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异常

目录

1. 思维导图
2. 概述
3. 异常处理
4. 实现原理
5. Supressed 异常以及语法糖
6. 常见面试题
7. 参考

思维导图

概述

在 Java 语言规范中，所有异常都是 Throwable 类或者其子类的实例。Throwable 有两大直接子类。第一个是 Error，涵盖程序不应捕获的异常，当程序触发 Error 时，它的执行状态已经无法恢复，需要中止线程甚至是中止虚拟机。第二个是 Exception，涵盖程序可能需要捕获并且处理的异常。Exception 又可以分为受检异常和非受检异常，受检异常是指需要显式捕获或声明的异常，非受检异常则是指 RuntimeException。

异常处理

异常处理的两大组成要素是抛出异常和捕获异常，这两大要素共同实现程序控制流的非正常转移。

抛出异常

抛出异常可以分为显式和隐式两种，显式抛异常的主体是应用程序，它指的是程序中使用 throw 关键字，手动将异常实例抛出。

隐式抛异常的主体则是 Java 虚拟机，它指的是 Java 虚拟机在执行过程中，碰到无法继续执行的异常状态，自动抛出异常。通常都是运行时异常。

捕获异常

捕获异常设计 try-catch-final 语句块。

try 代码块用来标记需要进行异常监控的代码，catch 代码块跟在 try 代码块之后，用来捕获 try 代码块中触发的某种指定类型的异常。除了声明所捕获异常的类型之外，catch 代码块还定义了针对该异常类型的异常处理器。在 Java 中，try 代码块后面可以跟着多个 catch 代码块，来捕获不同类型的异常。Java 虚拟机会从上到下匹配异常处理器。因此，前面的 catch 代码块所捕获的异常类型不能覆盖后面的，否则编译器会报错。finally 代码块，跟在 catch 代码块之后，用来声明一段必定运行的代码。它的设计初衷是为了避免跳过某些关键的清理代码，例如关闭已打开的系统资源。

在某些不幸的情况下，catch 代码块也触发了异常，那么 finally 代码块同样会运行，并会抛出 catch 代码块触发的异常。在某些极端不幸的情况下，finally 代码块也触发了异常，那么只好中断当前 finally 代码块的执行，并往外抛异常。

实现原理

异常实例的构造十分昂贵。这是由于在构造异常实例时，Java 虚拟机便需要生成该异常的栈轨迹（stack trace）。该操作会逐一访问当前线程的 Java 栈帧，并且记录下各种调试信息，包括栈帧所指向方法的名字，方法所在的类名、文件名，以及在代码中的第几行触发该异常。

当然，在生成栈轨迹时，Java 虚拟机会忽略掉异常处理器以及填充栈帧的 Java 方法（Throwable.fillInStackTrace），直接从新建异常位置开始算起。

这里遍历堆栈的时候，并不用担心 inline 代码消除等编译优化对错误堆栈和代码对不上的情况，所以也就不需要先去优化之后在遍历。即时编译器生成的代码会保存原始的栈信息，以便去优化时能够复原，fillStackTrace 也会读取这些信息的，所以不需要去优化之后在 fill。

那么 Java 虚拟机是如何捕获异常的？

在编译生成的字节码中，每个方法都附带一个异常表。异常表中的每一个条目代表一个异常处理器，并且由 from 指针、to 指针、target 指针以及所捕获的异常类型构成。这些指针的值是字节码索引，用以定位字节码。

其中，from 指针和 to 指针标示了该异常处理器所指控的范围，即 try 代码块所覆盖的范围。target 指针则指向异常处理器的初始位置，例如 catch 代码块的起始位置。

当程序触发异常时，Java 虚拟机会从上至下遍历异常表中的所有条目。当触发异常的字节码的索引值在某个异常表条目的监控范围内，Java 虚拟机会判断所抛出的异常和该条目想要捕获的异常是否匹配。Java 虚拟机会将控制流转移至该条目 target 指针指向的字节码。

如果遍历完所有异常表条目，Java 虚拟机仍未匹配到异常处理器，那么它会弹出当前方法对应的 Java 栈帧，并且在调用者中重复上述操作。在最坏的情况下，Java 虚拟机需要遍历当前线程 Java 栈上所有方法的异常表。

finally 代码块的编译比较复杂，当前版本 Java 编译器的做法，是复制 finally 代码块的内容，分别放在 try-catch 代码块所有正常执行路径以及异常执行路径的出口中。

针对异常执行路径，Java 编译器会生成一个或多个异常表条目，监控整个 try-catch 代码块，并且捕获所有种类的异常。这些异常表条目的 target 指针将指向另一份复制的 finally 代码块。并且，在这个 finally 代码块的最后，Java 编译器会重新抛出所捕获的异常。

如果 catch 代码块捕获了异常，并且触发了另外一个异常，那么 finally 捕获并重抛的异常是哪个呢？答案是后者，也就是说原本的异常便会被忽略掉，这对于代码调试来说十分不利。

Supressed 异常以及语法糖

Java 7 引入了 Supressed 异常来解决这个问题，这个新特性允许开发人员将一个异常附于另一个异常之上。因此，抛出的异常可以附带多个异常的信息。

然鹅，Java 层面的 finally 代码块缺少指向所捕获异常的引用，所以这个新特性使用起来非常繁琐。

为此，Java 7 专门构造了一个名为 try-with-resources 的语法糖，在字节码层面自动使用 Supressed 异常。当然，该语法糖的主要目的并不是使用 Supressed 异常，而是精简资源打开关闭。

在 Java 7 之前，对于打开的资源，我们需要定义一个 finally 代码块，来确保该资源在正常或者异常执行状态情况下都能关闭。

资源的关闭操作本身容易触发异常。因此，如果同时打开多个资源，那么每一个资源都要对应一个独立的 try-finally 代码块，以保证每个资源都能关闭。这样一来，代码将会变得十分繁琐。

Java 7 的 try-with-resources 语法糖，极大的简化了上诉代码。程序可以在 try 关键字后声明并实例化实现了 AutoCloseable 接口的类，编译器将自动添加对应的 close 操作。在声明多个 AutoCloseable 实例的情况下，编译生成的字节码类似于上面手工编写代码的编译结果。与手工代码相比，try-with-resources 还会使用 Supressed 异常的功能，来避免原异常 “被消失”。

public class Foo implements AutoCloseable {
    private String name;

    public Foo(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void close() throws Exception {
        throw new RuntimeException(name);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        try (
                Foo foo0 = new Foo("Foo0");
                Foo foo1 = new Foo("Foo1");
                Foo foo2 = new Foo("Foo2")
        ) {
            throw new RuntimeException("");
        }
    }
}
//输出：
Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: 
	at annotation.Foo.main(Foo.java:21)
	Suppressed: java.lang.RuntimeException: Foo2
		at annotation.Foo.close(Foo.java:12)
		at annotation.Foo.$closeResource(Foo.java:22)
		at annotation.Foo.main(Foo.java:22)
	Suppressed: java.lang.RuntimeException: Foo1
		at annotation.Foo.close(Foo.java:12)
		at annotation.Foo.$closeResource(Foo.java:22)
		at annotation.Foo.main(Foo.java:22)
	Suppressed: java.lang.RuntimeException: Foo0
		at annotation.Foo.close(Foo.java:12)
		at annotation.Foo.$closeResource(Foo.java:22)
		at annotation.Foo.main(Foo.java:22)

Process finished with exit code 1

除了 try-with-resources 语法糖之外，Java 7 还支持在同一个 catch 代码块中捕获多种异常。实际实现非常简单，生成多个异常表条目即可。

// 在同一 catch 代码块中捕获多种异常
try {
  ...
} catch (SomeException | OtherException e) {
  ...
}

常见面试题

1. Exception 和 Error 有什么区别？

2. ClassNotFoundException 与 NoClassDefFoundError 的区别？

   首先应该注意到这一个是 Exception 一个是 Error。

   Java 支持使用 Class.forName 方法来动态加载类，任意一个类的类名如果被作为参数传递给这个方法都将导致该类被加载到 JVM 内存中，如果这个类在类路径中没有被找到，那么此时就会在运行时抛出 ClassNotFoundException 异常。

   如果 JVM 或者 ClassLoader 实例尝试加载（可以通过正常的方法调用，也可能是使用 new 来创建新的对象）类的时候找不到类的定义。要查找的类在编译的时候是存在的，运行的时候却找不到类，这个时候就会导致 NoClassDefFoundError。造成该问题的原因可能是打包过程中漏掉了部分类，或者 jar 包出现了损毁或者篡改。解决这个问题的办法是查找那些在开发期间存在于类路径但运行期间却不在类路径下的类。

参考

JVM是如何处理异常的？

try-with-resources 的理解