Java 中的異常處理機制

来源:https://www.cnblogs.com/feiyu2/archive/2022/07/18/exception.html
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本篇文章主要介紹了1、Java 中的異常2、如何處理函數拋出的異常3、處理異常的原則4、異常處理時，性能開銷大的地方 ...


本篇文章主要介紹了

  • Java 中的異常
  • 如何處理函數拋出的異常
  • 處理異常的原則
  • 異常處理時，性能開銷大的地方

Java 語言在設計之初就提供了相對完善的異常處理機制。
我們首先介紹一下 Java 中的異常。

介紹 Java 中的異常

異常是程式在運行過程中出現的程式異常事件，異常會中斷正在執行的正常指令流 。
Java 中的異常分為兩大類：Exception 和 Error。

下麵是 Exception 和 Error 的類定義

public class Exception extends Throwable {}
public class Error extends Throwable {}

Exception 和 Error 都繼承了 Throwable 類，在 Java 中只有 Throwable 類型的實例才可以被拋出（throw）或者被捕獲（catch）。
Exception 和 Error 體現了 Java 平臺設計者對不同異常情況的分類。
下麵我們逐一介紹 Error 和 Exception。

介紹 Error

Error 類對象一般是由虛擬機生成並拋出，絕大部分的 Error 都會導致虛擬機自身處於不可恢復的狀態，是程式無法控制和處理的。當出現 Error 時，一般會選擇終止線程。
Error 中最常見的是虛擬機運行錯誤（VirtualMachineError 抽象類）。
虛擬機運行錯誤中最常見的有：

  • 記憶體溢出（OutOfMemoryError）：由於記憶體不足，虛擬機沒有可分配的記憶體了，垃圾回收器也不能釋放更多的記憶體，那麼虛擬機拋出 OutOfMemoryError
  • 棧溢出（StackOverflowError）：如果一個線程已用的棧大小 超過 配置的允許最大的棧大小，那麼虛擬機拋出 StackOverflowError

介紹 Exception

Exception 有兩種類型「編譯時異常」和「運行時異常」

  • 「編譯時異常」對應 Java 的 Exception 類
  • 「運行時異常」對應 Java 的 RuntimeException 類（RuntimeException 類繼承 Exception 類 ）

下麵是 Exception、RuntimeException 類的定義

public class Exception extends Throwable {}
public class RuntimeException extends Exception {}

對於「運行時異常」，我們在編寫代碼的時候，可以不用主動去 try-catch 捕獲（不強制要求），編譯器在編譯代碼的時候，並不會檢查代碼是否有對運行時異常做了處理。
相反，對於「編譯時異常」，我們在編寫代碼的時候，必須主動去 try-catch 獲取 或者 在函數定義中聲明向上拋出異常（throws），否則編譯就會報錯。
所以：

  • 「運行時異常」也叫作非受檢異常（Unchecked Exception）
  • 「編譯時異常」也叫作受檢異常（Checked Exception）

在函數拋出異常的時候，，我們該怎麼處理呢？是吞掉還是向上拋出？
如果選擇向上拋出，我們應該選擇拋出哪種類型的異常呢？是受檢異常還是非受檢異常？
我們下文會對此介紹。

常見的編譯時異常有：

  • FileNotFoundException：當嘗試打開由指定路徑表示的文件失敗時拋出
  • ClassNotFoundException：當應用程式嘗試通過其字元串名稱載入類時拋出，以下三種方法載入
    • Class.forName(java.lang.String)
    • ClassLoader.findSystemClass(java.lang.String)
    • ClassLoader.loadClass(java.lang.String, boolean)

常見的運行時異常有：

  • 非法參數異常（IllegalArgumentException）：當傳入了非法或不正確的參數時拋出
  • 空指針異常（NullPointerException）：當在需要對象的情況下使用了 null 時拋出。
  • 下標訪問越界異常（IndexOutOfBoundsException）：當某種索引（例如數組，字元串或向量）的索引超出範圍時拋出。
  • 類型轉換異常（ClassCastException）：當嘗試將對象轉換為不是實例的子類時拋出。
  • 運算異常（ArithmeticException）：運算條件出現異常時拋出。例如，“除以零”的整數。

Java 異常類的結構

image.png

如何處理函數拋出的異常

在函數拋出異常的時候，我們該怎麼處理呢？是吞掉還是向上拋出？
如果選擇向上拋出，我們應該選擇拋出哪種類型的異常呢？是受檢異常還是非受檢異常？
下麵我們就對此介紹。

吞掉 or 拋出

在函數拋出異常的時候，我們該怎麼處理？是吞掉還是向上拋出？

總結一下，在函數拋出異常的時候，一般有下麵三種處理方法。

  • 直接吞掉
  • 原封不動地 re-throw
  • 包裝成新的異常 re-throw

直接吞掉。具體的代碼示例如下所示：

public void func1() throws Exception1 {
    // ...
}

public void func2() {
    //...
    try {
        func1();
    } catch (Exception1 e) {
        //吐掉：try-catch列印日誌
        log.warn("...", e);
    }
    //...
}

原封不動地 re-throw。具體的代碼示例如下所示：

public void func1() throws Exception1 {
    // ...
}

//原封不動的re-throw Exception1
public void func2() throws Exception1 {
    //...
    func1();
    //...
}

包裝成新的異常 re-throw。具體的代碼示例如下所示：

public void func1() throws Exception1 {
    // ...
}

public void func2() throws Exception2 {
    //...
    try {
        func1();
    } catch (Exception1 e) {
        // wrap成新的Exception2然後re-throw
        throw new Exception2("...", e);
    }
    //...
}

當我們面對函數拋出異常的時候，應該選擇上面的哪種處理方式呢？我總結了下麵三個參考原則：

  • 如果 func1() 拋出的異常是可以恢復，且 func2() 的調用方並不關心此異常，我們完全可以在 func2() 內將 func1() 拋出的異常吞掉；
  • 如果 func1() 拋出的異常對 func2() 的調用方來說，也是可以理解的、關心的 ，並且在業務概念上有一定的相關性，我們可以選擇直接將 func1 拋出的異常 re-throw；
  • 如果 func1() 拋出的異常太底層，對 func2() 的調用方來說，缺乏背景去理解、且業務概念上無關，我們可以將它重新包裝成調用方可以理解的新異常，然後 re-throw。

應該選擇上面的哪種處理方式，總結來說就是從以下兩個方面進行判斷：

  1. 函數1 拋出的異常是否可以恢復
  2. 函數1 拋出的異常對於 函數2 的調用方來說是否可以理解、關心、業務概念相關

總之，是否往上繼續拋出，要看上層代碼是否關心這個異常。關心就將它拋出，否則就直接吞掉。
是否需要包裝成新的異常拋出，看上層代碼是否能理解這個異常、是否業務相關。如果能理解、業務相關就可以直接拋出，否則就封裝成新的異常拋出。

對於處理函數拋出的異常，我們需要註意：

  • 如果選擇吞掉函數拋出的異常的話，我們必須把異常輸出到日誌系統，方便後續診斷。
  • 如果把異常輸出到日誌系統時，我們在保證診斷信息足夠的同時，也要考慮避免包含敏感信息，因為那樣可能導致潛在的安全問題。

如果我們看 Java 的標準類庫，你可能註意到類似 java.net.ConnectException，出錯信息是類似“ Connection refused (Connection refused)”，而不包含具體的機器名、IP、埠等，一個重要考量就是信息安全。
類似的情況在日誌中也有，比如，用戶數據一般是不可以輸出到日誌裡面的。

受檢異常 or 非受檢異常

在函數拋出異常的時候，如果選擇向上拋出，我們應該選擇拋出哪種類型的異常呢？是受檢異常還是非受檢異常？

對於代碼 bug（比如下標訪問越界、空指針）以及不可恢復的異常（比如資料庫連接失敗），即便我們捕獲了，也做不了太多事情，我們希望程式能 fail-fast，所以，我們傾向於使用非受檢異常，將程式終止掉。
對於可恢復異常、業務異常，比如提現金額大於餘額的異常，我們更傾向於使用受檢異常，明確告知調用者需要捕獲處理。

處理異常的原則

儘量不要捕獲通用異常

儘量不要捕獲類似 Exception 這樣的通用異常，而應該捕獲特定異常（儘量縮小捕獲的異常範圍）。
下麵舉例說明，實例代碼如下：

try {
    // 業務代碼
    // …
    Thread.sleep(1000L);
} catch (Exception e) {
    // Ignore it
}

對於 Thread.sleep() 函數拋出的 InterruptedException，我們不應該捕獲 Exception 通用異常，而應該捕獲 InterruptedException 這樣的特定異常。

這是因為我們要保證程式不會捕獲到我們不希望捕獲的異常。比如，我們更希望 RuntimeException 導致線程終止，而不是被捕獲。

不要生吞異常

不要生吞（swallow）異常，儘量把異常信息記錄到日誌系統中。
這是異常處理中要特別註意的事情，因為生吞異常很可能會導致難以診斷的詭異情況。
如果我們沒有把異常拋出，也沒有把異常記錄到日誌系統，程式可能會在後續出現難以排查的 bug。沒人能夠輕易判斷究竟是哪裡拋出了異常，以及是什麼原因產生了異常。

再來看一段代碼

try {
    // 業務代碼
    // …
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

這段代碼作為一段實驗代碼，是沒有任何問題的，但是在產品代碼中，通常都不允許這樣處理。
你先思考一下這是為什麼呢？
我們先來看看 printStackTrace() 的文檔，開頭就是“Prints this throwable and its backtrace to the standard error stream”。問題就在這裡，在稍微複雜一點的生產系統中，標準出錯（STERR）不是個合適的輸出選項，因為你很難判到底輸出到哪裡去了。尤其是對於分散式系統，如果發生異常，但是無法找到堆棧軌跡（stacktrace），這純屬是為診斷設置障礙。
所以，最好使用產品日誌，詳細地將異常記錄到日誌系統里。

異常處理時，性能開銷大的地方

我們從性能角度來審視一下 Java 的異常處理機制，這裡有兩個性能開銷相對大的地方：

  • try-catch 代碼段會產生額外的性能開銷，或者換個角度說，它往往會影響 JVM 對代碼進行優化，所以建議僅捕獲有必要的代碼段，儘量不要一個大的 try 包住整段的代碼；
  • Java 每實例化一個 Exception，都會對當時的棧進行快照，這是一個相對比較重的操作。如果實例化 Exception 發生的非常頻繁，這個開銷可就不能被忽略了。

當我們的服務出現反應變慢、吞吐量下降的時候，檢查發生最頻繁的 Exception 也是一種思路。

參考文章

Exception和Error有什麼區別？
程式出錯該返回啥？NULL、異常、錯誤碼、空對象？

個人語雀

本文來自博客園，作者：真正的飛魚，轉載請註明原文鏈接：https://www.cnblogs.com/feiyu2/p/exception.html


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