《Java 程序设计》第 12 章

大家好！今天我们来学习《Java 程序设计》中的第 12 章 —— 异常处理。在编程过程中，错误和异常是不可避免的。一个健壮的程序必须能够妥善处理各种异常情况。本章将详细介绍 Java 中的异常处理机制，帮助大家编写出更稳定、更可靠的 Java 程序。

思维导图

12.1 异常与异常类

12.1.1 异常的概念

在 Java 中，异常（Exception） 是指程序在运行过程中发生的非正常事件，它会中断程序的正常执行流程。

想象一下现实生活中的场景：当你开车去上班时，可能会遇到轮胎漏气、发动机故障等意外情况，这些情况会阻止你按计划到达公司。在程序中也是如此，比如：

试图打开一个不存在的文件
网络连接中断
除以零的运算
数组下标越界

这些情况都可以称为异常。Java 的异常处理机制提供了一种优雅的方式来处理这些意外情况，使程序能够继续运行或友好地终止。

12.1.2 异常类

Java 中的所有异常都是通过类来表示的，这些类统称为异常类。Java 提供了一个完善的异常类体系，所有异常类都直接或间接继承自Throwable类。

Throwable类有两个重要的子类：

Error：表示严重的错误，通常是虚拟机相关的问题，如内存溢出（OutOfMemoryError），程序一般无法处理这类错误。
Exception：表示程序可以处理的异常，是我们在编程中主要关注的类。

Exception类又可以分为：

Checked Exception（受检异常）：在编译时就需要处理的异常，如果不处理，编译器会报错。如IOException、SQLException等。
Unchecked Exception（非受检异常）：也称为运行时异常（RuntimeException），在编译时不需要强制处理，通常是由程序逻辑错误引起的。如NullPointerException、ArrayIndexOutOfBoundsException等。

下面是异常类的继承关系图：

@startuml
title Java异常类体系
Throwable <|-- Error
Throwable <|-- Exception
Exception <|-- RuntimeException
Exception <|-- IOException
Exception <|-- SQLException
RuntimeException <|-- NullPointerException
RuntimeException <|-- ArrayIndexOutOfBoundsException
RuntimeException <|-- ArithmeticException
@enduml

12.2 异常处理

Java 提供了一套完整的异常处理机制，主要通过try、catch、finally、throw和throws关键字来实现。

12.2.1 异常的抛出与捕获

异常处理的核心思想是抛出异常和捕获异常：

抛出异常：当程序执行过程中遇到异常情况时，会创建一个异常对象并将其抛出。
捕获异常：异常被抛出后，程序可以捕获这个异常并进行处理，而不是让程序直接崩溃。

形象地说，这就像生活中 "上报问题" 和 "解决问题" 的过程：员工遇到无法解决的问题（抛出异常），上报给经理（捕获异常），经理来处理这个问题。

12.2.2 try-catch-finally 语句

try-catch-finally是 Java 中处理异常的基本结构，语法如下：

try {// 可能会发生异常的代码
} catch (异常类型1 异常对象名) {// 处理异常类型1的代码
} catch (异常类型2 异常对象名) {// 处理异常类型2的代码
} finally {// 无论是否发生异常，都会执行的代码
}

try 块：包含可能会抛出异常的代码。
catch 块：用于捕获并处理 try 块中抛出的异常。可以有多个 catch 块，分别处理不同类型的异常。
finally 块：无论是否发生异常，都会执行的代码，通常用于释放资源。

执行流程示意图：

示例代码：

public class TryCatchFinallyDemo {public static void main(String[] args) {int a = 10;int b = 0;int[] arr = {1, 2, 3};try {// 可能发生异常的代码int result = a / b;  // 会抛出ArithmeticExceptionSystem.out.println("数组的第4个元素是：" + arr[3]);  // 会抛出ArrayIndexOutOfBoundsExceptionSystem.out.println("计算结果：" + result);} catch (ArithmeticException e) {// 处理算术异常System.out.println("发生算术异常：" + e.getMessage());e.printStackTrace();  // 打印异常堆栈信息} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {// 处理数组下标越界异常System.out.println("发生数组下标越界异常：" + e.getMessage());} finally {// 无论是否发生异常，都会执行System.out.println("finally块执行了，通常用于释放资源");}System.out.println("程序继续执行...");}
}

运行上述代码，输出结果：

12.2.3 用 catch 捕获多个异常

Java 7 及以上版本允许在一个catch块中捕获多种类型的异常，使用|分隔不同的异常类型。

示例代码：

import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;public class MultiCatchDemo {public static void main(String[] args) {try {// 模拟可能抛出不同异常的操作int choice = Integer.parseInt(args[0]);if (choice == 1) {throw new FileNotFoundException("文件未找到");} else if (choice == 2) {throw new IOException("I/O操作失败");} else if (choice == 3) {throw new ArithmeticException("算术错误");}} catch (FileNotFoundException e) {// 先捕获子类异常System.out.println("处理文件未找到异常：" + e.getMessage());} catch (IOException e) {// 再捕获父类异常System.out.println("处理其他I/O异常：" + e.getMessage());} catch (ArithmeticException e) {// 捕获ArithmeticExceptionSystem.out.println("处理算术异常：" + e.getMessage());} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {// 捕获数组下标越界异常（当没有传入命令行参数时）System.out.println("请传入一个整数参数（1-3）");}System.out.println("程序结束");}
}

说明：

当一个catch块捕获多种异常类型时，这些异常类型不能有继承关系。
这种写法比多个catch块更简洁，尤其是当多种异常的处理逻辑相同时。
可以通过命令行参数来测试不同的异常情况：
- java MultiCatchDemo 1：测试 FileNotFoundException
- java MultiCatchDemo 2：测试 IOException
- java MultiCatchDemo 3：测试 ArithmeticException
- java MultiCatchDemo：测试 ArrayIndexOutOfBoundsException

12.2.4 声明方法抛出异常

如果一个方法可能会抛出异常，但不想在方法内部处理，而是让调用者来处理，可以使用throws关键字在方法声明处声明该方法可能抛出的异常。

语法：

修饰符 返回值类型 方法名(参数列表) throws 异常类型1, 异常类型2, ... {// 方法体
}

示例代码：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;public class ThrowsDemo {// 声明方法可能抛出FileNotFoundException和IOExceptionpublic static void readFile(String fileName) throws FileNotFoundException, IOException {FileInputStream fis = new FileInputStream(fileName);int data = fis.read();while (data != -1) {System.out.print((char) data);data = fis.read();}fis.close();}public static void main(String[] args) {try {// 调用声明了抛出异常的方法，必须处理这些异常readFile("test.txt");} catch (FileNotFoundException e) {System.out.println("文件未找到：" + e.getMessage());} catch (IOException e) {System.out.println("文件读取错误：" + e.getMessage());}System.out.println("\n程序执行完毕");}
}

说明：

对于 checked exception，如果方法不处理，就必须在方法声明中用throws声明。
对于 unchecked exception（RuntimeException 及其子类），可以不用throws声明，编译器不会强制要求。
调用声明了异常的方法时，要么用try-catch处理这些异常，要么在当前方法中也用throws声明继续向上抛出。

12.2.5 用 throw 语句抛出异常

throw语句用于手动抛出一个具体的异常对象。通常在满足特定条件时，我们认为这是一个异常情况，就可以手动抛出异常。

语法：

throw 异常对象;

示例代码：

public class ThrowDemo {// 计算年龄的方法，如果年龄不合法则抛出异常public static void printAge(int birthYear) {int currentYear = 2023;int age = currentYear - birthYear;if (birthYear < 1900 || birthYear > currentYear) {// 手动抛出异常throw new IllegalArgumentException("出生年份不合法：" + birthYear);}System.out.println("今年" + age + "岁");}public static void main(String[] args) {try {printAge(2000);  // 合法的出生年份printAge(2050);  // 不合法的出生年份，会抛出异常printAge(1850);  // 这行代码不会执行} catch (IllegalArgumentException e) {System.out.println("捕获到异常：" + e.getMessage());}System.out.println("程序继续执行");}
}

运行结果：

throw与throws的区别：

throw用于方法内部，抛出的是一个具体的异常对象。
throws用于方法声明处，声明的是方法可能抛出的异常类型，可以是多个。

12.2.6 try-with-resources 语句

Java 7 引入了try-with-resources语句，用于自动管理资源（如文件流、数据库连接等）。它确保在资源使用完毕后自动关闭资源，无需在finally块中手动关闭。

要使用try-with-resources，资源类必须实现AutoCloseable接口（或其子类Closeable接口）。

语法：

try (资源声明) {// 使用资源的代码
} catch (异常类型 异常对象名) {// 处理异常的代码
}

示例代码：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;public class TryWithResourcesDemo {public static void main(String[] args) {// try-with-resources语句，资源会自动关闭try (FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt")) {int data = fis.read();while (data != -1) {System.out.print((char) data);data = fis.read();}} catch (FileNotFoundException e) {System.out.println("文件未找到：" + e.getMessage());} catch (IOException e) {System.out.println("文件读取错误：" + e.getMessage());}System.out.println("\n程序执行完毕");}
}

传统方式与 try-with-resources 对比：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;// 传统方式需要在finally中手动关闭资源
public class TraditionalResourceHandling {public static void main(String[] args) {FileInputStream fis = null;try {fis = new FileInputStream("test.txt");// 使用资源，这里添加一些实际的读取操作示例int data = fis.read();while (data != -1) {System.out.print((char) data);data = fis.read();}} catch (FileNotFoundException e) {e.printStackTrace();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {if (fis != null) {try {fis.close();  // 关闭资源可能也会抛出异常} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}}
}

说明：

try-with-resources语句可以声明多个资源，用分号分隔。
资源的关闭顺序与声明顺序相反。
try-with-resources语句也可以有catch和finally块，用于处理异常或执行必要的清理工作。

12.3 自定义异常类

Java 提供的异常类可能无法满足所有业务需求，这时我们可以自定义异常类。自定义异常类通常继承自Exception（checked exception）或RuntimeException（unchecked exception）。

自定义异常类的步骤：

创建一个类，继承Exception或RuntimeException。
提供构造方法，通常至少提供两个构造方法：一个无参构造方法，一个带有详细信息的构造方法。

示例代码：

// 自定义异常类：用户年龄不合法异常
class InvalidAgeException extends Exception {// 无参构造方法public InvalidAgeException() {super();}// 带有详细信息的构造方法public InvalidAgeException(String message) {super(message);}
}// 自定义异常类：用户姓名为空异常（继承自RuntimeException）
class EmptyNameException extends RuntimeException {public EmptyNameException() {super();}public EmptyNameException(String message) {super(message);}
}// 使用自定义异常的示例
public class CustomExceptionDemo {// 注册用户的方法public static void registerUser(String name, int age) throws InvalidAgeException {if (name == null || name.trim().isEmpty()) {// 抛出unchecked异常，不需要在方法声明中throwsthrow new EmptyNameException("用户名不能为空");}if (age < 0 || age > 150) {// 抛出checked异常，需要在方法声明中throwsthrow new InvalidAgeException("年龄不合法：" + age + "，年龄必须在0-150之间");}System.out.println("用户注册成功：" + name + "，" + age + "岁");}public static void main(String[] args) {try {registerUser("张三", 25);    // 正常情况registerUser("", 30);       // 姓名为空，会抛出EmptyNameExceptionregisterUser("李四", 200);   // 年龄不合法，会抛出InvalidAgeException} catch (InvalidAgeException e) {System.out.println("注册失败：" + e.getMessage());} catch (EmptyNameException e) {System.out.println("注册失败：" + e.getMessage());}System.out.println("程序结束");}
}

运行结果：

何时需要自定义异常：

当 Java 内置异常不能准确描述业务中的异常情况时。
希望通过异常类型来区分不同的错误场景，便于异常处理。
需要在异常中包含特定的业务信息时。

12.4 断言

断言（Assertion）是 Java 1.4 引入的特性，用于在程序开发和测试阶段检查某些条件是否满足。如果断言失败，会抛出AssertionError。

12.4.1 使用断言

断言的语法有两种形式：

简单形式

assert 布尔表达式;

如果布尔表达式的值为false，则抛出AssertionError。

2.带消息的形式：

assert 布尔表达式 : 消息表达式;

如果布尔表达式的值为false，则抛出AssertionError，并将消息表达式的值作为错误消息。

12.4.2 开启和关闭断言

默认情况下，Java 虚拟机（JVM）是关闭断言功能的。要开启断言，需要使用-ea（或-enableassertions）参数。

开启断言的方式：

对所有类开启断言：java -ea 类名
对特定包开启断言：java -ea:包名... 类名
对特定类开启断言：java -ea:类名类名

关闭断言的方式：

使用-da（或-disableassertions）参数，用法与-ea类似。

在 IDE（如 Eclipse、IntelliJ IDEA）中，可以在运行配置中设置 VM 参数来开启或关闭断言。

12.4.3 何时使用断言

断言主要用于：

检查程序内部的 invariants（不变量），即那些在程序正常执行时必须为真的条件。
检查方法的前置条件和后置条件。
检查私有方法的参数有效性（对于公共方法，应使用异常来处理无效参数）。

注意：

断言不应该用于检查程序运行时可能出现的预期错误，如用户输入错误。
断言可能会被关闭，因此不能依赖断言来处理程序的关键功能。
不要在断言表达式中包含有副作用的操作（如修改变量值），因为当断言关闭时，这些操作不会执行。

12.4.4 断言示例

public class AssertionDemo {// 计算三角形面积的方法（海伦公式）public static double calculateTriangleArea(double a, double b, double c) {// 检查前置条件：三角形的三条边必须为正数assert a > 0 && b > 0 && c > 0 : "三角形的边长必须为正数";// 检查前置条件：三角形任意两边之和大于第三边assert a + b > c && a + c > b && b + c > a : "不满足三角形两边之和大于第三边";double s = (a + b + c) / 2;double area = Math.sqrt(s * (s - a) * (s - b) * (s - c));// 检查后置条件：面积必须为正数assert area > 0 : "计算出的面积必须为正数";return area;}public static void main(String[] args) {try {double area1 = calculateTriangleArea(3, 4, 5);System.out.println("直角三角形的面积：" + area1);// 测试无效的三角形（两边之和不大于第三边）double area2 = calculateTriangleArea(1, 1, 3);System.out.println("面积：" + area2);} catch (AssertionError e) {System.out.println("断言失败：" + e.getMessage());}}
}

运行说明：

当关闭断言运行时（默认情况），程序不会检查断言条件，可能会计算出不合理的结果。
当开启断言运行时（java -ea AssertionDemo），第二个计算会触发断言失败，输出：

直角三角形的面积：6.0
断言失败：不满足三角形两边之和大于第三边

12.5 小结

本章我们学习了 Java 中的异常处理机制，主要内容包括：

异常的概念：异常是程序运行时发生的非正常事件，会中断程序的正常执行。
异常类体系：所有异常类都继承自Throwable，主要分为Error和Exception两大类。Exception又分为 checked exception 和 unchecked exception。
异常处理机制：
- 使用try-catch-finally语句捕获和处理异常。
- 使用throws声明方法可能抛出的异常。
- 使用throw手动抛出异常。
- 使用try-with-resources自动管理资源。
自定义异常：当 Java 内置异常不能满足需求时，可以自定义异常类。
断言：用于开发和测试阶段检查某些条件是否满足，默认是关闭的。

掌握异常处理是编写健壮 Java 程序的关键。合理地使用异常处理机制，可以使程序在遇到错误时能够优雅地处理，而不是直接崩溃，同时也便于调试和维护。

编程练习

练习 1：除法计算器
编写一个程序，实现两个整数的除法运算。要求：
- 处理除数为 0 的情况（ArithmeticException）。
- 处理输入非整数的情况（InputMismatchException）。
- 使用 try-catch-finally 结构，确保程序在任何情况下都能友好地提示用户。

练习 1 参考答案：

import java.util.InputMismatchException;
import java.util.Scanner;public class DivisionCalculator {public static void main(String[] args) {Scanner scanner = null;try {scanner = new Scanner(System.in);System.out.print("请输入被除数：");int dividend = scanner.nextInt();System.out.print("请输入除数：");int divisor = scanner.nextInt();int result = dividend / divisor;System.out.println(dividend + " / " + divisor + " = " + result);} catch (ArithmeticException e) {System.out.println("错误：除数不能为0");} catch (InputMismatchException e) {System.out.println("错误：请输入有效的整数");} finally {if (scanner != null) {scanner.close();System.out.println("资源已释放");}}System.out.println("程序结束");}
}