Java異常處理中的各種細節(jié)匯總

更新時間：2019年01月11日 10:42:16 作者：承香墨影

這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于Java異常處理中的各種細節(jié)的相關(guān)資料，文中通過示例代碼介紹的非常詳細，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，需要的朋友們下面來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

前言

今天我們來討論一下，程序中的錯誤處理。

在任何一個穩(wěn)定的程序中，都會有大量的代碼在處理錯誤，有一些業(yè)務(wù)錯誤，我們可以通過主動檢查判斷來規(guī)避，可對于一些不能主動判斷的錯誤，例如 RuntimeException，我們就需要使用 try-catch-finally 語句了。

有人說，錯誤處理并不難啊，try-catch-finally 一把梭，try 放功能代碼，在 catch 中捕獲異常、處理異常，finally 中寫那些無論是否發(fā)生異常，都要執(zhí)行的代碼，這很簡單啊。

處理錯誤的代碼，確實并不難寫，可是想把錯誤處理寫好，也并不是一件容易的事情。

接下來我們就從實現(xiàn)到 JVM 原理，講清楚 Java 的異常處理。

學(xué)東西，我還是推薦要帶著問題去探索，提前思考幾個問題吧：

一個方法，異常捕獲塊中，不同的地方的 return 語句，誰會生效？
catch 和 finally 中出現(xiàn)異常，會如何處理？
try-catch 是否影響效率？
Java 異常捕獲的原理？

二、Java 異常處理

2.1 概述

既然是異常處理，肯定是區(qū)分異常發(fā)生和捕獲、處理異常，這也正是組成異常處理的兩大要素。

在 Java 中，拋出的異?？梢苑譃轱@示異常和隱式異常，這種區(qū)分主要來自拋出異常的主體是什么，顯示和隱式也是站在應(yīng)用程序的視角來區(qū)分的。

顯示異常的主體是當前我們的應(yīng)用程序，它指的是在應(yīng)用程序中使用 “throw” 關(guān)鍵字，主動將異常實例拋出。而隱式異常就不受我們控制，它觸發(fā)的主體是 Java 虛擬機，指的是 Java 虛擬機在執(zhí)行過程中，遇到了無法繼續(xù)執(zhí)行的異常狀態(tài)，續(xù)而將異常拋出。

對于隱式異常，在觸發(fā)時，需要顯示捕獲（try-catch），或者在方法頭上，用 "throw" 關(guān)鍵字聲明，交由調(diào)用者捕獲處理。

2.2 使用異常捕獲

在我們編寫異常處理代碼的時候，主要就是使用前面介紹到的 try-catch-finally 這三種代碼塊。

try 代碼塊：包含待監(jiān)控異常的代碼。
catch 代碼塊：緊跟 try 塊之后，可以指定異常類型。允許指定捕獲多種不同的異常，catch 塊用來捕獲在 try 塊中出發(fā)的某個指定類型的異常。
finally 代碼塊：緊跟 try 塊或 catch 塊之后，用來聲明一段必定會運行的代碼。例如用來清理一些資源。

catch 允許存在多個，用于針對不同的異常做不同的處理。如果使用 catch 捕獲多種異常，各個 catch 塊是互斥的，和 switch 語句類似，優(yōu)先級是從上到下，只能選擇其一去處理異常。

既然 try-catch-finally 存在多種情況，并且在發(fā)生異常和不發(fā)生異常時，表現(xiàn)是不一致的，我們就分清楚來單獨分析。

1. try塊中，未發(fā)生異常

不觸發(fā)異常，當然是我們樂于看見的。在這種情況下，如果有 finally 塊，它會在 try 塊之后運行，catch 塊永遠也不會被運行。

2. try塊中，發(fā)生異常

在發(fā)生異常時，會首先檢查異常類型，是否存在于我們的 catch 塊中指定的待捕獲異常。如果存在，則這個異常被捕獲，對應(yīng)的 catch 塊代碼則開始運行，finally 塊代碼緊隨其后。

例如：我們只監(jiān)聽了空指針（NullPointerException），此時如果發(fā)生了除數(shù)為 0 的崩潰（ArithmeticException），則是不會被處理的。

當觸發(fā)了我們未捕獲的異常時，finally 代碼依然會被執(zhí)行，在執(zhí)行完畢后，繼續(xù)將異常“拋出去”。

3. catch 或者 finally 發(fā)生異常

catch 代碼塊和 finally 代碼塊，也是我們編寫的，理論上也是有出錯的可能。

那么這兩段代碼發(fā)生異常，會出現(xiàn)什么情況呢？

當在 catch 代碼塊中發(fā)生異常時，此時的表現(xiàn)取決于 finally 代碼塊中是否存在 return 語句。如果存在，則 finally 代碼塊的代碼執(zhí)行完畢直接返回，否則會在 finally 代碼塊執(zhí)行完畢后，將 catch 代碼中新產(chǎn)生的異常，向外拋出去。

而在極端情況下，finally 代碼塊發(fā)生了異常，則此時會中斷 finally 代碼塊的執(zhí)行，直接將異常向外拋出。

2.3 異常捕獲的返回值

再回頭看看第一個問題，假如我們寫了一個方法，其中的代碼被 try-catch-finally 包裹住進行異常處理，此時如果我們在多個地方都有 return 語句，最終誰的會被執(zhí)行？

如上圖所示，在完整的 try-catch-finally 語句中，finally 都是最后執(zhí)行的，假設(shè) finally 代碼塊中存在 return 語句，則直接返回，它是優(yōu)先級最高的。

一般我們不建議在 finally 代碼塊中添加 return 語句，因為這會破壞并阻止異常的拋出，導(dǎo)致不宜排查的崩潰。

2.4 異常的類型

在 Java 中，所有的異常，其實都是一個個異常類，它們都是 Throwable 類或其子類的實例。

Throwable 有兩大子類，Exception 和 Error。

Exception：表示程序可能需要捕獲并且處理的異常。
Error：表示當觸發(fā) Error 時，它的執(zhí)行狀態(tài)已經(jīng)無法恢復(fù)了，需要中止線程甚至是中止虛擬機。這是不應(yīng)該被我們應(yīng)用程序所捕獲的異常。

通常，我們只需要捕獲 Exception 就可以了。但 Exception 中，有一個特殊的子類 RuntimeException，即運行時錯誤，它是在程序運行時，動態(tài)出現(xiàn)的一些異常。比較常見的就是 NullPointerException、ArrayIndexOutOfBoundsException 等。
Error 和 RuntimeException 都屬于非檢查異常（Unchecked Exception），與之相對的就是普通 Exception 這種屬于檢查異常（Checked Exception）。

所有檢查異常都需要在程序中，用代碼顯式捕獲，或者在方法中用 throw 關(guān)鍵字顯式標注。其實意思很明顯，要不你自己處理了，要不你拋出去讓別人處理。

這種檢查異常的機制，是在編譯期間進行檢查的，所以如果不按此規(guī)范處理，在編譯器編譯代碼時，就會拋出異常。

2.5 異常處理的性能問題

對于異常處理的性能問題，其實是一個很有爭議的問題，有人覺得異常處理是多做了一些工作，肯定對性能是有影響的。但是也有人覺得異常處理的影響，和增加一個 if-else 屬于同種量級，對性能的影響其實微乎其微，是在可以接受的范圍內(nèi)的。

既然有爭議，最簡單的辦法是寫個 Demo 驗證一下。當然，我們這里是需要區(qū)分不同的情況，然后根據(jù)解決對比的。
一個最簡單的 for 循環(huán) 100w 次，在其中做一個 a++ 的自增操作。

A：無任何 try-catch 語句。
B：將 a++ 包在 try 代碼塊中。
C：在 try 代碼塊中，觸發(fā)一個異常。

就是一個簡單的 for 循環(huán)，就不貼代碼了，異常通過 5/0 這樣的運算，觸發(fā)除數(shù)為 0 的 ArithmeticException 異常，并在 JDK 1.8 的環(huán)境下運行。

為了避免影響采樣結(jié)果，每個例子都單獨運行 10 遍之后，取平均值（單位納秒）。

到這里基本上就可以得出結(jié)論了，在沒有發(fā)生異常的情況下，try-catch 對性能的影響微乎其微。但是一旦發(fā)生異常，性能上則是災(zāi)難性的。

因此，我們應(yīng)該盡可能的避免通過異常來處理正常的邏輯檢查，這樣可以確保不會因為發(fā)生異常而導(dǎo)致性能問題。

至于為什么發(fā)生異常時，性能差別會有如此之大，就需要從 Java 虛擬機 JVM 的角度來分析了，后面會詳細分析。

2.6 異常處理無法覆蓋異步回調(diào)

try-catch-finally 確實很好用，但是它并不能捕獲，異步回調(diào)中的異常。try 語句里的方法，如果允許在另外一個線程中，其中拋出的異常，是無法在調(diào)用者這個線程中捕獲的。

這一點在使用的過程中，需要特別注意。

三、JVM 如何處理異常

3.1 JVM 異常處理概述

接下來我們從 JVM 的角度，分析 JVM 如何處理異常。

當異常發(fā)生時，異常實例的構(gòu)建，是非常消耗性能的。這是由于在構(gòu)造異常實例時，Java 虛擬機需要生成該異常的異常棧（stack trace）。

異常棧會逐一訪問當前線程的 Java 棧幀，以及各種調(diào)試信息。包括棧幀所指向的方法名，方法所在的類名、文件名以及在代碼中是第幾行觸發(fā)的異常。

這些異常輸出到 Log 中，就是我們熟悉的崩潰日志（崩潰棧）。

3.2 崩潰實例分析異常處理

當把 Java 代碼編譯成字節(jié)碼后，每個方法都會附帶一個異常表，其中記錄了當前方法的異常處理。

下面直接舉個例子，寫一個最簡單的 try-catch 類。

使用 javap -c 進行反編譯成字節(jié)碼。

可以看到，末尾的 Exceptions Table 就是異常表。異常表中的每一條記錄，都代表了一個異常處理器。

異常處理器中，標記了當前異常監(jiān)控的起始、結(jié)束代碼索引，和異常處理器的索引。其中 from 指針和 to 指針標識了該異常處理器所監(jiān)控的代碼范圍，target 指針則指向異常處理器的起始位置，type 則為最后監(jiān)聽的異常。

例如上面的例子中，main 函數(shù)中存在異常表，Exception 的異常監(jiān)聽代碼范圍分別是 [0,8)（不包括 8），異常處理器的索引為 11。

繼續(xù)分析異常處理流程，還需要區(qū)分是否命中異常。

1. 命中異常

當程序發(fā)生異常時，Java 虛擬機會從上到下遍歷異常表中所有的記錄。當發(fā)現(xiàn)觸發(fā)異常的字節(jié)碼的索引值，在某個異常表中某個異常監(jiān)控的范圍內(nèi)。Java 虛擬機會判斷所拋出的異常和該條異常監(jiān)聽的異常類型，是否匹配。如果能匹配上，Java 虛擬機會將控制流轉(zhuǎn)向至該此異常處理器的 target 索引指向的字節(jié)碼，這是命中異常的情況。

2. 未命中異常

而如果遍歷完異常表中所有的異常處理器之后，仍未匹配到異常處理器，那么它會彈出當前方法對應(yīng)的 Java 棧幀?；氐剿恼{(diào)用者，在其中重復(fù)此過程。

最壞的情況下，Java 虛擬機需要遍歷當前線程 Java 棧上所有方法的異常表。

3.3 編譯后的 finally 代碼塊

我們寫的代碼，其實終歸是給人讀的，但是編譯器干的事兒，都不是人事兒。它會把代碼做一些特殊的處理，只是為了讓自己更好解析和執(zhí)行。

編譯器對 finally 代碼塊，就是這樣處理的。在當前版本的 Java 編譯器中，會將 finally 代碼塊的內(nèi)容，復(fù)制幾份，分別放在所有可能執(zhí)行的代碼路徑的出口中。

寫個 Demo 驗證一下，代碼如下。

繼續(xù) javap -c 反編譯成字節(jié)碼。

這個例子中，為了更清晰的看到 finally 代碼塊，我在其中輸出的一段 Log “run finally”。可以看到，編譯結(jié)果中，包含了三份 finally 代碼塊。

其中，前兩份分別位于 try 代碼塊和 catch 代碼塊的正常執(zhí)行路徑出口。最后一份則作為全局的異常處理器，監(jiān)控 try 代碼塊以及 catch 代碼塊。它將捕獲 try 代碼塊觸發(fā)并且未命中 catch 代碼塊捕獲的異常，以及在 catch 代碼塊觸發(fā)的異常。
而 finally 的代碼，如果出現(xiàn)異常，就不是當前方法所能處理的了，會直接向外拋出。

3.4 異常表中的 any 是什么？

從上圖中可以看到，在異常表中，還存在兩個 any 的信息。