🦇异常处理
2021-3-7
| 2023-8-3
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Java的异常捕获异常多catch语句finally语句捕获多种异常抛出异常抛出异常异常屏蔽自定义异常NullPointerException处理NullPointerException定位NullPointerException断言日志JDK LoggingCommons LoggingLog4jSLF4J和Logback

Java的异常

在计算机程序运行的过程中，总是会出现各种各样的错误。
有一些错误是用户造成的，比如：希望用户输入一个int类型的年龄，但是用户的输入是abc ；程序想要读写某个文件的内容，但是用户已经把它删除了。
还有一些错误是随机出现，并且永远不可能避免的。比如：
  • 网络突然断了，连接不到远程服务器；
  • 内存耗尽，程序崩溃了；
  • ……
 
一个健壮的程序必须处理各种各样的错误。所谓错误，就是程序调用某个函数的时候，如果失败了，就表示出错。调用方如何获知调用失败的信息？有两种方法：
  • 约定返回错误码
      • 例如，处理一个文件，如果返回0，表示成功，返回其他整数，表示约定的错误码：
      因为使用int类型的错误码，想要处理就非常麻烦，这种方式常见于底层C函数。
  • 在语言层面上提供一个异常处理机制
 
Java内置了一套异常处理机制，总是使用异常来表示错误。
异常是一种class，因此它本身带有类型信息。异常可以在任何地方抛出，但只需要在上层捕获，这样就和方法调用分离了：
 
Java的异常是class，它的继承关系如下：
notion image
Throwable是异常体系的根，它继承自Object。Throwable有两个体系：Error和Exception
Error表示严重的错误，程序对此一般无能为力：
  • OutOfMemoryError：内存耗尽
  • NoClassDefFoundError：无法加载某个Class
  • StackOverflowError：栈溢出
 
Exception则是运行时的错误，它可以被捕获并处理。
某些异常是应用程序逻辑处理的一部分，应该捕获并处理：
  • NumberFormatException：数值类型的格式错误
  • FileNotFoundException：未找到文件
  • SocketException：读取网络失败
还有一些异常是程序逻辑编写不对造成的，应该修复程序本身：
  • NullPointerException：对某个null的对象调用方法或字段
  • IndexOutOfBoundsException：数组索引越界
Exception又分为两大类：
  1. RuntimeException以及它的子类；
  1. 非RuntimeException（包括IOException、ReflectiveOperationException等等）
 
 
Java规定：
  • 必须捕获的异常，包括Exception及其子类，但不包括RuntimeException及其子类，这种类型的异常称为Checked Exception。
  • 不需要捕获的异常，包括Error及其子类，RuntimeException及其子类。编译器对RuntimeException及其子类不做强制捕获要求，不是指应用程序本身不应该捕获并处理RuntimeException。是否需要捕获，具体问题具体分析。
 

捕获异常

捕获异常使用try...catch语句，把可能发生异常的代码放到try {...}中，然后使用catch捕获对应的Exception及其子类：
如果不捕获UnsupportedEncodingException，会出现编译失败的问题。
编译器会报错，错误信息类似：unreported exception UnsupportedEncodingException; must be caught or declared to be thrown，并且准确地指出需要捕获的语句是return s.getBytes("GBK");。意思是说，像UnsupportedEncodingException这样的Checked Exception，必须被捕获。
 
这是因为String.getBytes(String)方法定义是：
在方法定义的时候，使用throws Xxx表示该方法可能抛出的异常类型。调用方在调用的时候，必须强制捕获这些异常，否则编译器会报错。
在toGBK()方法中，因为调用了String.getBytes(String)方法，就必须捕获UnsupportedEncodingException。也可以不捕获它，而是在方法定义处用throws表示toGBK()方法可能会抛出UnsupportedEncodingException，就可以让toGBK()方法通过编译器检查：
上述代码仍然会得到编译错误，但这一次，编译器提示的不是调用return s.getBytes("GBK");的问题，而是byte[] bs = toGBK("中文");。因为在main()方法中，调用toGBK()，没有捕获它声明的可能抛出的UnsupportedEncodingException。
修复方法是在main()方法中捕获异常并处理：
 
可见，只要是方法声明的Checked Exception，不在调用层捕获，也必须在更高的调用层捕获。所有未捕获的异常，最终也必须在main()方法中捕获，不会出现漏写try的情况。这是由编译器保证的。main()方法也是最后捕获Exception的机会。
如果是测试代码，上面的写法就略显麻烦。如果不想写任何try代码，可以直接把main()方法定义为throws Exception：
因为main()方法声明了可能抛出Exception，也就声明了可能抛出所有的Exception，因此在内部就无需捕获了。代价就是一旦发生异常，程序会立刻退出。
 

多catch语句

可以使用多个catch语句，每个catch分别捕获对应的Exception及其子类。JVM在捕获到异常后，会从上到下匹配catch语句，匹配到某个catch后，执行catch代码块，然后不再继续匹配。
简单地说就是：多个catch语句只有一个能被执行。存在多个catch的时候，catch的顺序非常重要：子类必须写在前面。
对于上面的代码，UnsupportedEncodingException异常是永远捕获不到的，因为它是IOException的子类。当抛出UnsupportedEncodingException异常时，会被catch (IOException e) { ... }捕获并执行。
因此，正确的写法是把子类放到前面：
 
 

finally语句

无论是否有异常发生，如果都希望执行一些语句，例如清理工作，怎么写？
可以把执行语句写若干遍：正常执行的放到try中，每个catch再写一遍。
上述代码无论是否发生异常，都会执行System.out.println("END");这条语句。
那么如何消除这些重复的代码？Java的try ... catch机制还提供了finally语句，finally语句块保证有无错误都会执行。上述代码可以改写如下：
注意finally有几个特点：
  1. finally语句不是必须的，可写可不写；
  1. finally总是最后执行。
如果没有发生异常，就正常执行try { ... }语句块，然后执行finally。如果发生了异常，就中断执行try { ... }语句块，然后跳转执行匹配的catch语句块，最后执行finally。
可见，finally是用来保证一些代码必须执行的。
某些情况下，可以没有catch，只使用try ... finally结构。例如：
因为方法声明了可能抛出的异常，所以可以不写catch。
 

捕获多种异常

如果某些异常的处理逻辑相同，但是异常本身不存在继承关系，那么就得编写多条catch子句：
因为处理IOException和NumberFormatException的代码是相同的，所以我们可以把它两用|合并到一起：
 

抛出异常

当某个方法抛出了异常时，如果当前方法没有捕获异常，异常就会被抛到上层调用方法，直到遇到某个try ... catch被捕获为止：
通过printStackTrace()可以打印出方法的调用栈，类似：
notion image
 
printStackTrace()对于调试错误非常有用，上述信息表示：NumberFormatException是在java.lang.Integer.parseInt方法中被抛出的，从下往上看，调用层次依次是：
  1. main()调用process1()；
  1. process1()调用process2()；
  1. process2()调用Integer.parseInt(String)；
  1. Integer.parseInt(String)调用Integer.parseInt(String, int)。
查看Integer.java源码可知，抛出异常的方法代码如下：
并且，每层调用均给出了源代码的行号，可直接定位。
 

抛出异常

当发生错误时，例如，用户输入了非法的字符，就可以抛出异常。
如何抛出异常？参考Integer.parseInt()方法，抛出异常分两步：
  1. 创建某个Exception的实例；
  1. 用throw语句抛出。
下面是一个例子：
绝大部分抛出异常的代码都会合并写成一行：
如果一个方法捕获了某个异常后，又在catch子句中抛出新的异常，就相当于把抛出的异常类型“转换”了：
当process2()抛出NullPointerException后，被process1()捕获，然后抛出IllegalArgumentException()。
如果在main()中捕获IllegalArgumentException，我们看看打印的异常栈：
notion image
这说明新的异常丢失了原始异常信息，已经看不到原始异常NullPointerException的信息了。
为了能追踪到完整的异常栈，在构造异常的时候，把原始的Exception实例传进去，新的Exception就可以持有原始Exception信息。对上述代码改进如下：
notion image
注意到Caused by: Xxx，说明捕获的IllegalArgumentException并不是造成问题的根源，根源在于NullPointerException，是在Main.process2()方法抛出的。
在代码中获取原始异常可以使用Throwable.getCause()方法。如果返回null，说明已经是“根异常”了。
有了完整的异常栈的信息，我们才能快速定位并修复代码的问题。
 
如果在try或者catch语句块中抛出异常，finally语句是否会执行？
notion image
第一行打印了catched，说明进入了catch语句块。第二行打印了finally，说明执行了finally语句块。
因此，在catch中抛出异常，不会影响finally的执行。JVM会先执行finally，然后抛出异常。
 

异常屏蔽

如果在执行finally语句时抛出异常，那么，catch语句的异常还能否继续抛出？例如：
notion image
这说明finally抛出异常后，原来在catch中准备抛出的异常就“消失”了，因为只能抛出一个异常。没有被抛出的异常称为“被屏蔽”的异常（Suppressed Exception）。
在极少数的情况下，需要获知所有的异常。如何保存所有的异常信息？方法是先用origin变量保存原始异常，然后调用Throwable.addSuppressed()，把原始异常添加进来，最后在finally抛出：
当catch和finally都抛出了异常时，虽然catch的异常被屏蔽了，但是，finally抛出的异常仍然包含了它
通过Throwable.getSuppressed()可以获取所有的Suppressed Exception。
绝大多数情况下，在finally中不要抛出异常。因此，通常不需要关心Suppressed Exception。
 
 

自定义异常

Java标准库定义的常用异常包括：
notion image
在代码中需要抛出异常时，尽量使用JDK已定义的异常类型。例如，参数检查不合法，应该抛出IllegalArgumentException：
 
在一个大型项目中，可以自定义新的异常类型，但是，保持一个合理的异常继承体系是非常重要的。一个常见的做法是自定义一个BaseException作为“根异常”，然后，派生出各种业务类型的异常。BaseException需要从一个适合的Exception派生，通常建议从RuntimeException派生：
其他业务类型的异常就可以从BaseException派生：
自定义的BaseException应该提供多个构造方法：
上述构造方法实际上都是原样照抄RuntimeException。这样，抛出异常的时候，就可以选择合适的构造方法。通过IDE可以根据父类快速生成子类的构造方法。
 

NullPointerException

NullPointerException即空指针异常，俗称NPE。如果一个对象为null，调用其方法或访问其字段就会产生NullPointerException，这个异常通常是由JVM抛出的：
指针这个概念实际上源自C语言，Java语言中并无指针。定义的变量实际上是引用，Null Pointer更确切地说是Null Reference，不过两者区别不大。
 

处理NullPointerException

如果遇到NullPointerException应该如何处理？首先，必须明确，NullPointerException是一种代码逻辑错误，遇到NullPointerException，遵循原则是早暴露，早修复，严禁使用catch来隐藏这种编码错误：
好的编码习惯可以极大地降低NullPointerException的产生，例如：
成员变量在定义时初始化：
使用空字符串""而不是默认的null可避免很多NullPointerException，编写业务逻辑时，用空字符串""表示未填写比null安全得多。
返回空字符串""、空数组而不是null：
这样可以使得调用方无需检查结果是否为null。
如果调用方一定要根据null判断，比如返回null表示文件不存在，那么考虑返回Optional<T>：
这样调用方必须通过Optional.isPresent()判断是否有结果。
 

定位NullPointerException

如果产生了NullPointerException，例如，调用a.b.c.x()时产生了NullPointerException，原因可能是：
  • a是null；
  • a.b是null；
  • a.b.c是null；
确定到底是哪个对象是null以前只能打印这样的日志：
 
从Java 14开始，如果产生了NullPointerException，JVM可以给出详细的信息告诉我们null对象到底是谁。
这种增强的NullPointerException详细信息是Java 14新增的功能，默认是关闭的，可以给JVM添加一个-XX:+ShowCodeDetailsInExceptionMessages参数启用它：
 
 

断言

断言（Assertion）是一种调试程序的方式，Java使用assert关键字来实现断言：
语句assert x >= 0;即为断言，断言条件x >= 0预期为true。如果计算结果为false，则断言失败，抛出AssertionError。
 
使用assert语句时，还可以添加一个可选的断言消息：
这样，断言失败的时候，AssertionError会带上消息x must >= 0，更加便于调试。
 
Java断言的特点是：断言失败时会抛出AssertionError，导致程序结束退出。因此，断言不能用于可恢复的程序错误，只应该用于开发和测试阶段。
对于可恢复的程序错误，不应该使用断言，应该抛出异常并在上层捕获：
 
JVM默认关闭断言指令，即遇到assert语句就自动忽略了，不执行。
要执行assert语句，必须给Java虚拟机传递-enableassertions（可简写为-ea）参数启用断言。
还可以有选择地对特定地类启用断言，命令行参数是：-ea:com.itranswarp.sample.Main，表示只对com.itranswarp.sample.Main这个类启用断言。
或者对特定地包启用断言，命令行参数是：-ea:com.itranswarp.sample...（结尾3个.），表示对com.itranswarp.sample这个包启动断言。
 
 

日志

在编写程序的过程中，发现程序运行结果与预期不符，怎么办？
用System.out.println()打印出执行过程中的某些变量，观察每一步的结果与代码逻辑是否符合，然后有针对性地修改代码。
代码改好了怎么办？删除没有用的System.out.println()语句。如果改代码又改出问题怎么办？再加上System.out.println() ?非常麻烦。
怎么办？解决方法是使用日志。
 
日志就是Logging，它的目的是为了取代System.out.println()。
输出日志，而不是用System.out.println()，有以下几个好处：
  1. 可以设置输出样式，避免自己每次都写"ERROR: " + var
  1. 可以设置输出级别，禁止某些级别输出，例如只输出错误日志
  1. 可以被重定向到文件，这样可以在程序运行结束后查看日志
  1. 可以按包名控制日志级别，只输出某些包打的日志
  1. ……
那如何使用日志？
 

JDK Logging

Java标准库内置了日志包java.util.logging，可以直接用
自动打印了时间、调用类、调用方法等很多有用的信息
logger.fine()没有打印是因为，日志的输出可以设定级别。JDK的Logging定义了7个日志级别，从严重到普通：
  1. SEVERE
  1. WARNING
  1. INFO
  1. CONFIG
  1. FINE
  1. FINER
  1. FINEST
默认级别是INFO，因此，INFO级别以下的日志，不会被打印出来。使用日志级别的好处在于，调整级别，就可以屏蔽掉很多调试相关的日志输出。
 
使用Java标准库内置的Logging有以下局限：
Logging系统在JVM启动时读取配置文件并完成初始化，一旦开始运行main()方法，就无法修改配置；
配置不太方便，需要在JVM启动时传递参数-Djava.util.logging.config.file=<config-file-name>。
 
 

Commons Logging

commons-logging-1.2.zip
56.1KB
Commons Logging是一个第三方日志库，它是由Apache创建的日志模块。
它可以挂接不同的日志系统，并通过配置文件指定挂接的日志系统。默认情况下，Commons Loggin自动搜索并使用Log4j（Log4j是另一个流行的日志系统），如果没有找到Log4j，再使用JDK Logging。
使用Commons Logging只需要和两个类打交道，并且只有两步：
第一步，通过LogFactory获取Log类的实例； 第二步，使用Log实例的方法打日
Commons Logging定义了6个日志级别：
  • FATAL
  • ERROR
  • WARNING
  • INFO
  • DEBUG
  • TRACE
默认级别是INFO。
使用Commons Logging时，如果在静态方法中引用Log，通常直接定义一个静态类型变量：
在实例方法中引用Log，通常定义一个实例变量：
 
实例变量log的获取方式是LogFactory.getLog(getClass())，虽然也可以用LogFactory.getLog(Person.class)，但是前一种方式有个非常大的好处，就是子类可以直接使用该log实例：
由于Java类的动态特性，子类获取的log字段实际上相当于LogFactory.getLog(Student.class)，但却是从父类继承而来，并且无需改动代码。
此外，Commons Logging的日志方法，例如info()，除了标准的info(String)外，还提供了一个非常有用的重载方法：info(String, Throwable)，这使得记录异常更加简单：
 

Log4j

Log4j是一种非常流行的日志框架，最新版本是2.x。Log4j是一个组件化设计的日志系统，它的架构大致如下：
notion image
当使用Log4j输出一条日志时，Log4j自动通过不同的Appender把同一条日志输出到不同的目的地：
  • console：输出到屏幕；
  • file：输出到文件；
  • socket：通过网络输出到远程计算机；
  • jdbc：输出到数据库
通过Filter来过滤哪些log需要被输出，哪些log不需要被输出。例如，仅输出ERROR级别的日志。
最后，通过Layout来格式化日志信息，例如，自动添加日期、时间、方法名称等信息。
上述结构虽然复杂，但在实际使用的时候，并不需要关心Log4j的API，而是通过配置文件来配置它。
以XML配置为例，使用Log4j的时候，我们把一个log4j2.xml的文件放到classpath下就可以让Log4j读取配置文件并按照我们的配置来输出日志。下面是一个配置文件的例子：
虽然配置Log4j比较繁琐，但一旦配置完成，使用起来就非常方便。对上面的配置文件，凡是INFO级别的日志，会自动输出到屏幕，而ERROR级别的日志，不但会输出到屏幕，还会同时输出到文件。并且，一旦日志文件达到指定大小（1MB），Log4j就会自动切割新的日志文件，并最多保留10份。
因为Log4j也是一个第三方库，要把以下3个jar包放到classpath中：
新建文件夹.zip
1862.3KB
要打印日志，只需要按Commons Logging的写法写，不需要改动任何代码，就可以得到Log4j的日志输出
Commons Logging和Log4，一个负责充当日志API，一个负责实现日志底层，搭配使用非常便于开发。
 
 

SLF4J和Logback

因为对Commons Logging的接口不满意，有人就搞了SLF4J。因为对Log4j的性能不满意，有人就搞了Logback。
在Commons Logging中，要打印日志有时候得这么写：
拼字符串是一个非常麻烦的事情，所以SLF4J的日志接口改进成这样了：
SLF4J的日志接口传入的是一个带占位符的字符串，用后面的变量自动替换占位符，所以看起来更加自然。
 
如何使用SLF4J？它的接口实际上和Commons Logging几乎一模一样：
使用SLF4J和Logback和使用Commons Logging加Log4j是类似的，先分别下载SLF4J和Logback，然后把以下jar包放到classpath下:
  • slf4j-api-1.7.x.jar
  • logback-classic-1.2.x.jar
  • logback-core-1.2.x.jar
然后使用SLF4J的Logger和LoggerFactory即可。
 
和Log4j类似，仍然需要一个Logback的配置文件，把logback.xml放到classpath下，配置如下：
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