Think of Java ：12 - 异常处理
12.异常处理
Exception 和 Error 都是继承了 Throwable类，只有 Throwable 类型的实例才可以被抛出 throw 或者被捕获 catch，它是异常处理机制的基本组成类型。
12.1 异常的概念
12.1.1Error
Error 是在正常情况下，不大可能出现的情况，绝大部分Error都会导致程序处于非正常状态、不可恢复状态，不需要捕获，如 OutOfMemoryError 之类，都是 Error 的子类。
12.1.2Exception
Exception 可以分 检查型（check）异常 和 非检查型（unchecked）异常。
- 检查型异常 在源代码中需要显示的进行捕获处理，编译器强制要求程序员为这样的异常做预备处理工作（使用 try…catch…finally或者throws）。在方法中要么用try-catch语句捕获它并处理，要么用throws子句声明抛出它，否则编译不会通过，这是编译期检查的一部分，这样的异常一般是由程序的运行环境导致的。因为程序可能被运行在各种未知的环境下，而我们需要考虑到在这种情况下会发生的一些异常。如SQLException 、IOException、ClassNotFoundException 等。Error是 Throwable 但不是 Exception。
- 非检查型异常 就是所谓的运行时异常，javac在编译时，不会提示和发现这样的异常，同样也不要求在程序处理这些异常。所以如果愿意，我们可以编写代码处理（使用try…catch…finally），也可以选择不处理。例如 ClassCastException（错误的强制类型转换异常），ArrayIndexOutOfBoundsException（数组索引越界），NullPointerException（空指针异常）等等。
12.2 从JVM角度看异常处理
12.2.1 JVM是如何使用异常表处理异常的
JVM采用异常表（Exception table）的方式来对异常进行处理，存放处理异常的信息，每个exception_table表，是由start_pc、end_pc、hangder_pc、catch_type组成
- start_pc、end_pc：表示在code数组中从start_pc到end_pc（包含start_pc，不包含end_pc）的指令抛出的异常会由这个表项（hangder_pc）来处理
- hangder_pc：表示处理异常的代码的开始处。
- catch_type：表示会被处理的异常类型，它指向常量池中的一个异常类。当catch_type=0时，表示处理所有的异常。
package com.lwj.bytecode;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
public class Test3 {
public void test() {
try {
InputStream is = new FileInputStream("test.txt");
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9999);
serverSocket.accept();
} catch (FileNotFoundException e) {
int i = 0;
} catch (IOException e) {
int i = 1;
} catch (Exception e) {
int i = 2;
} finally {
System.out.println("finally");
}
}
}
对应的反编译结果：
$ javap -v -c Test3.class
Classfile /D:/Repository/Framework/JavaVirtualMachine/jvm/com/lwj/bytecode/Test3.class
Last modified 2020-3-30; size 756 bytes
MD5 checksum 5150b854f4ad80e98583822103ad4ac1
Compiled from "Test3.java"
public class com.lwj.bytecode.Test3
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
// 省略了常量池
{
// 省略构造方法
public void test();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
/*
* 对于 Java 类中的每一个实例方法（非 static 方法），其在编译后所生成的字节码中，
* 方法参数的数量总是比源代码中方法参数的数量多一个（即为 this），它位于方法的第一个参数位置处。
* 这样我们就可以在 Java 的实例方法中使用 this 来访问当前对象的属性以及其他方法；
* 该操作在编译期间完成的，即在 Javac 编译器在编译的时候将对 this 的访问转化为对一个普通实例方法的访问，
* 接下来在运行期间，由 JVM 在实例方法时候，自动的向实例方法传入该 this 参数，
* 所以在实例方法的局部变量表中，至少会有一个执行当前对象的局部变量。
*/
//堆栈上最多存3个对象，4个局部变量，有1个参数
stack=3, locals=4, args_size=1
// 创建对象，这里就是创建了一个 FileInputStream 对象
0: new #2 // class java/io/FileInputStream
// dup:复制栈顶数值并将复制值压入栈顶，相当于压栈
3: dup
// ldc：从运行期的常量池中推一个 item，就是将常量池中的 test.txt 推进去，使其能构造出该对象
4: ldc #3 // String test.txt
// 调用父类的相应构造方法
6: invokespecial #4 // Method java/io/FileInputStream."<init>":(Ljava/lang/String;)V
// 将应用存储到一个局部变量中，就是将 FileInputStream 创建处理实例的引用存储到局部变量 is 中，
// astore_1 中 a 代表操作一个引用 _1 代表存放到局部变量表中的索引为1的位置，0索引位置一般存放 this引用
9: astore_1
10: getstatic #5 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
// 可以看出下面这部是 finally 中的内容，也就是try中的代码没有发生异常，会正常走到 finally中
13: ldc #6 // String finally
15: invokevirtual #7 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
// 因为可能报错，因此真正的执行顺序在运行期才能确定，在编译期只能使用 goto 语句做可能的跳转，
// 这里是try中没有发生异常，直接进行返回
18: goto 74
// 正常情况下是无法走到这里的，但是如果发生异常
// JVM会根据 Exception table（异常表）中进行相应的指令跳转到这里
21: astore_1
// 将int型0推送至栈顶，结合代码可以看到这里是捕获到 FileNotFoundException 异常的处理代码
22: iconst_0
23: istore_2
24: getstatic #5 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
27: ldc #6 // String finally
29: invokevirtual #7
32: goto 74
35: astore_1
// 将int型1推送至栈顶，结合代码可以看到这里是捕获到 IOException 异常的处理代码
36: iconst_1
37: istore_2
38: getstatic #5 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
41: ldc #6 // String finally
43: invokevirtual #7 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
46: goto 74
// 可以看到 PC 21 36 49 都将捕获的变量保存到局部变量表中index为1的位置，
// 因为这三部分在运行时只会走其中的一个分支，
49: astore_1
// 将int型2推送至栈顶，结合代码可以看到这里是捕获到 Exception 异常的处理代码
50: iconst_2
51: istore_2
52: getstatic #5 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
55: ldc #6 // String finally
57: invokevirtual #7 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
60: goto 74
63: astore_3
64: getstatic #5 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
67: ldc #6 // String finally
69: invokevirtual #7 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
72: aload_3
73: athrow
74: return
Exception table:
from to target type
//从 0到10 之间的指令如果发生了FileNotFoundException 会跳转到21继续执行
0 10 21 Class java/io/FileNotFoundException
0 10 35 Class java/io/IOException
0 10 49 Class java/lang/Exception
0 10 63 any
21 24 63 any
35 38 63 any
49 52 63 any
//省略行号表
}
SourceFile: "Test3.java"
如果将异常抛出，对应的字节码为
public void test0() throws FileNotFoundException {
}
12.2.2 finally中处理返回值是否影响结果返回
对于返回变量是基本类型：
public int test3() {
int i;
try {
i = 1;
return i;
} finally {
i = 2;
}
}
bytecode：
public int test3();
descriptor: ()I
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=4, args_size=1
0: iconst_1 // 将int型1推送至栈顶
1: istore_1 // 将栈顶int型数值存入第二个本地变量
2: iload_1 // 这里准备返回值，将第二个int型本地变量推送至栈顶
3: istore_2 // 由于还有finally块中的语句，所以没有直接返回，
// 而是复制一份保存到第三个本地变量
4: iconst_2 // 执行finally块中的语句，将int型2推送至栈顶
5: istore_1 // 这里将第保存在第二个本地变量的i进行了修改
6: iload_2 // 返回第三个本地变量元素，也就是之前保存的1
7: ireturn // 返回一个int
// 这里是发生了异常的情况
8: astore_3 // 将捕获到的异常引用，保存在第四个本地变量中
9: iconst_2 // 执行finally块中的内容
10: istore_1
11: aload_3 // 将捕获到的异常引用推送至栈顶
// 也就是将第四个引用类型本地变量推送至栈顶
12: athrow // 将栈顶的异常抛出
Exception table:
from to target type
0 4 8 any
结论：finally块 中修改基本类型的返回变量不会对其有影响。
对于返回变量是引用类型：
private static class Student {
private int age;
//constructor(ing age)
//get() set()
}
public Student test5() {
Student student = null;
try {
student = new Student(1);
return student;
} finally {
student.setAge(2);
}
}
bytecode：
public com.lwj.bytecode.Test2$Student test5();
descriptor: ()Lcom/lwj/bytecode/Test2$Student;
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=4, args_size=1
0: aconst_null
1: astore_1
2: new #25 // class com/lwj/bytecode/Test2$Student
5: dup
6: iconst_1
7: invokespecial #26 // Method com/lwj/bytecode/Test2$Student."<init>":(I)V
10: astore_1 // 完成初始化，并将student引用保存到局部变量表中第二个位置
11: aload_1
12: astore_2 // 将student引用复制到第三个位置，两个引用指向堆中同一个对象
13: aload_1 // 加载的是第二个位置的student引用
14: iconst_2
15: invokevirtual #27 // Method com/lwj/bytecode/Test2$Student.setAge:(I)V
18: aload_2
19: areturn // 返回第三个位置的引用，但对象已经通过第二个位置的引用被修改
// 下面是try中发生异常执行的指令
20: astore_3
21: aload_1
22: iconst_2
23: invokevirtual #27 // Method com/lwj/bytecode/Test2$Student.setAge:(I)V
26: aload_3
27: athrow
Exception table:
from to target type
2 13 20 any
结论：由于引用的特殊，在finally块 中修改引用类型的返回值会对其有影响，这里就像方法传参中的值传递和引用传递一样。
从字节码层面分析了虚拟机在处理异常流程的过程，我们可以看出以下几点内容：
- JVM采用异常表的方式来对异常进行处理，而不是简单的跳转命令来实现Java异常及finally处理机制。（注：在JDK1.4.2之前的Javac编译器采用了jsr和ret指令实现finally语句。在JDK1.7中，已经完全禁止Class文件中出现jsr和ret指令，如果遇到这两条指令，虚拟机会在类加载的字节码校验阶段抛出异常）
- 当异常处理存在finally语句块时，编译器会自动在每一段可能的分支路径之后都将finally语句块的内容冗余生成一遍来实现finally语义。
- 在我们Java代码中，finally语句块是在最后的，但编译器在生成字节码时候进行了指令重排序，将finally语句块的执行指令移到了return指令之前，这样就从字节码角度解释了finally为什么总是会执行。
12.3 日常开发中的异常处理
12.3.1 异常屏蔽问题
private static class Connection implements AutoCloseable {
void sendData() throws Exception {
throw new Exception("sendData() exception ");
}
public void close() throws Exception {
throw new Exception("close() exception ");
}
}
public static void main(String[] args) {
try {
Connection connection = new Connection();
try {
// ... 其他的业务逻辑
connection.sendData();
} finally {
connection.close();
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace(); // 查看最终的异常信息
}
}
java.lang.Exception: call close exception
at _12_异常处理.Test1$Connection.close(Test1.java:33)
at _12_异常处理.Test1.main(Test1.java:43)
sendData() 和 conn.close() 都发生了错误，在 finally块 中首先会将 try块 抛出的异常保存到局部变量表中，然后执行自己的逻辑，如果在执行过程中没有发生异常，则会将之前保存的异常，从局部变量表加载到操作数栈顶然后抛出，以上是正常关闭资源的情况，如果关闭资源发生异常，也就是finally块 中的代码出错，则会重新抛出位于操作数栈顶的 新异常，看起来就像是新异常将老异常覆盖了，因此我们无法得知问题的根源。
要解决这个问题也很简单，只需要将新老异常关联起来即可，可以使用Throwable接口中的 initCause（Throwable exception）或者 addSuppressed（Throwable exception）。
下面的简化版代码就实现了 将新老异常关联起来抛出。
public static void main(String[] args) {
try {
Connection conn = new Connection();
Throwable exception = null;
try {
conn.sendData();
} catch (Throwable serviceException) {
exception = serviceException;
// finally块 中的修改代码不会影响返回的基本类型，但可以影响引用类型的内容
// serviceException 的内容可以在finally中被修改。但引用指向不会变化
throw serviceException;
} finally {
try {
conn.close();
} catch (Throwable IOException) {
// initCause() 和 addSuppressed() 的输出结果有所不同
// exception.initCause(IOException);
exception.addSuppressed(IOException);
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace(); // 查看最终的异常信息
}
}
// initCause()
java.lang.Exception: sendData() exception
at _12_异常处理.Test1$Connection.sendData(Test1.java:27)
at _12_异常处理.Test1.main(Test1.java:64)
Caused by: java.lang.Exception: close() exception
at _12_异常处理.Test1$Connection.close(Test1.java:31)
at _12_异常处理.Test1.main(Test1.java:72)
// addSuppressed()
java.lang.Exception: sendData() exception
at _12_异常处理.Test1$Connection.sendData(Test1.java:27)
at _12_异常处理.Test1.main(Test1.java:64)
Suppressed: java.lang.Exception: close() exception
at _12_异常处理.Test1$Connection.close(Test1.java:31)
at _12_异常处理.Test1.main(Test1.java:72)
12.3.2 try-with-resources
虽然我们解决了异常屏蔽的问题，但是在处理资源关闭上有大量臃肿的代码，不过随着Java语言的发展，这一问题已经很好的被解决，在Java 1.7中新增的语法糖 try-with-resources ，我们用可它打开资源，而无需手动资源关闭代码，为了配合try-with-resources，资源必须实现 AutoClosable 接口，底层还是在编译器做的优化，帮我们自动生成了finally块，并在里边调用了close（）方法。并且使用了 addSuppressed 来解决之前异常屏蔽的问题。
public static void main(String[] args) {
try {
// try-with-resources 方式 不仅美观，美观而且简洁
try (Connection connection = new Connection()) {
// ... 其他的业务逻辑
connection.sendData();
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
java.lang.Exception: sendData() exception
at _12_异常处理.Test1$Connection.sendData(Test1.java:29)
at _12_异常处理.Test1.main(Test1.java:40)
Suppressed: java.lang.Exception: close() exception
at _12_异常处理.Test1$Connection.close(Test1.java:33)
at _12_异常处理.Test1.main(Test1.java:41)
我们可以通过反编译查看 使用 try-with-resources 时 ，编译器生成的 finally块：
public static void main(String[] var0) {
try {
Test1.Connection var1 = new Test1.Connection();
Throwable var2 = null;
try {
var1.sendData();
} catch (Throwable var12) {
var2 = var12;
throw var12;
} finally {
if (var1 != null) {
if (var2 != null) {
try {
var1.close();
} catch (Throwable var11) {
var2.addSuppressed(var11); //here
}
} else {
var1.close();
}
}
}
} catch (Exception var14) {
var14.printStackTrace();
}
}
12.3.3 处理异常的基本原则
-
尽量不要捕获类似 Exception 这样的通用异常，而应该捕获特定异常，保证程序不会捕获到我们不希望捕获的异常。
错误示例：
try{ // 业务代码 }catch(Exception e){ // ... } -
不要生吞异常。这里的生吞是指输出到标准错误流，正确的做法应该是输出到日志系统里。
try{ //业务代码 }catch(IOException e){ e.printStackTrace(); } - 不要在 finally 块中处理返回值。这里还需注意基本类型的返回值与引用类型的返回值的区别。
-
throw early ，catch late。 尽量在第一时间暴露问题，捕获异常后，切勿 ”生吞异常“ ，不知道如何处理可以保留原有异常信息，直接再抛出或构建新异常跑出去，在更高层面有了清晰的逻辑，会更清楚处理方式。
public void throwEarly(String fileName){ Objects.requireNonNull(fileName); //throw early otherFun(fileName); }
12.3.4 从性能角度审视Java异常处理机制
- try - catch 代码会产生额外的性能开销，但也不至于谈虎色变，正常合理的使用即可。尽量不要一个大的 try 包住整段代码，同时也不要利用异常控制代码流程。
- Java 每实例化一个 Exception ，都会对当前的栈进行快照，这是一个相对比较重的操作，如果发生的非常频繁，这个开销就不能被忽略了。
Reference
《Java核心技术36讲》正文到此结束
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