Loading AI tools
在計算和電腦編程領域中，例外處理（exception handling，也意譯為例外處理，需注意「异常」一般對應英文abnormality[1]），是對出現的例外的響應處理，在程式執行期間，異常或例外情況需要特殊處理。一般而言，例外打斷正常的執行流程並執行預先登記的「例外處理器」；具體如何去做依賴於它是硬件還是軟件例外，還有軟件例外是如何實現的。
例外是由電腦系統的不同層級來定義的，典型的層級有CPU定義的中斷、作業系統（OS）定義的訊號和程式語言定義的例外。每個層級都要求不同例外處理方式，但是它們可以是關聯的，比如說CPU中斷可能被轉變成OS訊號。一些例外特別是硬件例外，可以被優雅地處理使得程式執行能在它被中斷的地方恢復。
硬件的例外處理機制由CPU完成。這種機制支援錯誤檢測，在發生錯誤後會將程式流跳轉到專門的錯誤處理常式中。發生異常前的狀態儲存在棧上。[2]
針對程式中可能發生的例外，作業系統可能通過IPC來提供對應的處理設施。行程執行過程中發生的中斷通常由操作提供的「中斷服務子程式」處理，作業系統可以藉此向該行程傳送訊號。行程可以通過註冊訊號處理器的方式自行處理訊號，也可以讓作業系統執行預設行為（比如終止該程式）。
從行程的視角，硬件中斷相當於可恢復異常，雖然中斷一般與程式流本身無關。
在程式語言領域，通常例外（英語：exception）這一術語所描述的是一種資料結構，該資料結構可以儲存例外的相關訊息。例外處理的常見的一種機制是移交控制權。引發（raise）異常，也叫作投擲（throw）異常，通過該方式達到移交控制權的效果。例外投擲後，控制權會被移交至某處的接（catch），並執行處理。
程式語言對例外有着截然不同的定義，而現代語言大致上可分兩類：[3]
- 用作於控制流程的例外，如：Ada、Java、Modula-3、ML、OCaml、Python、Ruby 。
- 用作於處理異常、無法預測、錯誤性的情況。如：C++[4]、C#、Common Lisp、Eiffel、Modula-2 。
從子程式作者的角度看，如果要表示當前子程式無法正常執行，投擲例外是很好的選擇。無法正常執行的原因可以是輸入參數無效（比如值在函數的定義域之外），也可以是無法獲得所需的資源（比如檔案不存在、硬碟出錯、主記憶體不足）等等。在不支援例外的系統中，子程式需要通過返回特殊的錯誤碼實作類似的功能。然而回傳錯誤碼可能導致不完全預測問題，子程式的使用方需要編寫額外的代碼，才能將普通的回傳值與錯誤碼相區別。
Kiniry強調：「語言設計僅僅部分地影響了對例外的使用，從而影響編程者處理系統執行期間部分或所有失敗的方式。其他主要的影響還有在核心庫、技術書籍、雜誌文章、線上研討討論區和特定組織的代碼標準中的使用範例」。[5]
在1960和1970年代，Lisp語言發展出軟件例外。最初版本是在1962年Lisp 1.5的時候，這時候異常通過ERRSET關鍵詞進行捕捉，並在出錯時候，通過NIL進行回傳，而不是以前的終止程式或者進行除錯器。[6]1960年代後半，Maclisp語言通過ERR關鍵詞引入「引發」（Raise）錯誤機制。[6]Lisp的這種創新不僅僅被應用於投擲錯誤，還被應用於「非局部控制流」。在在1972年6月，Maclisp語言通過CATCH和THROW兩個新的關鍵詞來實現非局部控制流，並保留ERRSET和ERR專門做錯誤處理。在1970中後，NIL（「新實現的LISP」）衍生出清除操作UNWIND-PROTECT，對應着現今常見的finally。[7]該操作也被Common Lisp使用了。與之同時代，Scheme也誕生了dynamic-wind，用於處理閉包中的異常。Goodenough (1975a)和Goodenough (1975b)是介紹結構化的例外處理的開創性文章。[8] 1980年後，例外處理被廣泛利用於許多程式語言。
PL/I語言使用的是動態作用域例外，然而稍微現代的程式語言多用詞法作用域的例外。PL/I語言的例外處理包含事件（不是錯誤）、注意（Attention）、EOF、列舉了的變數的修改（Modification of listed variables）。雖然現在的一些程式語言支援不含錯誤資訊的例外，但是他們並不常見。
一開始，軟件的例外處理是包含可恢復的例外，它具有恢復語意，就像大部分的硬件例外一樣，以及不恢復的例外，它具有終止語意。但是，在1960和1970時代，在實踐中得出恢復語意是十分低效的（C++標準相關的討論可見[9]），因此恢復語意就很少再出現了，通常只能在類似Common Lisp和Dylan這種語言中見到。
1980年Tony Hoare在評論Ada語言時，將例外處理提及為危險特徵。[10]
對於軟件而言，例外處理經常無法正確的處理，尤其是當這裏有多種來自不同原始碼的異常時。在對五百萬行Java代碼進行數據流分析時，我們發現了超過1300個例外處理。[11]這是1999-2004年的前沿報告以及他們的結論，Weimer和Necula寫到，異常是一個十分嚴峻的問題，他們會創造隱藏的控制流途徑，這種途徑是編程人員很難去推理的。
Go語言的初始版本並沒有例外處理，而因此被有的開發者認為控制流十分冗餘。[12]後來，追加了類似的例外處理的語法panic/recover機制，但是Go語言的作者建立這僅僅在整個程式不可恢復的錯誤時候使用它。[13][14][15][16]
異常，作為一個非結構化的流程，它會增加資源泄露的可能性（如：從鎖住的代碼中逃脫，在打開檔案時候逃脫掉），也有可能導致狀態不一致。因此，出現了集中例外處理的資源管理技術，最常見的結合dispose pattern和解除保護（unwind protection）一起使用（如finally陳述式），會在這段代碼的控制權結束時自動釋放資源。
許多常見的程式語言支援例外處理，包括：
多數語言的異常機制的語法是類似的：用throw或raise投擲一個異常對象（Java或C++等）或一個特殊可延伸的列舉類型的值（如Ada語言）；例外處理代碼的作用範圍用標記子句（try或begin開始的語言作用域）標示其起始，以第一個例外處理子句（catch, except, rescue等）標示其結束；可連續出現若干個例外處理子句，每個處理特定類型的異常。某些語言允許else子句，用於無例外出現的情況。更多見的是finally, ensure子句，無論是否出現異常它都將執行，用於釋放例外處理所需的一些資源。
C語言沒有try-catch例外處理，而是使用返回碼用於錯誤檢查；setjmp與longjmp標準庫函數可以被用來通過宏實現try-catch處理[17]。一般在例外處理代碼的搜尋過程中會逐級完成堆疊輾轉開解（stack unwinding）；但Common Lisp中進行例外處理的條件系統，不採取堆疊輾轉開解，因此允許例外處理完後在投擲異常的代碼處原地恢復執行。
C++例外處理是資源取得即初始化（RAII）的基礎。異常事件在C++中表示為「異常對象」（exception object）。異常事件發生時，由作業系統為程式設置當前異常對象，然後執行程式的當前例外處理代碼塊，在包含了異常出現點的最內層的try塊，依次匹配同級的catch陳述式。如果匹配catch陳述式成功，則在該catch塊內處理異常；然後執行當前try...catch...塊之後的代碼。如果在當前的try...catch...塊沒有能匹配該異常對象的catch陳述式，則由更外一層的try...catch...塊處理該異常；如果當前函數內的所有try...catch...塊都不能匹配該異常，則遞歸回退到呼叫棧的上一層函數去處理該異常。如果一直回退到主函數main()都不能處理該異常，則呼叫系統函數terminate()終止程式。
在Python中只存在語法錯誤和例外。語法錯誤是在執行之前發生的。而例外是在執行時發生的錯誤，除非進行捕捉處理，否則它將無條件停止程式。可以書寫代碼來處理選定的例外。[18]
Python語言中對例外處理機制的採用是非常普遍深入的，這種編碼風格被稱為EAFP（請求原諒比得到許可更容易）[19]，它假定有效的鍵或特性存在，並在這個假定證明失敗時擷取例外。Python社區認為這種風格是清晰而快速的，它的特徵是會出現很多try和except陳述式。這種技術對立於常見於很多其他語言比如C語言中的LBYL（看好再跳）風格。
在Java中異常是異常事件（exceptional event）的縮寫。異常是一個事件，它發生在程式執行時並會打亂程式指示的正常流程。當方法出現了錯誤時，方法會建立一個對象並將它交給執行時系統，所建立的對象叫「異常對象」，該對象包含了錯誤的資訊（描述了出錯時的程式的類型和狀態）。建立錯誤對象和轉交給執行時系統的過程，叫投擲異常。[20]
class RuntimeException 和class Error均是不檢查的異常（Unchecked Exceptions）。[21]錯誤不等於錯誤類（class Error），錯誤類代表着不應該被捕捉的嚴重的問題。[22]class RuntimeException 意味着程式出現問題了。[21]
Go語言提倡的是錯誤處理（error handling）。Go語言設計者系統希望用戶在錯誤出時，顯式地檢查錯誤。[23] Go雖然不提供與Java語言的try..catch同等的功能陳述式，但是取而代之，提供了輕型的例外處理機制panic...recover。[24]
大多數.NET程式語言，內建的異常機制都是沿着函數呼叫堆疊的函數呼叫逆向搜尋，直到遇到例外處理代碼為止。而 Visual Basic（尤其是在其早於 .net 的版本，例如 6.0 中）走得更遠：on error 陳述式可輕易指定發生異常後是重試（resume）還是跳過（resume next）還是執行程式設計師定義的錯誤處理程式（goto ***）。
錯誤處理（error handling）是通過處理常式的返回值的形式從而處理錯誤的一種編程方式。在Go等返回值可為複數的語言中，可通過將其中一個值設為錯誤值，從而達到錯誤處理的效果。
f, err := os.Open("filename.ext")
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
// do something with the open *File f
在僅僅支援返回狀態碼的語言裏，可通過處理錯誤碼，達到錯誤處理的效果。shell語言可通過$?獲得函數執行的退出碼，從而判斷是否出錯。
在其他語言中，可以通過判斷結果的某一個特徵，從而達到錯誤處理部分的效果，但不意味着這些語言自身支援錯誤處理。如，Java等物件導向的語言往往會通過null值判斷是否執行失敗，但有時候也會通過例外處理判斷是否執行失敗。
如果一個異常投擲後，沒有被捕捉，那麼未捕捉異常（uncaught exception）將會在執行時被處理。進行該處理的常式叫「未捕捉例外處理器」（uncaught exception handler）[25][26]。大部分的處理是終止程式並將錯誤資訊列印至控制台，該資訊通常包含除錯用的資訊，如：異常的描述資訊、棧追蹤。[27][28][29]通常處於最進階（應用級別）的處理器，即便捕捉到異常也會避免終止自身（如：線程出現異常，主線程也不會終止）。[30][31]
值得了解的是，在即便未捕捉異常導致了程式異常中斷（如：異常沒被捕捉、捲動未完成、沒釋放資源），程式仍舊能正常地順序性地關閉。只要確保執行時系統能正常地執行，因為執行時系統控制着整個程式的執行。
作為預設的未捕捉例外處理器是可以被替換的，不管是全域還是單線程的，新的未捕捉例外處理器可以嘗試做這些事情：未捕捉異常導致關閉了的線程，使之重新啟動；提供另一種方式記錄紀錄檔；讓用戶報告未捕捉異常等等。在Java中，單一線程可以使用Thread.setUncaughtExceptionHandler[32]，全域可以用Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler[33]；在python中，可通過修改sys.excepthook[34]。
Java的設計者設計了[35] 檢查性異常（Checked exceptions）[36]。當方法引發「檢查性異常」時，「檢查性異常」將成為方法符號的一部分。例如：如果方法投擲了IOException ，我們必須顯式地使用方法符號（在Java中是try...catch），如果不這樣做的話將會導致編譯時錯誤。
一段代碼是「異常安全的」，如果這段代碼執行時的失敗不會產生有害後果，如主記憶體泄露、儲存數據混淆、或無效的輸出。異常安全可分成不同層次：
- 「失敗透明」，也稱作「不投擲保證」：代碼的執行保證能成功並滿足所有的約束條件，即使存在異常情況。如果出現了異常，將不會對外進一步投擲該異常。（異常安全的最好的層次）
- 「提交或卷回的語意」，或稱作「強異常安全」或「無變化保證」：執行可以是失敗，但失敗的執行保證不會有負效應，因此所有涉及的數據都保持代碼執行前的初始值。[37]
- 「基本異常安全」：失敗執行的已執行的操作可能引起了副作用，但會保證狀態不變。所有儲存數據保持有效值，即使這些數據與異常發生前的值有所不同。
- 「最小異常安全」，也稱作「無泄漏保證」：失敗執行的已執行的操作可能在儲存數據中儲存了無效的值，但不會引起崩潰，資源不會泄漏。
- 「沒有異常安全」：沒有保證（最差的異常安全層次）。
例如，考慮一個smart vector類型，如C++的 std::vector或Java的 ArrayList。當一個數據項x插入vector v，必須實際增加x的值到vector的內部對象列表中並且修改vector的計數域以正確表示v中儲存了多少數據項；此時如果已有的儲存空間不夠大，就需要分配新的主記憶體。主記憶體分配可能會失敗並投擲異常。因此，vector資料類型如果是「失敗透明」保證將會非常困難甚至不可能實現。但vector類型提供「強異常安全」保證卻是相當容易的；在這種情況下，x插入v或者成功，或者v保持不變。如果vector類型僅提供「基本異常安全」保證，如果數據插入失敗，v可能包含也可能不包含x的值，但至少v的內部表示是一致的。但如果vector資料類型是「最小異常安全」保證，v可能會是無效的，例如v的計數域被增加了，但x並未實際插入，使得內部狀態不一致。對於「異常不安全」的實現，程式可能會崩潰，例如寫入數據到無效的主記憶體。
通常至少需要基本異常安全。失敗透明是難於實現的，特別是在編寫庫函數時，因為對應用程式的複雜知識缺少獲知。
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
