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Java 异常类型

什么是异常

在Java程序执行过程中,由于各种原因可能会导致程序出现错误状况,如:文件找不到、网络连接失败、数组下标越界等。这些错误情况在Java中统称为"异常"。

异常是Java提供的一种机制,用于处理程序在运行时可能出现的错误,以提高程序的健壮性和可靠性。Java的异常处理机制让程序能够在出现异常情况时,按照预定的方式响应,而不是直接崩溃。

Java 异常层次结构

Java的所有异常都源于一个顶层类:Throwable。理解异常层次结构是掌握Java异常处理的基础。

Throwable类

Throwable是所有错误和异常类的超类,它有两个重要的子类:ErrorException

主要方法包括:

  • getMessage(): 返回异常信息
  • printStackTrace(): 打印异常的堆栈轨迹
  • getStackTrace(): 获取堆栈轨迹数组

主要异常类型

Error(错误)

Error类代表程序运行时可能出现的系统级错误,这些错误通常是严重的,无法通过代码来恢复的。常见的Error包括:

  1. OutOfMemoryError:内存溢出错误,JVM没有足够的内存来分配对象
java
public class MemoryErrorExample {
public static void main(String[] args) {
try {
int[] array = new int[Integer.MAX_VALUE];
} catch (OutOfMemoryError e) {
System.out.println("内存溢出: " + e.getMessage());
e.printStackTrace();
}
}
}
  1. StackOverflowError:栈溢出错误,通常是由于递归调用没有正确的终止条件
java
public class StackOverflowExample {
public static void recursiveMethod() {
recursiveMethod(); // 无限递归调用
}

public static void main(String[] args) {
try {
recursiveMethod();
} catch (StackOverflowError e) {
System.out.println("栈溢出: " + e.getMessage());
e.printStackTrace();
}
}
}
注意

一般情况下,应用程序不应该尝试捕获和处理Error,因为这些错误往往表示严重的问题,可能导致应用程序处于不稳定状态。

Exception(异常)

Exception类是所有异常类的超类,代表程序可能会处理的各种异常情况。Exception又分为两大类:

1. 受检异常(Checked Exception)

受检异常是指在编译时就必须被处理的异常,否则程序将无法通过编译。处理方式有两种:

  • 使用try-catch块捕获异常
  • 使用throws关键字将异常抛出给调用者

常见的受检异常包括:

IOException:输入输出异常,如读写文件时可能发生的问题

java
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;

public class CheckedExceptionExample {
public static void main(String[] args) {
try {
// 尝试打开一个可能不存在的文件
File file = new File("不存在的文件.txt");
FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
} catch (FileNotFoundException e) {
System.out.println("文件未找到: " + e.getMessage());
}
}
}

SQLException:数据库操作异常

java
import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.SQLException;

public class SQLExceptionExample {
public static void main(String[] args) {
try {
// 尝试连接到一个不存在的数据库
Connection conn = DriverManager.getConnection(
"jdbc:mysql://localhost:3306/不存在的数据库", "username", "password");
} catch (SQLException e) {
System.out.println("数据库连接失败: " + e.getMessage());
}
}
}

2. 非受检异常(Unchecked Exception)

非受检异常也称为运行时异常(RuntimeException),这类异常在编译时不会被检查,但可能在运行时发生。程序员可以选择处理这些异常,但不是必须的。

常见的非受检异常包括:

NullPointerException:空指针异常,试图访问一个空引用的对象成员

java
public class NullPointerExceptionExample {
public static void main(String[] args) {
try {
String str = null;
System.out.println(str.length()); // 访问空引用的方法
} catch (NullPointerException e) {
System.out.println("空指针异常: " + e.getMessage());
e.printStackTrace();
}
}
}

// 输出:
// 空指针异常: null
// java.lang.NullPointerException
// at NullPointerExceptionExample.main(NullPointerExceptionExample.java:5)

ArrayIndexOutOfBoundsException:数组下标越界异常

java
public class ArrayIndexExceptionExample {
public static void main(String[] args) {
try {
int[] arr = new int[5];
arr[10] = 25; // 访问数组越界位置
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
System.out.println("数组下标越界: " + e.getMessage());
}
}
}

// 输出:
// 数组下标越界: Index 10 out of bounds for length 5

ArithmeticException:算术异常,如除以零

java
public class ArithmeticExceptionExample {
public static void main(String[] args) {
try {
int result = 10 / 0; // 除以零
} catch (ArithmeticException e) {
System.out.println("算术异常: " + e.getMessage());
}
}
}

// 输出:
// 算术异常: / by zero

ClassCastException:类型转换异常,当尝试将对象转换为不兼容的类型时

java
public class ClassCastExceptionExample {
public static void main(String[] args) {
try {
Object x = new Integer(0);
System.out.println((String)x); // Integer不能转为String
} catch (ClassCastException e) {
System.out.println("类型转换异常: " + e.getMessage());
}
}
}

// 输出:
// 类型转换异常: java.lang.Integer cannot be cast to java.lang.String

自定义异常

Java允许开发者创建自己的异常类,以满足特定的业务需求。自定义异常通常继承自Exception(受检异常)或RuntimeException(非受检异常)。

java
// 自定义受检异常
public class InsufficientFundsException extends Exception {
private double amount;

public InsufficientFundsException(double amount) {
super("余额不足,还差 " + amount + " 元");
this.amount = amount;
}

public double getAmount() {
return amount;
}
}

// 使用自定义异常
public class BankAccount {
private double balance;
private String accountNumber;

public BankAccount(String accountNumber, double initialBalance) {
this.accountNumber = accountNumber;
this.balance = initialBalance;
}

public void withdraw(double amount) throws InsufficientFundsException {
if(amount > balance) {
throw new InsufficientFundsException(amount - balance);
}
balance -= amount;
System.out.println("成功提取 " + amount + " 元,当前余额: " + balance);
}

public static void main(String[] args) {
BankAccount account = new BankAccount("12345", 1000);
try {
account.withdraw(1500); // 尝试提取超过余额的金额
} catch (InsufficientFundsException e) {
System.out.println("操作失败: " + e.getMessage());
}
}
}

// 输出:
// 操作失败: 余额不足,还差 500.0 元

异常类型的选择

在设计自己的代码时,如何选择合适的异常类型是一个重要问题:

  1. 使用标准异常:优先使用Java API中定义的标准异常类,如IllegalArgumentExceptionUnsupportedOperationException等。

  2. 受检异常 vs 非受检异常

    • 对于调用者应该能够合理恢复的情况,使用受检异常
    • 对于编程错误,使用非受检异常
    • 如果不确定,通常建议使用非受检异常
  3. 异常命名:自定义异常应以"Exception"结尾

  4. 异常信息:提供详细的异常信息,帮助调试

实际应用案例:文件处理

下面是一个结合多种异常处理的文件读取示例:

java
import java.io.*;

public class FileProcessingExample {
public static void main(String[] args) {
BufferedReader reader = null;
try {
// 可能抛出FileNotFoundException (受检异常)
reader = new BufferedReader(new FileReader("data.txt"));

String line = null;
int lineNumber = 0;

while ((line = reader.readLine()) != null) {
lineNumber++;
// 解析每行数据,可能抛出NumberFormatException (非受检异常)
try {
processLine(line, lineNumber);
} catch (NumberFormatException e) {
System.err.println("第 " + lineNumber + " 行数据格式错误: " + e.getMessage());
// 继续处理下一行
}
}
} catch (FileNotFoundException e) {
System.err.println("文件未找到: " + e.getMessage());
} catch (IOException e) {
System.err.println("读取文件时发生错误: " + e.getMessage());
} finally {
// 确保资源被关闭
if (reader != null) {
try {
reader.close();
} catch (IOException e) {
System.err.println("关闭文件时发生错误: " + e.getMessage());
}
}
}
}

// 处理文件中的一行数据
private static void processLine(String line, int lineNumber) {
String[] parts = line.split(",");
if (parts.length < 2) {
throw new IllegalArgumentException("数据格式不正确,需要至少2个值,用逗号分隔");
}

// 尝试将字符串转换为整数,可能抛出NumberFormatException
int id = Integer.parseInt(parts[0]);
String name = parts[1];

System.out.println("处理第 " + lineNumber + " 行: ID=" + id + ", Name=" + name);
}
}
实用建议

上面的例子还可以使用Java 7引入的try-with-resources语法来简化资源管理:

java
try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader("data.txt"))) {
// 使用reader的代码
} catch (IOException e) {
// 异常处理
}

这样可以自动关闭reader,无需显式的finally块。

总结

  1. Java异常分为ErrorException两大类,都继承自Throwable
  2. Error表示严重的系统级错误,通常不应该被捕获
  3. Exception又分为受检异常和非受检异常:
    • 受检异常:编译时必须处理,表示程序正常运行中可能出现的情况
    • 非受检异常:继承自RuntimeException,表示编程错误或不可预见的错误
  4. 选择合适的异常类型有助于设计更健壮的程序
  5. 自定义异常可以帮助表达特定的业务逻辑错误

练习题

  1. 编写一个方法,接收一个整数数组和一个索引,返回该索引处的元素。处理可能的ArrayIndexOutOfBoundsException

  2. 创建一个自定义异常AgeException,当年龄小于0或大于120时抛出。然后编写一个Person类使用这个异常。

  3. 编写一个程序,读取一个文本文件的内容,并计算文件中的单词数量。处理可能发生的所有异常。

扩展阅读

  • Oracle官方Java文档中的异常处理章节
  • 《Effective Java》第3版中关于异常处理的章节
  • Java核心技术卷I中的异常、断言和日志章节

通过掌握Java异常类型及其使用场景,你将能够编写更加健壮和可维护的代码,有效地处理各种错误情况,提高程序的可靠性。