Java 异常处理及其应用

Java 异常处理是使用 Java 语言进行软件开发和测试脚本开发时不容忽视的问题之一，是否进行异常处理直接关系到开发出的软件的稳定性和健壮性。本文系统的阐述了 Java 异常处理的原理和方法，并列举了一些实例，使读者对 Java 异常处理能有一个全面的认识，理解异常处理机制，能更加灵活和有效地在开发中使用它。

Java 异常处理引出

假设您要编写一个 Java 程序，该程序读入用户输入的一行文本，并在终端显示该文本。程序如下：

1 import java.io.*;
2 public class EchoInput {
3      public static void main(String args[]){
4          System.out.println("Enter text to echo:");
5          InputStreamReader isr = new InputStreamReader(System.in);
6          BufferedReader inputReader = new BufferedReader(isr);
7          String inputLine = inputReader.readLine();
8          System.out.println("Read:" + inputLine);
9   }
10 }

分析上面的代码，在 EchoInput 类中，第 3 行声明了 main 方法；第 4 行提示用户输入文本；第 5、6 行设置 BufferedReader 对像连接到 InputStreamReader，而 InputStreamReader 又连接到标准输入流 System.in；第 7 行读入一行文本；第 8 行用标准输出流 System.out 显示出该文本。表面看来上面的程序没有问题，但实际上，EchoInput 类完全可能出现问题。要在调用第 7 行的 readLine 方法时正确读取输入，这几种假设都必须成立：假定键盘有效，键盘能与计算机正常通信；假定键盘数据可从操作系统传输到 Java 虚拟机，又从 Java 虚拟机传输 inputReader。大多数情况下上述假设都成立，但不尽然。为此，Java 采用异常方法，以应对可能出现的错误，并采取步骤进行更正。在本例中，若试图编译以上代码，将看到以下信息：

Exception in thread "main" java.lang.Error: Unresolved compilation problem:
    Unhandled exception type IOException
    at EchoInput.main(EchoInput.java:7)

从中可以看到，第 7 行调用 readLine 方法可能出错：若果真如此，则产生 IOException 来记录故障。编译器错误是在告诉您，需要更改代码来解决这个潜在的问题。在 JDK API 文档中，可以看到同样的信息。我们可以看到 readLine 方法，如图 1 所示。 图 1. BufferedReader 类的 readLine 方法的 JDK API 文档

由图 1 可知，readLine 方法有时产生 IOException。如何处理潜在的故障？编译器需要“捕获”或“声明”IOException。 “捕获 (catch)”指当 readLine 方法产生错误时截获该错误，并处理和记录该问题。而“声明 (declare)”指错误可能引发 IOException，并通知调用该方法的任何代码：可能产生异常。若要捕获异常，必须添加一个特殊的“处理代码块”，来接收和处理 IOException。于是程序改为如下：

1 import java.io.*;
2 public class EchoInputHandle {
3      public static void main(String args[]){
4          System.out.println("Enter text to echo:");
5          InputStreamReader isr = new InputStreamReader(System.in);
6          BufferedReader inputReader = new BufferedReader(isr);
7          try{
8              String inputLine = inputReader.readLine();
9              System.out.println("Read:" + inputLine);
10          }
11          catch(IOException exc){
12              System.out.println(“Exception encountered: ” + exc);
13          }
14      }
15 }

从上面的这个简单的例子中，我们可以看出异常处理在 Java 代码开发中不能被忽视。

Java 异常以及异常处理

可将 Java 异常看作是一类消息，它传送一些系统问题、故障及未按规定执行的动作的相关信息。异常包含信息，以将信息从应用程序的一部分发送到另一部分。编译语言为何要处理异常？为何不在异常出现位置随时处理具体故障？因为有时候我们需要在系统中交流错误消息，以便按照统一的方式处理问题，有时是因为有若干处理问题的可能方式，但您不知道使用哪一种，此时，可将处理异常的任务委托给调用方法的代码。调用者通常更能了解问题来源的上下文，能更好的确定恢复方式。图 2 是一个通用消息架构。 图 2. 通用消息架构

从上图可以看出，必定在运行的 Java 应用程序的一些类或对象中产生异常。出现故障时，“发送者”将产生异常对象。异常可能代表 Java 代码出现的问题，也可能是 JVM 的相应错误，或基础硬件或操作系统的错误。异常本身表示消息，指发送者传给接收者的数据“负荷”。首先，异常基于类的类型来传输有用信息。很多情况下，基于异常的类既能识别故障本因并能更正问题。其次，异常还带有可能有用的数据（如属性）。在处理异常时，消息必须有接收者；否则将无法处理产生异常的底层问题。在上例中，异常“产生者”是读取文本行的 BufferedReader。在故障出现时，将在 readLine 方法中构建 IOException 对象。异常“接收者”是代码本身。EchoInputHandle 应用程序的 try-catch 结构中的 catch 块是异常的接收者，它以字符串形式输出异常，将问题记录下来。

Java 异常类的层次结构

在我们从总体上了解异常后，我们应该了解如何在 Java 应用程序中使用异常，即需要了解 Java 类的层次结构。图 3 是 Java 类的层次结构图。 图 3. Java 类的层次结构

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。 Throwable 有两个重要的子类：Exception（异常）和 Error（错误），二者都是 Java 异常处理的重要子类，各自都包含大量子类。 Exception（异常）是应用程序中可能的可预测、可恢复问题。一般大多数异常表示中度到轻度的问题。异常一般是在特定环境下产生的，通常出现在代码的特定方法和操作中。在 EchoInput 类中，当试图调用 readLine 方法时，可能出现 IOException 异常。 Error（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，当 JVM 不再有继续执行操作所需的内存资源时，将出现 OutOfMemoryError。 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。

Java 异常的处理

在 Java 应用程序中，对异常的处理有两种方式：处理异常和声明异常。

处理异常：try、catch 和 finally

若要捕获异常，则必须在代码中添加异常处理器块。这种 Java 结构可能包含 3 个部分，都有 Java 关键字。下面的例子中使用了 try-catch-finally 代码结构。

1 import java.io.*;
2 public class EchoInputTryCatchFinally {
3      public static void main(String args[]){
4          System.out.println("Enter text to echo:");
5          InputStreamReader isr = new InputStreamReader(System.in);
6          BufferedReader inputReader = new BufferedReader(isr);
7          try{
8              String inputLine = inputReader.readLine();
9              System.out.println("Read:" + inputLine);     
10          }
11          catch(IOException exc){
12              System.out.println("Exception encountered: " + exc);
13          }
14          finally{
15             System.out.println("End. ");
16      }
17 }
18}

其中：

try 块：将一个或者多个语句放入 try 时，则表示这些语句可能抛出异常。编译器知道可能要发生异常，于是用一个特殊结构评估块内所有语句。
catch 块：当问题出现时，一种选择是定义代码块来处理问题，catch 块的目的便在于此。catch 块是 try 块所产生异常的接收者。基本原理是：一旦生成异常，则 try 块的执行中止，JVM 将查找相应的 JVM。
finally 块：还可以定义 finally 块，无论运行 try 块代码的结果如何，该块里面的代码一定运行。在常见的所有环境中，finally 块都将运行。无论 try 块是否运行完，无论是否产生异常，也无论是否在 catch 块中得到处理，finally 块都将执行。 try-catch-finally 规则：
1. 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。
2. 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。
3. catch 块与相应的异常类的类型相关。
4. 一个 try 块可能有多个 catch 块。若如此，则执行第一个匹配块。
5. 可嵌套 try-catch-finally 结构。
6. 在 try-catch-finally 结构中，可重新抛出异常。
7. 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。
  声明异常
  
  若要声明异常，则必须将其添加到方法签名块的结束位置。下面是一个实例：

public void errorProneMethod(int input) throws java.io.IOException {
    //Code for the method,including one or more method
    //calls that may produce an IOException
}

这样，声明的异常将传给方法调用者，而且也通知了编译器：该方法的任何调用者必须遵守处理或声明规则。声明异常的规则如下：

必须声明方法可抛出的任何可检测异常（checked exception）。
非检测性异常（unchecked exception）不是必须的，可声明，也可不声明。
调用方法必须遵循任何可检测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。

Java 异常处理的分类

Java 异常可分为可检测异常，非检测异常和自定义异常。

可检测异常

可检测异常经编译器验证，对于声明抛出异常的任何方法，编译器将强制执行处理或声明规则，例如：sqlExecption 这个异常就是一个检测异常。你连接 JDBC 时，不捕捉这个异常，编译器就通不过，不允许编译。

非检测异常

非检测异常不遵循处理或声明规则。在产生此类异常时，不一定非要采取任何适当操作，编译器不会检查是否已解决了这样一个异常。例如：一个数组为 3 个长度，当你使用下标为３时，就会产生数组下标越界异常。这个异常 JVM 不会进行检测，要靠程序员来判断。有两个主要类定义非检测异常：RuntimeException 和 Error。 Error 子类属于非检测异常，因为无法预知它们的产生时间。若 Java 应用程序内存不足，则随时可能出现 OutOfMemoryError；起因一般不是应用程序的特殊调用，而是 JVM 自身的问题。另外，Error 一般表示应用程序无法解决的严重问题。 RuntimeException 类也属于非检测异常，因为普通 JVM 操作引发的运行时异常随时可能发生，此类异常一般是由特定操作引发。但这些操作在 Java 应用程序中会频繁出现。因此，它们不受编译器检查与处理或声明规则的限制。

自定义异常

自定义异常是为了表示应用程序的一些错误类型，为代码可能发生的一个或多个问题提供新含义。可以显示代码多个位置之间的错误的相似性，也可以区分代码运行时可能出现的相似问题的一个或者多个错误，或给出应用程序中一组错误的特定含义。例如，对队列进行操作时，有可能出现两种情况：空队列时试图删除一个元素；满队列时试图添加一个元素。则需要自定义两个异常来处理这两种情况。

Java 异常处理的原则和忌讳

Java 异常处理的原则

尽可能的处理异常要尽可能的处理异常，如果条件确实不允许，无法在自己的代码中完成处理，就考虑声明异常。如果人为避免在代码中处理异常，仅作声明，则是一种错误和依赖的实践。具体问题具体解决异常的部分优点在于能为不同类型的问题提供不同的处理操作。有效异常处理的关键是识别特定故障场景，并开发解决此场景的特定相应行为。为了充分利用异常处理能力，需要为特定类型的问题构建特定的处理器块。记录可能影响应用程序运行的异常至少要采取一些永久的方式，记录下可能影响应用程序操作的异常。理想情况下，当然是在第一时间解决引发异常的基本问题。不过，无论采用哪种处理操作，一般总应记录下潜在的关键问题。别看这个操作很简单，但它可以帮助您用很少的时间来跟踪应用程序中复杂问题的起因。根据情形将异常转化为业务上下文若要通知一个应用程序特有的问题，有必要将应用程序转换为不同形式。若用业务特定状态表示异常，则代码更易维护。从某种意义上讲，无论何时将异常传到不同上下文（即另一技术层），都应将异常转换为对新上下文有意义的形式。

Java 异常处理的忌讳

一般不要忽略异常在异常处理块中，一项最危险的举动是“不加通告”地处理异常。如下例所示：

1   try{
2       Class.forName("business.domain.Customer");
3   }
4   catch (ClassNotFoundException exc){}

经常能够在代码块中看到类似的代码块。有人总喜欢在编写代码时简单快速地编写空处理器块，并“自我安慰地”宣称准备在“后期”添加恢复代码，但这个“后期”变成了“无期”。这种做法有什么坏处？如果异常对应用程序的其他部分确实没有任何负面影响，这未尝不可。但事实往往并非如此，异常会扰乱应用程序的状态。此时，这样的代码无异于掩耳盗铃。这种做法若影响较轻，则应用程序可能出现怪异行为。例如，应用程序设置的一个值不见了，或 GUI 失效。若问题严重，则应用程序可能会出现重大问题，因为异常未记录原始故障点，难以处理，如重复的 NullPointerExceptions。如果采取措施，记录了捕获的异常，则不可能遇到这个问题。实际上，除非确认异常对代码其余部分绝无影响，至少也要作记录。进一步讲，永远不要忽略问题；否则，风险很大，在后期会引发难以预料的后果。

不要使用覆盖式异常处理块另一个危险的处理是覆盖式处理器（blanket handler）。该代码的基本结构如下：

1   try{
2     // …
3   }
4   catch(Exception e){
5     // …
6   }

使用覆盖式异常处理块有两个前提之一：

代码中只有一类问题。这可能正确，但即便如此，也不应使用覆盖式异常处理，捕获更具体的异常形式有利物弊。
单个恢复操作始终适用。这几乎绝对错误。几乎没有哪个方法能放之四海而皆准，能应对出现的任何问题。分析下这样编写代码将发生的情况。只要方法不断抛出预期的异常集，则一切正常。但是，如果抛出了未预料到的异常，则无法看到要采取的操作。当覆盖式处理器对新异常类执行千篇一律的任务时，只能间接看到异常的处理结果。如果代码没有打印或记录语句，则根本看不到结果。更糟糕的是，当代码发生变化时，覆盖式处理器将继续作用于所有新异常类型，并以相同方式处理所有类型。
一般不要把特定的异常转化为更通用的异常将特定的异常转换为更通用异常时一种错误做法。一般而言，这将取消异常起初抛出时产生的上下文，在将异常传到系统的其他位置时，将更难处理。见下例：

1   try{
2     // Error-prone code
3   }
4   catch(IOException e){
5      String msg = "If you didn ’ t have a problem before,you do now!";
6      throw new Exception(msg);
7   }

因为没有原始异常的信息，所以处理器块无法确定问题的起因，也不知道如何更正问题。

不要处理能够避免的异常对于有些异常类型，实际上根本不必处理。通常运行时异常属于此类范畴。在处理空指针或者数据索引等问题时，不必求助于异常处理。

异常处理

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