassCastException、IllegalArgumentException、ArithmeticException等。

JVM默认处理异常的方式

当Java程序在运行时抛出一个异常，并且没有在当前线程的调用栈中找到合适的catch块来捕获这个异常时，JVM会按照以下步骤来处理这个未捕获的异常：

  1. 寻找最近的未处理异常处理器（UncaughtExceptionHandler）：
    • 每个线程都可以设置一个未处理异常处理器，如果线程抛出了未捕获的异常，JVM会首先查找该线程是否设置了自定义的Thread.UncaughtExceptionHandler，如果有，则调用该处理器的uncaughtException(Thread t, Throwable e)方法来处理异常。
  2. 默认的未处理异常处理器：
    • 如果线程没有设置自定义的UncaughtExceptionHandler，JVM将使用默认的异常处理器。默认的处理器通常会打印异常的堆栈跟踪信息到标准错误输出（System.err）。
  3. 终止线程：
    • 无论是自定义的还是默认的未处理异常处理器，在处理完异常后，JVM通常会选择终止抛出异常的线程。对于主线程（main thread）而言，整个Java应用也会随之退出，因为它承载了Java程序的入口点。

说明：

JVM对于未捕获的异常，默认行为是打印堆栈追踪信息到标准错误输出，并结束抛出异常的线程（如果是主线程，则结束整个Java应用程序）。当然，开发人员可以通过设置自定义的UncaughtExceptionHandler来改变这种默认行为，以便进行更细致的异常处理，比如记录日志、通知监控系统或者进行其他必要的清理工作。

异常处理机制

Java提供了以下几种机制来处理异常：

throws关键字

  • 在方法签名中声明该方法可能抛出的异常。
  • throws格式是跟在方法的括号后面的

定义格式：

public void 方法() throws 异常类名1,异常类名2 {
}

代码示例：

public class Demo01_Throws {public static void main(String[] args) throws ParseException {System.out.println("开始");// method();method2();System.out.println("结束");}// 运行时异常public static void method() throws ArrayIndexOutOfBoundsException{int[] arr = {1, 2, 3};System.out.println(arr[3]);}// 编译时异常public static void method2() throws ParseException {String s = "2048-08-09";SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");Date d = sdf.parse(s);System.out.println(d);}
}

throw关键字

  • 使用throw关键字可以抛出一个异常对象，后面的代码不再执行。
  • 格式：throw new 异常();

代码示例：

public class Demo02_Throw {public static void main(String[] args) {int [] arr = {1,2,3,4,5};// int [] arr = null;printArr(arr);//就会 接收到一个异常.//我们还需要自己处理一下异常.}private static void printArr(int[] arr) {if(arr == null){//调用者知道成功打印了吗?//System.out.println("参数不能为null");throw new NullPointerException(); //当参数为null的时候//手动创建了一个异常对象,抛给了调用者,产生了一个异常}else{for (int i = 0; i < arr.length; i++) {System.out.println(arr[i]);}}}
}

try-catch语句

  • 用于捕获异常并提供恢复措施。

执行流程：

  • 程序从 try 里面的代码开始执行
  • 出现异常，就会跳转到对应的 catch 里面去执行
  • 执行完毕之后，程序还可以继续往下执行
try {// 可能抛出异常的代码
} catch (ExceptionType name) {// 异常处理代码
}

try-catch-finally语句

  • 无论是否发生异常，都会执行的代码块。
try {// 可能抛出异常的代码
} catch (ExceptionType name) {// 异常处理代码
} finally {// 总会执行的代码
}

代码示例：

public class Demo03_Try {public static void main(String[] args) {System.out.println("开始");method();System.out.println("结束");}public static void method() {try {int[] arr = {1, 2, 3};System.out.println(arr[3]);System.out.println("这里能够访问到吗");} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {System.out.println("你访问的数组索引不存在，请回去修改为正确的索引");}finally {System.out.println("一直会执行,一般用来释放资源...");}}
}

try-with-resources语句

try-with-resources语句是一种用于自动管理和关闭资源的异常处理机制，它从Java 7开始引入，旨在简化资源清理工作，确保即使在发生异常的情况下，资源也能被正确地关闭。这种语句适用于那些实现了java.lang.AutoCloseable接口的对象，如文件流、套接字、数据库连接等，这些对象在使用完毕后需要显式关闭以释放系统资源。

基本语法：

try (ResourceType resource1 = initializer1;ResourceType resource2 = initializer2;// ... 其他资源声明与初始化
) {// 在此处使用资源进行操作
}
catch (ExceptionType1 ex1) {// 处理与resource1或resource2等相关的异常
}
catch (ExceptionType2 ex2) {// 处理其他特定类型的异常
}
finally {// 可选的finally块，用于执行额外的清理工作（非资源关闭）
}

特点与优势：

  • 自动关闭：当try块结束时，不论是因为正常执行到结束还是因为抛出并捕获了异常，Java都会自动调用资源对象的close()方法来关闭资源。这避免了手动编写finally块来确保资源关闭，提高了代码的简洁性和可靠性。
  • 多资源支持：try语句内的资源声明可以有多个，用分号隔开。所有资源按照声明顺序逆序关闭，即后声明的资源先关闭。这样即使在关闭一个资源时抛出异常，后续资源仍有机会被正确关闭。
  • 异常处理：如果有异常在try块内抛出，catch子句可以捕获并处理这些异常。如果在关闭资源过程中也抛出了异常，那么这个关闭异常会被抑制（suppressed）并添加到已存在的异常中（可通过Throwable.getSuppressed()访问）。如果try块内没有异常，但关闭资源时抛出异常，则这个关闭异常会作为try-with-resources语句的结果抛出。

代码示例：

使用java.util.Scanner读取用户从控制台输入的一行文本：

try (Scanner scanner = new Scanner(System.in)) {System.out.println("请输入文本: ");String inputLine = scanner.nextLine();System.out.println("你输入的文本: " + inputLine);
} catch (Exception e) {System.err.println("读取录入内容出错:");e.printStackTrace();
}

自定义异常

开发者可以创建自定义异常类，通常是通过继承Exception类或其子类，用来表示程序中特有的、标准异常类无法精确描述的异常情况。

创建自定义异常类的步骤：

  1. 继承异常基类：自定义异常类通常继承自java.lang.Exception或其子类。如果希望自定义的是运行时异常（无需强制捕获），可以继承自java.lang.RuntimeException。如果希望自定义的是编译时异常（需要强制捕获），则直接继承自java.lang.Exception。
  2. 添加构造方法：自定义异常类通常至少包含一个构造方法，用于初始化异常对象。构造方法通常接受一个字符串参数，用于存储详细的异常信息（如错误描述）。还可以添加其他构造方法，如接受多个参数或无参构造方法。
  3. 可选地，添加属性和方法：根据需要，自定义异常类可以添加特定的属性（如错误代码、错误详情等）和方法，以便提供更多关于异常的上下文信息。
代码示例

创建一个简单的自定义异常类示例：

public class InvalidInputException extends Exception {public InvalidInputException(String message) {super(message);}public InvalidInputException(String message, Throwable cause) {super(message, cause);}
}

解析：

  • InvalidInputException继承自java.lang.Exception，意味着它是一个编译时异常，需要在代码中显式捕获或声明抛出。
  • 定义了两个构造方法：
    • 第一个构造方法接收一个字符串参数message，用来描述异常的具体信息。它调用父类Exception的构造方法，将传入的message传递给父类，以便在异常堆栈信息中显示。
    • 第二个构造方法接收两个参数：message和cause。message同上，cause是一个Throwable对象，用于表示引发此异常的底层原因。这个构造方法同样调用父类的相应构造方法，将message和cause传递给父类。

使用自定义异常类的示例：

假设有一个方法calculateAverage()，它接收一个整数数组并计算平均值。如果数组为空，我们希望抛出InvalidInputException：

public class Demo05_ExcetionTest {public static void main(String[] args) throws InvalidInputException {int[] num = {99,65,78,63,45,15,94,64};double ca = calculateAverage(num);System.out.println(ca);//输出: 65.375}/* 获取数组的平均值*/public static double calculateAverage(int[] numbers) throws InvalidInputException {if (numbers == null || numbers.length == 0) {throw new InvalidInputException("Input array is empty or null.");}int sum = 0;for (int number : numbers) {sum += number;}return (double) sum / numbers.length;}
}

解析：

  • 方法calculateAverage()声明抛出InvalidInputException，表明它可能在执行过程中抛出这个自定义异常。
  • 如果传入的数组为空或为null，方法会使用InvalidInputException的构造方法创建一个新的异常对象，并通过throw关键字抛出该异常。

异常处理的最佳实践

  • 捕获具体的异常：避免捕获Throwable或Exception类，这会隐藏错误和程序中的问题。
  • 提供有用的异常信息：在自定义异常中提供有用的错误信息。
  • 避免在finally中抛出异常：finally块中抛出的异常会覆盖之前捕获的异常，导致调试困难。
  • 使用受检异常表示非程序逻辑错误：如文件不存在、用户名无效等。
  • 使用非受检异常表示程序逻辑错误：如空指针访问、数组越界等。

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