异常的概念和Java异常体系结构

1、 异常的概念和Java异常体系结构


异常是程序运行过程当中出现的错误。本文主要讲授的是Java语言的异常处理。Java语言的异常处理框架，

是Java语言健壮性的一个重要体现。

Java把异常看成对象来处理，并定义一个基类java.lang.Throwable做为全部异常的超类。
在Java API中已经定义了许多异常类，这些异常类分为两大类，错误Error和异常Exception。

Java异常体系结构呈树状，其层次结构图如图 1所示：




图 1 Java异常体系结构


Thorwable类全部异常和错误的超类，有两个子类Error和Exception，分别表示错误和异常。

其中异常类Exception又分为运行时异常(RuntimeException)和非运行时异常，

这两种异常有很大的区别，也称之为不检查异常（Unchecked Exception）

和检查异常（Checked Exception）。下面将详细讲述这些异常之间的区别与联系：


一、Error与Exception


Error是程序没法处理的错误，好比OutOfMemoryError、ThreadDeath等。这些异常发生时，

Java虚拟机（JVM）通常会选择线程终止。



Exception是程序自己能够处理的异常，这种异常分两大类运行时异常和非运行时异常。

程序中应当尽量去处理这些异常。


二、运行时异常和非运行时异常


运行时异常都是RuntimeException类及其子类异常，如NullPointerException、IndexOutOfBoundsException等，

这些异常是不检查异常，程序中能够选择捕获处理，也能够不处理。这些异常通常是由程序逻辑错误引发的，

程序应该从逻辑角度尽量避免这类异常的发生。


非运行时异常是RuntimeException之外的异常，类型上都属于Exception类及其子类。

从程序语法角度讲是必须进行处理的异常，若是不处理，程序就不能编译经过。

如IOException、SQLException等以及用户自定义的Exception异常，通常状况下不自定义检查异常。



2、 异常的捕获和处理


Java异常的捕获和处理是一个不容易把握的事情，若是处理不当，不但会让程序代码的可读性大大下降，

并且致使系统性能低下，甚至引起一些难以发现的错误。



Java异常处理涉及到五个关键字，分别是：try、catch、finally、throw、throws。下面将骤一介绍，

经过认识这五个关键字，掌握基本异常处理知识。


一、 异常处理的基本语法

在java中，异常处理的完整语法是：

Java代码

1. try{
2. //（尝试运行的）程序代码
3. }catch(异常类型 异常的变量名){
4. //异常处理代码
5. }finally{
6. //异常发生，方法返回以前，老是要执行的代码
7. }

[java]   view plain copy print ?

1. try{
2. //（尝试运行的）程序代码
3. }catch(异常类型 异常的变量名){
4. //异常处理代码
5. }finally{
6. //异常发生，方法返回以前，老是要执行的代码
7. }

以上语法有三个代码块：

try语句块，表示要尝试运行代码，try语句块中代码受异常监控，其中代码发生异常时，会抛出异常对象。


catch语句块会捕获try代码块中发生的异常并在其代码块中作异常处理，catch语句带一个Throwable类型的参数，

表示可捕获异常类型。当try中出现异常时，catch会捕获到发生的异常，并和本身的异常类型匹配，

若匹配，则执行catch块中代码，并将catch块参数指向所抛的异常对象。catch语句能够有多个，

用来匹配多个中的一个异常，一旦匹配上后，就再也不尝试匹配别的catch块了。

经过异常对象能够获取异常发生时完整的JVM堆栈信息，以及异常信息和异常发生的缘由等。


finally语句块是紧跟catch语句后的语句块，这个语句块老是会在方法返回前执行，

而不论是否try语句块是否发生异常。而且这个语句块老是在方法返回前执行。

目的是给程序一个补救的机会。这样作也体现了Java语言的健壮性。


二、 try、catch、finally三个语句块应注意的问题

第1、try、catch、finally三个语句块均不能单独使用，三者能够组成 try...catch...finally、try...catch、

try...finally三种结构，catch语句能够有一个或多个，finally语句最多一个。

第2、try、catch、finally三个代码块中变量的做用域为代码块内部，分别独立而不能相互访问。

若是要在三个块中均可以访问，则须要将变量定义到这些块的外面。

第3、多个catch块时候，只会匹配其中一个异常类并执行catch块代码，而不会再执行别的catch块，

而且匹配catch语句的顺序是由上到下。


三、throw、throws关键字

throw关键字是用于方法体内部，用来抛出一个Throwable类型的异常。若是抛出了检查异常，

则还应该在方法头部声明方法可能抛出的异常类型。该方法的调用者也必须检查处理抛出的异常。

若是全部方法都层层上抛获取的异常，最终JVM会进行处理，处理也很简单，就是打印异常消息和堆栈信息。

若是抛出的是Error或RuntimeException，则该方法的调用者可选择处理该异常。有关异常的转译会在下面说明。


throws关键字用于方法体外部的方法声明部分，用来声明方法可能会抛出某些异常。仅当抛出了检查异常，

该方法的调用者才必须处理或者从新抛出该异常。当方法的调用者无力处理该异常的时候，应该继续抛出，

而不是囫囵吞枣通常在catch块中打印一下堆栈信息作个勉强处理。下面给出一个简单例子，

看看如何使用这两个关键字：

Java代码

1. public static void test3() throws Exception{
2. //抛出一个检查异常
3. throw new Exception("方法test3中的Exception");
4. }

[java]   view plain copy print ?

1. public static void test3() throws Exception{
2. //抛出一个检查异常
3. throw new Exception("方法test3中的Exception");
4. }

四、 Throwable类中的经常使用方法

getCause()：返回抛出异常的缘由。若是 cause 不存在或未知，则返回 null。

getMessage()：返回异常的消息信息。

printStackTrace()：对象的堆栈跟踪输出至错误输出流，做为字段 System.err 的值。




3、 异常处理的通常原则


一、 能处理就早处理，抛出不去还不能处理的就想法消化掉或者转换为RuntimeException处理。

由于对于一个应用系统来讲，抛出大量异常是有问题的，应该从程序开发角度尽量的控制异常发生的可能。

二、 对于检查异常，若是不能行之有效的处理，还不如转换为RuntimeException抛出。

这样也让上层的代码有选择的余地――可处理也可不处理。

三、 对于一个应用系统来讲，应该有本身的一套异常处理框架，这样当异常发生时，也能获得统一的处理风格，

将优雅的异常信息反馈给用户。


4、 异常的转译与异常链


一、异常转译的原理



所谓的异常转译就是将一种异常转换另外一种新的异常，也许这种新的异常更能准确表达程序发生异常。

在Java中有个概念就是异常缘由，异常缘由致使当前抛出异常的那个异常对象，

几乎全部带异常缘由的异常构造方法都使用Throwable类型作参数，这也就为异常的转译提供了直接的支持，

由于任何形式的异常和错误都是Throwable的子类。好比将SQLException转换为另一个新的异常DAOException，

能够这么写：


先自定义一个异常DAOException：

Java代码

1. public class DAOException extends RuntimeException {
2. /(省略了部分代码)
3. public DAOException(String message, Throwable cause) {
4. super(message, cause);
5. }

[java]   view plain copy print ?

1. public class DAOException extends RuntimeException {
2. /(省略了部分代码)
3. public DAOException(String message, Throwable cause) {
4. super(message, cause);
5. }

好比有一个SQLException类型的异常对象e，要转换为DAOException，能够这么写：

Java代码

1. DAOException daoEx = new DAOException ( "SQL异常", e);

[java]   view plain copy print ?

1. DAOException daoEx = new DAOException ( "SQL异常", e);

异常转译是针对全部继承Throwable超类的类而言的，从编程的语法角度讲，其子类之间均可以相互转换。

可是，从合理性和系统设计角度考虑，可将异常分为三类：Error、Exception、RuntimeException，笔者认为，

合理的转译关系图应该如图 2：





图 2 异常转译


为何要这么作呢？笔者认为，异常的处理存在着一套哲学思想：对于一个应用系统来讲，

系统所发生的任何异常或者错误对操做用户来讲都是系统"运行时"异常，都是这个应用系统内部的异常。

这也是异常转译和应用系统异常框架设计的指导原则。在系统中大量处理非检查异常的负面影响不少，

最重要的一个方面就是代码可读性下降，程序编写复杂，异常处理的代码也很苍白无力。

所以，颇有必要将这些检查异常Exception和错误Error转换为RuntimeException异常，

让程序员根据状况来决定是否捕获和处理所发生的异常。



图中的三条线标识转换的方向，分三种状况：


①：Error到Exception：将错误转换为异常，并继续抛出。例如Spring WEB框架中，

将org.springframework.web.servlet.DispatcherServlet的doDispatch()方法中，

将捕获的错误转译为一个NestedServletException异常。这样作的目的是为了最大限度挽回因错误发生带来的负面影响。

由于一个Error经常是很严重的错误，可能会引发系统挂起。


②：Exception到RuntimeException：将检查异常转换为RuntimeException可让程序代码变得更优雅，

让开发人员集中经理设计更合理的程序代码，反过来也增长了系统发生异常的可能性。


③：Error到RuntimeException：目的仍是同样的。把全部的异常和错误转译为不检查异常，

这样可让代码更为简洁，还有利于对错误和异常信息的统一处理。



一、 异常链


异常链顾名思义就是将异常发生的缘由一个传一个串起来，即把底层的异常信息传给上层，这样逐层抛出。

Java API文档中给出了一个简单的模型：

Java代码

1. try {
2. lowLevelOp();
3. } catch (LowLevelException le) {
4. throw (HighLevelException)
5. new HighLevelException().initCause(le);
6. }

[java]   view plain copy print ?

1. try {
2. lowLevelOp();
3. } catch (LowLevelException le) {
4. throw (HighLevelException)
5. new HighLevelException().initCause(le);
6. }

当程序捕获到了一个底层异常le，在处理部分选择了继续抛出一个更高级别的新异常给此方法的调用者。

这样异常的缘由就会逐层传递。这样，位于高层的异常递归调用getCause()方法，就能够遍历各层的异常缘由。

这就是Java异常链的原理。异常链的实际应用不多，发生异常时候逐层上抛不是个好注意，

上层拿到这些异常又能奈之何？并且异常逐层上抛会消耗大量资源，

由于要保存一个完整的异常链信息.



5、 设计一个高效合理的异常处理框架


对于一个应用系统来讲，发生全部异常在用户看来都是应用系统内部的异常。所以应该设计一套应用系统的异常框架，

以处理系统运行过程当中的全部异常。


基于这种观点，能够设计一个应用系统的异常好比叫作AppException。而且对用户来讲，

这些异常都是运行应用系统运行时发生的，所以AppException应该继承RuntimeException，

这样系统中全部的其余异常都转译为AppException，当异常发生的时候，前端接收到AppExcetpion并作统一的处理。


画出异常处理框架如图 3 ：






图 3 一个应用系统的异常处理框架


在这个设计图中，AppRuntimeException是系统异常的基类，对外只抛出这个异常，

这个异常能够由前端（客户端）接收处理，当异常发生时，客户端的相关组件捕获并处理这些异常，

将"友好"的信息展现给客户。


在AppRuntimeException下层，有各类各样的异常和错误，最终都转译为AppRuntimeException，

AppRuntimeException下面还能够设计一些别的子类异常，好比AppDAOException、OtherException等，

这些都根据实际须要灵活处理。

在往下就是如何将捕获的原始异常好比SQLException、HibernateException转换为更高级一点AppDAOException。



有关异常框架设计这方面公认比较好的就是Spring，Spring中的全部异常均可以用org.springframework.core.NestedRuntimeException来表示，而且该基类继承的是RuntimeException。

Spring框架很庞大，所以设计了不少NestedRuntimeException的子类，还有异常转换的工具，

这些都是很是优秀的设计思想。



6、 Java异常处理总结


回顾全文，总结一下Java异常处理的要点：

一、 异常是程序运行过程过程出现的错误，在Java中用类来描述，用对象来表示具体的异常。

Java将其区分为Error与Exception，Error是程序无力处理的错误，Exception是程序能够处理的错误。

异常处理是为了程序的健壮性。

二、 Java异常类来自于Java API定义和用户扩展。经过继承Java API异常类能够实现异常的转译。

三、 异常能处理就处理，不能处理就抛出，最终没有处理的异常JVM会进行处理。

四、 异常能够传播，也能够相互转译，但应该根据须要选择合理的异常转译的方向。

五、 对于一个应用系统，设计一套良好的异常处理体系很重要。这一点在系统设计的时候就应该考虑到。