Visual C++中的异常处理浅析
作者：宋宝华 e-mail:21cnbao@21cn.com
Visual C++提供了对C语言、C++语言及MFC的支持，因而其涉及到的异常（exception）处理也包含了这三种类型，即C语言、C++语言和MFC的异常处理。除此之外，微软对C和C++的异常处理进行了扩展，提出了结构化异常处理（SEH）的概念，它支持C和C++（与之相比，MFC异常处理仅支持C++）。
一个典型的异常处理包含如下几个步骤：
（1）程序执行时发生错误；
（2）以一个异常对象（最简单的是一个整数）记录错误的原因及相关信息；
（3）程序检测到这个错误（读取异常对象）；
（4）程序决定如何处理错误；
（5）进行错误处理，并在此后恢复/终止程序的执行。
C、C++、MFC及SEH在这几个步骤中表现出了不同的特点。本文将对这四种异常处理进行介绍，并对它们进行对比分析。本文例程的调试平台为Visual C++6.0，操作系统为Windows XP，所有程序均调试通过。
在进入正式的讲解之前，先说几句废话。许多的编程新手对异常处理视而不见，程序里很少考虑异常情况。一部分人甚至根本就不考虑，以为程序总是能以正确的途径运行。譬如我们有的程序设计者调用fopen打开一个文件后，立马就开始进行读写操作，根本就不考虑文件是否正常打开了。这种习惯一定要改掉，纵使你再不愿意！这是软件健壮性的需要！异常处理不是浪费时间！
1.C语言异常处理
1.1 异常终止
标准C库提供了abort()和exit()两个函数，它们可以强行终止程序的运行，其声明处于<stdlib.h>头文件中。这两个函数本身不能检测异常，但在C程序发生异常后经常使用这两个函数进行程序终止。下面的这个例子描述了exit()的行为：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
exit(EXIT_SUCCESS);
printf("程序不会执行到这里\n");
return 0;
}
在这个例子中，main函数一开始就执行了exit函数（此函数原型为void exit(int)），因此，程序不会输出"程序不会执行到这里"。程序中的exit(EXIT_SUCCESS)表示程序正常结束，与之对应的exit(EXIT_FAILURE)表示程序执行错误，只能强行终止。EXIT_SUCCESS、EXIT_FAILURE分别定义为0和1。
对于exit函数，我们可以利用atexit函数为exit事件“挂接”另外的函数，这种“挂接”有点类似Windows编程中的“钩子”（Hook）。譬如：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
static void atExitFunc(void)
{
printf("atexit挂接的函数\n");
}
int main(void)
{
atexit(atExitFunc);
exit(EXIT_SUCCESS);
printf("程序不会执行到这里\n");
return 0;
}
程序输出"atexit挂接的函数"后即终止。来看下面的程序，我们不调用exit函数，看看atexit挂接的函数会否执行：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
static void atExitFunc(void)
{
printf("atexit挂接的函数\n");
}
int main(void)
{
atexit(atExitFunc);
//exit(EXIT_SUCCESS);
printf("不调用exit函数\n");
return 0;
}
程序输出：
不调用exit函数
atexit挂接的函数
这说明，即便是我们不调用exit函数，当程序本身退出时，atexit挂接的函数仍然会被执行。
atexit可以被多次执行，并挂接多个函数，这些函数的执行顺序为后挂接的先执行，例如：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
static void atExitFunc1(void)
{
printf("atexit挂接的函数1\n");
}
static void atExitFunc2(void)
{
printf("atexit挂接的函数2\n");
}
static void atExitFunc3(void)
{
printf("atexit挂接的函数3\n");
}
int main(void)
{
atexit(atExitFunc1);
atexit(atExitFunc2);
atexit(atExitFunc3);
return 0;
}
输出的结果是：
atexit挂接的函数3
atexit挂接的函数2
atexit挂接的函数1
在Visual C++中，如果以abort函数（此函数不带参数，原型为void abort(void)）终止程序，则会在debug模式运行时弹出如图1所示的对话框。
图1 以abort函数终止程序
1.2 断言
assert宏在C语言程序的调试中发挥着重要的作用，它用于检测不会发生的情况，表明一旦发生了这样的情况，程序就实际上执行错误了，例如strcpy函数：
char *strcpy(char *strDest, const char *strSrc)
{
char *address = strDest;
assert((strDest != NULL) && (strSrc != NULL));
while ((*strDest++ = *strSrc++) != '\0')
;
return address;
}
其中包含断言assert( (strDest != NULL) && (strSrc != NULL) )，它的意思是源和目的字符串的地址都不能为空，一旦为空，程序实际上就执行错误了，会引发一个abort。
assert宏的定义为：
#ifdef NDEBUG
#define assert(exp) ((void)0)
#else
#ifdef __cplusplus
extern "C"
{
#endif
_CRTIMP void __cdecl _assert(void *, void *, unsigned);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#define assert(exp) (void)( (exp) || (_assert(#exp, __FILE__, __LINE__), 0) )
#endif /* NDEBUG */
如果程序不在debug模式下，assert宏实际上什么都不做；而在debug模式下，实际上是对_assert()函数的调用，此函数将输出发生错误的文件名、代码行、条件表达式。例如下列程序：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
char * myStrcpy( char *strDest, const char *strSrc )
{
char *address = strDest;
assert( (strDest != NULL) && (strSrc != NULL) );
while( (*strDest++ = *strSrc++) != '\0' );
return address;
}
int main(void)
{
myStrcpy(NULL,NULL);
return 0;
}
在此程序中，为了避免我们的strcpy与C库中的strcpy重名，将其改为myStrcpy。程序的输出如图2：
图2 assert的输出失败的断言也会弹出如图1所示的对话框，这是因为_assert()函数中也调用了abort()函数。
一定要记住的是assert本质上是一个宏，而不是一个函数，因而不能把带有副作用的表达式放入assert的“参数”中。
1.3 errno
errno在C程序中是一个全局变量，这个变量由C运行时库函数设置，用户程序需要在程序发生异常时检测之。C运行库中主要在math.h和stdio.h头文件声明的函数中使用了errno，前者用于检测数学运算的合法性，后者用于检测I/O操作中（主要是文件）的错误，例如：
#include <errno.h>
#include <math.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{
errno = 0;
if (NULL == fopen("d:\\1.txt", "rb"))
{
printf("%d", errno);
}
else
{
printf("%d", errno);
}
return 0;
}
在此程序中，如果文件打开失败（fopen返回NULL），证明发生了异常。我们读取error可以获知错误的原因，如果D盘根目录下不存在“1.txt”文件，将输出2，表示文件不存在；在文件存在并正确打开的情况下，将执行到else语句，输出0，证明errno没有被设置。
Visual C++提供了两种版本的C运行时库。—个版本供单线程应用程序调用，另一个版本供多线程应用程序调用。多线程运行时库与单线程运行时库的一个重大差别就是对于类似errno的全局变量，每个线程单独设置了一个。因此，对于多线程的程序，我们应该使用多线程C运行时库，才能获得正确的error值。
另外，在使用errno之前，我们最好将其设置为0，即执行errno = 0的赋值语句。
1.4 其它
除了上述异常处理方式外，在C语言中还支持非局部跳转（使用setjmp和longjmp）、信号（使用signal、raise）、返回错误值或回传错误值给参数等方式进行一定能力的异常处理，但是其使用不如1.1~1.3节所介绍方式常用，我们不必过细研究。
从以上分析可知，C语言的异常处理是简单而不全面的。与C++的异常处理比起来，C语言异常处理相形见绌，它就像娘胎里的雏婴。
2.C++语言异常处理
2.1 C++异常处理语法
感谢C++语言的后期改造者们，他们在标准C++语言中专门集成了异常处理的相关语法（与之不同的是，所有的C 标准库异常体系都需要运行库的支持，它不是语言内核支持的）。当然，异常处理被加到程序设计语言中，也是程序语言发展和逐步完善的必然结果。我们看到，C++不是唯一集成异常处理的语言。
C++的异常处理结构为：
try
{
//可能引发异常的代码
}
catch(type_1 e)
{
// type_1类型异常处理
}
catch(type_2 e)
{
// type_2类型异常处理
}
catch (...)//会捕获所有未被捕获的异常，必须最后出现
{
}
而异常的抛出方式为使用throw(type e)，try、catch和throw都是C++为处理异常而添加的关键字。看看这个例子：
#include <stdio.h>
//定义Point结构体（类）
typedef struct tagPoint
{
int x;
int y;
} Point;
//扔出int异常的函数
static void f(int n)
{
throw 1;
}
//扔出Point异常的函数
static void f(Point point)
{
Point p;
p.x = 0;
p.y = 0;
throw p;
}
int main()
{
Point point;
point.x = 0;
point.y = 0;
try
{
f(point); //抛出Point异常
//f(1); //抛出int异常
}
catch (int e)
{
printf("捕获到int异常：%d\n", e);
}
catch (Point e)
{
printf("捕获到Point异常:(%d,%d)\n", e.x, e.y);
}
return 0;
}
函数f定义了两个版本：f(int)和f(Point)，分别抛出int和Point异常。当main函数的try{…}中调用f(point)时和f(1)时，分别输出：
捕获到Point异常:(0,0)
和
捕获到int异常：1
在C++中，throw抛出异常的特点有：
（1）可以抛出基本数据类型异常，如int和char等；
（2）可以抛出复杂数据类型异常，如结构体（在C++中结构体也是类）和类；
（3）C++的异常处理必须由调用者主动检查。一旦抛出异常，而程序不捕获的话，那么abort()函数就会被调用，弹出如图1所示的对话框，程序被终止；
（4）可以在函数头后加throw([type-ID-list])给出异常规格，声明其能抛出什么类型的异常。type-ID-list是一个可选项，其中包括了一个或多个类型的名字，它们之间以逗号分隔。如果函数没有异常规格指定，则可以抛出任意类型的异常。
2.2 标准异常
下面给出了C++提供的一些标准异常：
namespace std
{
//exception派生
class logic_error; //逻辑错误,在程序运行前可以检测出来
//logic_error派生
class domain_error; //违反了前置条件
class invalid_argument; //指出函数的一个无效参数
class length_error; //指出有一个超过类型size_t的最大可表现值长度的对象的企图
class out_of_range; //参数越界
class bad_cast; //在运行时类型识别中有一个无效的dynamic_cast表达式
class bad_typeid; //报告在表达试typeid(*p)中有一个空指针p
//exception派生
class runtime_error; //运行时错误,仅在程序运行中检测到
//runtime_error派生
class range_error; //违反后置条件
class overflow_error; //报告一个算术溢出
class bad_alloc; //存储分配错误
}
请注意观察上述类的层次结构，可以看出，标准异常都派生自一个公共的基类exception。基类包含必要的多态性函数提供异常描述，可以被重载。下面是exception类的原型：
class exception
{
public:
exception() throw();
exception(const exception& rhs) throw();
exception& operator=(const exception& rhs) throw();
virtual ~exception() throw();
virtual const char *what() const throw();
};
其中的一个重要函数为what()，它返回一个表示异常的字符串指针。下面我们从exception类派生一个自己的类：
#include <iostream>
#include <exception>
using namespace std;
class myexception:public exception
{
public:
myexception():exception("一个重载exception的例子")
{
}
};
int main()
{
try
{
throw myexception();
}
catch (exception &r) //捕获异常
{
cout << "捕获到异常：" << r.what() << endl;
}
return 0;
}
程序运行，输出：
捕获到异常：一个重载exception的例子
一般的，我们直接以基类捕获异常，例如，本例中使用了
catch (exception &r)
然后根据基类的多态性进行处理，这是因为基类中的what函数是虚函数。
2.3异常处理函数
在标准C++中，还定义了数个异常处理的相关函数和类型（包含在头文件<exception>中）：
namespace std
{
//EH类型
class bad_exception;
class exception;
typedef void (*terminate_handler)();
typedef void (*unexpected_handler)();
// 函数
terminate_handler set_terminate(terminate_handler) throw();
unexpected_handler set_unexpected(unexpected_handler) throw();
void terminate();
void unexpected();
bool uncaught_exception();
}
其中的terminate相关函数与未被捕获的异常有关，如果一种异常没有被指定catch模块，则将导致terminate()函数被调用，terminate()函数中会调用ahort()函数来终止程序。可以通过set_terminate(terminate_handler)函数为terminate()专门指定要调用的函数，例如：
#include <cstdio>
#include <exception>
using namespace std;
//定义Point结构体（类）
typedef struct tagPoint
{
int x;
int y;
} Point;
//扔出Point异常的函数
static void f()
{
Point p;
p.x = 0;
p.y = 0;
throw p;
}
//set_terminate将指定的函数
void terminateFunc()
{
printf("set_terminate指定的函数\n");
}
int main()
{
set_terminate(terminateFunc);
try
{
f(); //抛出Point异常
}
catch (int) //捕获int异常
{
printf("捕获到int异常");
}