Java大學問——優雅地處理異常

一.前言

你有沒有這樣的印象，當你想要更新一款 APP 的時候，它的更新日誌裏總有這麼一兩句描述：

• 修復若干 bug
• 殺了某程序員祭天，併成功解決掉他遺留的 bug

作爲一名負責任的程序員，我們當然希望程序不會出現 bug，因爲 bug 出現的越多，間接地證明了我們的編程能力越差，至少領導是這麼看的。

事實上，領導是不會拿自己的腦袋宣言的：“我們的程序絕不存在任何一個 bug。”但當程序出現 bug 的時候，領導會毫不猶豫地選擇讓程序員背鍋。

爲了讓自己少背鍋，我們可以這樣做：

• 在編碼階段合理使用異常處理機制，並記錄日誌以備後續分析
• 在測試階段進行大量有效的測試，在用戶發現錯誤之前發現錯誤

還有一點需要做的是，在敲代碼之前，學習必要的編程常識，做到兵馬未動，糧草先行。

二.層次結構

在 Java 中，異常（Throwable）的層次結構大致如下。

Error 類異常描述了 Java 運行時系統的內部錯誤，比如最常見的 OutOfMemoryError和NoClassDefFoundError。

導致OutOfMemoryError的常見原因有以下幾種：

• 內存中加載的數據量過於龐大，如一次從數據庫取出過多數據；
• 集合中的對象引用在使用完後未清空，使得 JVM 不能回收；
• 代碼中存在死循環或循環產生過多重複的對象；
• 啓動參數中內存的設定值過小；

OutOfMemoryError的解決辦法需要視情況而定，但問題的根源在於程序的設計不夠合理，需要通過一些性能檢測才能找得出引發問題的根源。

導致NoClassDefFoundError的原因只有一個，Java 虛擬機在編譯時能找到類，而在運行時卻找不到。

NoClassDefFoundError 的解決辦法，我截了一張圖，如上所示。當一個項目引用了另外一個項目時，切記這一步！

Exception（例外）通常可分爲兩類，一類是寫代碼的人造成的，比如訪問空指針（NullPointerException）。應當在敲代碼的時候進行檢查，以杜絕這類異常的發生。

if (str == null || "".eqauls(str)) {
}

另外一類異常不是寫代碼的人造成的，要麼需要拋出，要麼需要捕獲，比如說常見的 IOException。

拋出的示例。

public static void main(String[] args) throws IOException {
    InputStream is = new FileInputStream("Java高級架構獅.txt");
    int b;
    while ((b = is.read()) != -1) {

    }
}

捕獲的示例。

public static void main(String[] args) {
    try {
        InputStream is = new FileInputStream("Java高級架構獅.txt");
        int b;
        while((b = is.read()) != -1) {

        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

三.finally

當拋出異常的時候，剩餘的代碼就會終止執行，這時候一些資源就需要主動回收。Java 的解決方案就是finally子句——不管異常有沒有被捕獲，finally 子句裏的代碼都會執行。

在下面的示例當中，輸入流將會被關閉，以釋放資源。

public static void main(String[] args) {
    InputStream is = null;
    try {
        is = new FileInputStream("Java高級架構獅.txt");
        int b;
        while ((b = is.read()) != -1) {}
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        is.close();
    }
}

但我總覺得這樣的設計有點問題，因爲close()方法同樣會拋出 IOException：

public void close() throws IOException {}

也就是說，調用close()的main方法要麼需要拋出IOException，要麼需要在finally子句裏重新捕獲IOException。

選擇前一種就會讓 try catch 略顯尷尬，就像下面這樣。

public static void main(String[] args) throws IOException {
    InputStream is = null;
    try {
        is = new FileInputStream("Java高級架構獅.txt");
        int b;
        while ((b = is.read()) != -1) {}
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        is.close();
    }
}

選擇後一種會讓代碼看起來很臃腫，就像下面這樣。

public static void main(String[] args) {
    InputStream is = null;
    try {
        is = new FileInputStream("Java高級架構獅.txt");
        int b;
        while ((b = is.read()) != -1) {}
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        try {
            is.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

總之，我們需要另外一種更優雅的解決方案。JDK7 新增了Try-With-Resource語法：如果一個類（比如InputStream）實現了 AutoCloseable接口，那麼就可以將該類的對象創建在 try 關鍵字後面的括號中，當try-catch代碼塊執行完畢後，Java 會確保該對象的 close方法被調用。示例如下。

public static void main(String[] args) {
    try (InputStream is = new FileInputStream("Java高級架構獅.txt")) {
        int b;
        while ((b = is.read()) != -1) {
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

四.建議

關於異常處理機制的使用，我這裏總結了一些非常實用的建議，希望你能夠採納。

1.儘量捕獲原始的異常。

實際應該捕獲 FileNotFoundException，卻捕獲了泛化的 Exception。示例如下。

InputStream is = null;
try {
    is = new FileInputStream("Java高級架構獅.txt");
}
catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
}

這樣做的壞處顯而易見：假如你喊“王二”，那麼我就敢答應；假如你喊“老王”，那麼我還真不敢答應，萬一你喊的我妹妹“王三”呢？

很多初學者誤以爲捕獲泛化的Exception更省事，但也更容易讓人“丈二和尚摸不着頭腦”。相反，捕獲原始的異常能夠讓協作者更輕鬆地辨識異常類型，更容易找出問題的根源。

2.儘量不要打印堆棧後再拋出異常

當異常發生時打印它，然後重新拋出它，以便調用者能夠適當地處理它。就像下面這段代碼一樣。

public static void main(String[] args) throws IOException {
    try (InputStream is = new FileInputStream("Java高級架構獅.txt")) {
    }catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
        throw e;
    } 
}

這似乎考慮得很周全，但是這樣做的壞處是調用者可能也打印了異常，重複的打印信息會增添排查問題的難度。

java.io.FileNotFoundException: Java高級架構獅.txt (系統找不到指定的文件。)
    at java.io.FileInputStream.open0(Native Method)
    at java.io.FileInputStream.open(FileInputStream.java:195)
    at java.io.FileInputStream.<init>(FileInputStream.java:138)
    at java.io.FileInputStream.<init>(FileInputStream.java:93)
    at learning.Test.main(Test.java:10)
Exception in thread "main" java.io.FileNotFoundException: Java高級架構獅.txt (系統找不到指定的文件。)
    at java.io.FileInputStream.open0(Native Method)
    at java.io.FileInputStream.open(FileInputStream.java:195)
    at java.io.FileInputStream.<init>(FileInputStream.java:138)
    at java.io.FileInputStream.<init>(FileInputStream.java:93)
    at learning.Test.main(Test.java:10)

3.千萬不要用異常處理機制代替判斷

我曾見過類似下面這樣奇葩的代碼，本來應該判 null 的，結果使用了異常處理機制來代替。

public static void main(String[] args) {
    try {
        String str = null;
        String[] strs = str.split(",");
    } catch (NullPointerException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

捕獲異常相對判斷花費的時間要多得多！我們可以模擬兩個代碼片段來對比一下。

代碼片段 A：

long a = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
    try {
        String str = null;
        String[] strs = str.split(",");
    } catch (NullPointerException e) {
    }
}
long b = System.currentTimeMillis();
System.out.println(b - a);

代碼片段 B：

long a = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
    String str = null;
    if (str != null) {
        String[] strs = str.split(",");
    }
}
long b = System.currentTimeMillis();
System.out.println(b - a);

100000 萬次的循環，代碼片段 A（異常處理機制）執行的時間大概需要 1983 毫秒；代碼片段 B（正常判斷）執行的時間大概只需要 1 毫秒。這樣的比較雖然不夠精確，但足以說明問題。

4.不要盲目地過早捕獲異常

如果盲目地過早捕獲異常的話，通常會導致更嚴重的錯誤和其他異常。請看下面的例子。

InputStream is = null;
try {
    is = new FileInputStream("Java高級架構獅.txt");

} catch (FileNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
}

int b;
try {
    while ((b = is.read()) != -1) {
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

finally {
    try {
        is.close();
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

假如文件沒有找到的話，InputStream的對象引用is就爲null，新的NullPointerException就會出現。

java.io.FileNotFoundException: Java高級架構獅.txt (系統找不到指定的文件。)
    at java.io.FileInputStream.open0(Native Method)
    at java.io.FileInputStream.open(FileInputStream.java:195)
    at java.io.FileInputStream.<init>(FileInputStream.java:138)
    at java.io.FileInputStream.<init>(FileInputStream.java:93)
    at learning.Test.main(Test.java:12)
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
    at learning.Test.main(Test.java:28)

NullPointerException 並不是程序出現問題的本因，但實際上它出現了，無形當中干擾了我們的視線。正確的做法是延遲捕獲異常，讓程序在第一個異常捕獲後就終止執行。

五.總結

好了，關於異常我們就說到這。異常處理是程序開發中必不可少的操作之一，但如何正確優雅地對異常進行處理卻是一門學問，好的異常處理機制可以確保程序的健壯性，提高系統的可用率。