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Java 异常体系与异常处理

异常处理是 Java 程序健壮性的重要保障。理解异常体系和处理机制是编写可靠程序的基础。本章将详细介绍 Java 中的异常处理。

异常概念（检查型异常 vs 非检查型异常）​

什么是异常​

**异常（Exception）**是程序运行时发生的错误或意外情况。

// 常见的异常情况
int[] arr = new int[5];
int value = arr[10];  // ArrayIndexOutOfBoundsException

String str = null;
int length = str.length();  // NullPointerException

int result = 10 / 0;  // ArithmeticException

异常的分类​

Java 异常分为两大类：

  1. 检查型异常（Checked Exception）：必须处理的异常
  2. 非检查型异常（Unchecked Exception）：可以不处理的异常

异常类层次结构​

Throwable
├── Error（错误，非检查型）
│   ├── OutOfMemoryError
│   ├── StackOverflowError
│   └── ...
└── Exception（异常）
    ├── RuntimeException（运行时异常，非检查型）
    │   ├── NullPointerException
    │   ├── ArrayIndexOutOfBoundsException
    │   ├── IllegalArgumentException
    │   └── ...
    └── 其他 Exception（检查型异常）
        ├── IOException
        ├── SQLException
        └── ...

检查型异常（Checked Exception）​

检查型异常是编译时必须处理的异常，如果不处理，代码无法编译通过。

// 检查型异常示例
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;

public void readFile() {
    // ❌ 编译错误：必须处理 IOException
    // FileReader reader = new FileReader("file.txt");
    
    // ✅ 正确：使用 try-catch 处理
    try {
        FileReader reader = new FileReader("file.txt");
        reader.close();
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    
    // ✅ 正确：使用 throws 声明
    // public void readFile() throws IOException { }
}

常见的检查型异常：

  • IOException：输入输出异常
  • SQLException：数据库异常
  • ClassNotFoundException：类未找到异常

非检查型异常（Unchecked Exception）​

非检查型异常是运行时异常，编译时不强制处理。

// 非检查型异常示例
public void method() {
    // 可以不处理，但运行时可能抛出异常
    int[] arr = new int[5];
    int value = arr[10];  // ArrayIndexOutOfBoundsException
    
    String str = null;
    int length = str.length();  // NullPointerException
}

常见的非检查型异常：

  • NullPointerException：空指针异常
  • ArrayIndexOutOfBoundsException：数组越界异常
  • IllegalArgumentException：非法参数异常
  • ArithmeticException：算术异常

try-catch-finally 语句结构​

基本语法​

try {
    // 可能抛出异常的代码
} catch (ExceptionType e) {
    // 处理异常
} finally {
    // 无论是否发生异常都会执行
}

try-catch​

try {
    int[] arr = new int[5];
    int value = arr[10];  // 可能抛出异常
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
    System.out.println("数组越界：" + e.getMessage());
    e.printStackTrace();  // 打印异常堆栈
}

finally 块​

finally 块中的代码无论是否发生异常都会执行：

FileReader reader = null;
try {
    reader = new FileReader("file.txt");
    // 读取文件
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
} finally {
    // 无论是否发生异常，都会执行
    if (reader != null) {
        try {
            reader.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

try-with-resources（Java 7+）：自动关闭资源

// 自动关闭资源
try (FileReader reader = new FileReader("file.txt")) {
    // 使用 reader
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}
// reader 自动关闭，不需要 finally

多个 catch 捕获​

捕获多个异常​

try {
    // 可能抛出多种异常
    int[] arr = new int[5];
    int value = arr[10];
    String str = null;
    int length = str.length();
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
    System.out.println("数组越界");
} catch (NullPointerException e) {
    System.out.println("空指针异常");
} catch (Exception e) {
    System.out.println("其他异常：" + e.getMessage());
}

捕获顺序​

子类异常必须在父类异常之前：

try {
    // ...
} catch (NullPointerException e) {  // 子类
    // 处理空指针异常
} catch (Exception e) {  // 父类
    // 处理其他异常
}

// ❌ 错误：父类在前
// } catch (Exception e) { }
// } catch (NullPointerException e) { }  // 编译错误

多异常捕获（Java 7+）​

一个 catch 块可以捕获多种异常：

try {
    // ...
} catch (NullPointerException | ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
    System.out.println("空指针或数组越界异常");
} catch (Exception e) {
    System.out.println("其他异常");
}

throw 与 throws 关键字​

throw​

throw 用于抛出异常：

public void method() {
    if (condition) {
        throw new IllegalArgumentException("参数无效");
    }
}

// 抛出检查型异常
public void readFile() throws IOException {
    if (!file.exists()) {
        throw new IOException("文件不存在");
    }
}

throws​

throws 用于声明方法可能抛出的异常：

// 声明可能抛出检查型异常
public void readFile() throws IOException {
    FileReader reader = new FileReader("file.txt");
    // ...
}

// 声明可能抛出多个异常
public void method() throws IOException, SQLException {
    // ...
}

throw vs throws​

关键字作用位置示例
throw抛出异常方法体内throw new Exception();
throws声明异常方法签名public void m() throws Exception

自定义异常类​

创建自定义异常​

继承 Exception 或 RuntimeException：

// 自定义检查型异常
public class CustomException extends Exception {
    public CustomException(String message) {
        super(message);
    }
    
    public CustomException(String message, Throwable cause) {
        super(message, cause);
    }
}

// 自定义非检查型异常
public class CustomRuntimeException extends RuntimeException {
    public CustomRuntimeException(String message) {
        super(message);
    }
}

使用自定义异常​

public class BankAccount {
    private double balance;
    
    public void withdraw(double amount) throws InsufficientFundsException {
        if (amount > balance) {
            throw new InsufficientFundsException("余额不足，当前余额：" + balance);
        }
        balance -= amount;
    }
}

// 自定义异常
public class InsufficientFundsException extends Exception {
    public InsufficientFundsException(String message) {
        super(message);
    }
}

// 使用
try {
    account.withdraw(1000);
} catch (InsufficientFundsException e) {
    System.out.println("取款失败：" + e.getMessage());
}

异常链（Exception Chaining）​

异常链的概念​

异常链是将原始异常作为新异常的原因，保留完整的异常信息。

try {
    // 可能抛出异常的操作
} catch (IOException e) {
    // 包装为更高级的异常
    throw new CustomException("文件操作失败", e);
}

异常链示例​

public class DatabaseException extends Exception {
    public DatabaseException(String message, Throwable cause) {
        super(message, cause);  // 保留原始异常
    }
}

public class DataAccess {
    public void connect() throws DatabaseException {
        try {
            // 数据库连接操作
            Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // 包装为更高级的异常
            throw new DatabaseException("数据库驱动未找到", e);
        }
    }
}

// 使用
try {
    dataAccess.connect();
} catch (DatabaseException e) {
    System.out.println("异常：" + e.getMessage());
    // 获取原始异常
    Throwable cause = e.getCause();
    if (cause != null) {
        System.out.println("原因：" + cause.getMessage());
    }
}

异常处理最佳实践​

1. 具体异常类型​

// ✅ 推荐：捕获具体异常
try {
    // ...
} catch (FileNotFoundException e) {
    // 处理文件未找到
} catch (IOException e) {
    // 处理其他 IO 异常
}

// ❌ 不推荐：捕获通用异常
// } catch (Exception e) { }

2. 不要忽略异常​

// ❌ 不推荐：忽略异常
try {
    // ...
} catch (Exception e) {
    // 什么都不做
}

// ✅ 推荐：至少记录异常
try {
    // ...
} catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();  // 至少打印堆栈
    // 或记录日志
    logger.error("发生异常", e);
}

3. 使用 try-with-resources​

// ✅ 推荐：自动关闭资源
try (FileReader reader = new FileReader("file.txt")) {
    // 使用资源
}

// ❌ 不推荐：手动关闭
// FileReader reader = new FileReader("file.txt");
// try {
//     // ...
// } finally {
//     reader.close();
// }

4. 异常信息要清晰​

// ✅ 推荐：提供清晰的异常信息
throw new IllegalArgumentException("年龄必须在 0-150 之间，当前值：" + age);

// ❌ 不推荐：异常信息不清晰
// throw new IllegalArgumentException("参数无效");

实际示例​

示例 1：完整的异常处理​

public class FileProcessor {
    public void processFile(String filename) {
        try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader(filename))) {
            String line;
            while ((line = reader.readLine()) != null) {
                System.out.println(line);
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            System.err.println("文件未找到：" + filename);
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("读取文件时发生错误：" + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        } catch (Exception e) {
            System.err.println("发生未知错误：" + e.getMessage());
        }
    }
}

示例 2：自定义异常​

// 自定义异常
public class ValidationException extends Exception {
    private String field;
    private Object value;
    
    public ValidationException(String field, Object value, String message) {
        super(message);
        this.field = field;
        this.value = value;
    }
    
    public String getField() {
        return field;
    }
    
    public Object getValue() {
        return value;
    }
}

// 使用
public class UserValidator {
    public void validate(User user) throws ValidationException {
        if (user.getAge() < 0 || user.getAge() > 150) {
            throw new ValidationException("age", user.getAge(), "年龄必须在 0-150 之间");
        }
        
        if (user.getEmail() == null || !user.getEmail().contains("@")) {
            throw new ValidationException("email", user.getEmail(), "邮箱格式无效");
        }
    }
}

示例 3：异常链​

public class DataService {
    public void saveData(String data) throws DataServiceException {
        try {
            // 数据库操作
            database.save(data);
        } catch (SQLException e) {
            throw new DataServiceException("保存数据失败", e);
        } catch (IOException e) {
            throw new DataServiceException("IO 操作失败", e);
        }
    }
}

// 自定义异常
public class DataServiceException extends Exception {
    public DataServiceException(String message, Throwable cause) {
        super(message, cause);
    }
}

// 使用
try {
    dataService.saveData("数据");
} catch (DataServiceException e) {
    System.out.println("异常：" + e.getMessage());
    Throwable cause = e.getCause();
    if (cause instanceof SQLException) {
        System.out.println("数据库异常：" + cause.getMessage());
    }
}

小结​

Java 异常体系要点：

  • 异常分类：检查型异常和非检查型异常
  • 异常处理：try-catch-finally 语句
  • 异常抛出：throw 抛出异常，throws 声明异常
  • 自定义异常：继承 Exception 或 RuntimeException
  • 异常链：保留原始异常信息

关键要点：

  • 检查型异常必须处理
  • 非检查型异常可以不处理
  • 使用 try-with-resources 自动关闭资源
  • 捕获具体异常类型
  • 不要忽略异常
  • 异常信息要清晰

理解了异常处理，你就能编写更健壮的程序。在下一章，我们将学习 Java 的常用工具类。