JavaSE丨异常处理详解，高效应对程序中的“意外”

一、异常

1.1 概述

        程序在运行过程中，由于意外情况导致程序发生异常事件，默认情况下发生的异常会中断程序的运行。

        在Java中，把常见的异常情况，都抽象成了对应的异常类型，那么每种异常类型都代表了一种特定的异常情况。

        当程序中出现一种异常情况时，也会创建并抛出一个异常类型对象，这个对象就表示当前程序所出现的问题。

如图：

        例如，程序中有一种异常情况是，当前使用下标从数组中取值的时候，这个下标值超过了数组下标的最大值，那么程序中就出现了异常情况，java中把这种异常情况抽象成了一个类： java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException ，表示程序中出现了数组下标超过边界的异常情况。

案例展示：

观察下面各种异常情况：

//如何理解异常：
// 程序不正常情况，统称为 异常
public class Test_Basic {public static void main(String[] args) {// ArithmeticExceptionint a = 10 / 0;String s = "abc";//: NumberFormatExceptionint n = Integer.parseInt(s);Object obj = new Object();//new String("hello");//类型转换异常：ClassCastExceptions = (String)obj;int[] arr = {1,2,3,4};arr = null;//空指针异常：NullPointerExceptionSystem.out.println(arr[0]);//数组索引越界 ArrayIndexOutOfBoundsExceptionSystem.out.println(arr[4]);}
}

运行结果：

Exception in thread "main" java.lang.ArithmeticException: / by zeroat Test_Basic.main(Test_Basic.java:6)

        可以看出，当前程序出现异常情况时，会创建并抛出和该异常情况对应的异常类的对象，这个异常对象中保存了一些信息，用来表示当前程序到底发生了什么异常情况。

        通过异常信息，我们可以定位异常发生的位置，以及异常发生的原因

1.2 异常体系

        异常体系中的根类是： java.lang.Throwable ，该类下面有两个子类型， java.lang.Error 和 java.lang.Exception

        注意：Throwable 表示可以被抛出的

• Error ，表示错误情况，一般是程序中出现了比较严重的问题，并且程序自身并无法进行处理。
• Exception ，表示异常情况，程序中出了这种异常，大多是可以通过特定的方式进行处理和纠正的，并且处理完了之后，程序还可以继续往下正常运行

1.3 异常种类

        我们平时使用的异常类型，都是两种：

•  编译时异常
•  运行时异常

编译时异常：

• 继承自 Exception 类的子类型，也称为checked exception
• 编译器在编译期间，会主动检查这种异常，如果发现异常则必须显示处理， 否则程序就会发生错误，无法通过编译

运行时异常 ：

• RuntimeException 类及其子类，也称为unchecked exception
• 编译器在编译期间，不会检查这种异常，也不要求我们去处理，但是在运行期间，如果出现这种异常则自动抛出

1.4 异常传播

        如果一个方法中出现了异常的情况，系统默认的处理方式是：自动创建异常对象，并将这个异常对象抛给当前方法的调用者，并一直向上抛出，最终传递给 JVM，JVM默认处理步骤有2步：

1. 把异常的名称，错误原因及异常出现的位置等信息输出在了控制台
2. 程序停止执行

案例展示：

public class Test_Default {public static void main(String[] args) {System.out.println("hello");test1();System.out.println("world");}public static void test1() {test2();}public static void test2() {test3();}public static void test3() {//下面代码会抛出异常int a = 1 / 0;}
}

运行结果：

hello
Exception in thread "main" java.lang.ArithmeticException: / by zeroat Test_Default.test3(Test_Default.java:18)at Test_Default.test2(Test_Default.java:13)at Test_Default.test1(Test_Default.java:9)at Test_Default.main(Test_Default.java:4)

代码执行步骤解析：

1. 因为 java.lang.ArithmeticException 是运行时异常，所以代码可以编译通过
2. 程序运行时，先输出"hello"，然后一层一层调用，最终执行test3方法
3. 执行test3方法时，出现除数为0的情况，系统自动抛出异常
4. java.lang.ArithmeticException 代码中没有对异常进行任何捕获处理，所以该异常往上传递给test2 --> test1 --> main --> JVM
5. JVM虚拟机拿到异常后，输出异常相关信息，然后终止程序

二、异常抛出

2.1 自动抛出

        Java代码中，出现了提前指定好的异常情况的时候，代码会自动创建异常对象， 并且将该异常对象抛出。

        例如，上述案例中执行 int a = 1/0; 的时候，代码会自动创建并抛出 ArithmeticException 类型的异常对象，来表示当前的这种异常情况。（算术异常）

        又如，代码中执行自动创建并抛出 String str = null; str.toString(); 的时候，代码会 NullPointerException 类型的异常对象，来表示当前这种异常情况。（空指针异常）

2.2 手动抛出

        以上描述的异常情况，都是JVM中提前规定好的，我们不需要干预，JVM内部自己就会创建并抛出异常对象。

        但是在其他的一些情况下，我们也可以手动的创建并抛出异常对象，抛出后系统也会按照默认的方式去处理。

        手动抛出异常固定格式： throw 异常对象;

案例展示：

public class AgeValidator {// 验证年龄的方法public static void checkAge(int age) {// 规定年龄必须在0-150之间，否则视为无效if (age < 0 || age > 150) {// 手动创建并抛出异常对象throw new IllegalArgumentException("年龄必须在0到150之间，当前值：" + age);}System.out.println("年龄验证通过：" + age);}public static void main(String[] args) {// 测试正常情况checkAge(25); // 年龄有效，会输出验证通过信息// 测试异常情况checkAge(-5); // 年龄无效，会触发手动抛出的异常}
}

三、异常处理

代码中出现了异常，除了默认的处理方式外，我们还可以手动处理异常：

• 声明继续抛出异常，借助throws关键字实现
• 捕获并处理异常，借助try、catch、finally关键字实现

3.1 throws

        throws关键字用于在方法声明中指定该方法可能抛出的异常类型。

        这个声明的目的，就是告诉方法的调用者，调用这个方法的时候要小心 ，方法在运行的时候可能会抛出指定类型的异常。

案例展示：

多个异常声明

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;public class ThrowsExample {// 声明该方法可能会抛出IOException和NullPointerException异常public static void processFile(String filePath) throws IOException, NullPointerException {if (filePath == null) {throw new NullPointerException("文件路径不能为null");}FileInputStream fis = new FileInputStream(filePath);// 其他文件处理逻辑fis.close();}public static void main(String[] args) {String filePath = null;try {processFile(filePath);} catch (IOException | NullPointerException e) {System.out.println("发生异常: " + e.getMessage());}}
}

我们将throw与throws进行一个对比：

总结

• throw 是 “主动扔出一个具体的异常”（执行动作）；
• throws 是 “提前声明方法可能会扔出哪些异常”（告知风险）。

3.2 try-catch

        try-catch 语句块，就是用来对指定代码，进行异常捕获处理，并且处理完成后，JVM不会停止运行，代码还可以正常的往下运行。

捕获异常语法：

 try {可能会出现异常的代码;}catch(异常类型 引用名) {//处理异常的代码，可以是简单的输出异常信息//也可以使用日志进行了记录，也可以对数据进行修改纠正等操作//一般输出异常信息//e.printStackTrace();
}

try：该代码块中包含可能产生异常的代码

catch：用来进行某种类型异常的捕获，并对捕获到的异常进行处理

执行流程：

1. 程序从 try 里面的代码开始执行
2. 出现异常，就会跳转到对应的 catch块 里面去执行
3. 执行完毕之后，程序出 catch块，继续往下执行

案例展示：

模拟用户输入数字并进行除法运算的场景，处理可能出现的输入格式错误和除零异常

import java.util.Scanner;public class DivisionCalculator {public static void main(String[] args) {Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.println("===== 除法计算器 =====");try {// 尝试获取用户输入的被除数System.out.print("请输入被除数（整数）：");String num1Str = scanner.nextLine();int num1 = Integer.parseInt(num1Str);  // 可能抛出NumberFormatException// 尝试获取用户输入的除数System.out.print("请输入除数（整数）：");String num2Str = scanner.nextLine();int num2 = Integer.parseInt(num2Str);  // 可能抛出NumberFormatException// 尝试执行除法运算int result = num1 / num2;  // 可能抛出ArithmeticException（除数为0时）// 如果以上步骤都没有异常，输出计算结果System.out.println("计算结果：" + num1 + " ÷ " + num2 + " = " + result);} catch (NumberFormatException e) {// 处理输入格式错误（用户输入的不是整数）System.out.println("错误：请输入有效的整数！" + e.getMessage());} catch (ArithmeticException e) {// 处理除法异常（除数为0）System.out.println("错误：" + e.getMessage() + "，除数不能为0！");}// 无论是否发生异常，都会执行以下代码System.out.println("\n程序执行结束，感谢使用！");scanner.close();}
}

上述案例中体现出，如果try语句块中的代码可能抛出多种异常，并且是不同类型的，则可以写多个 catch语句块，用来同时捕获多种类型异常。

注意事项：

这种异常处理方式，要求多个catch中的异常不能相同

如果catch中的多个异常类之间有子父类关系的话，那么子类异常必须写在父类异常上面的catch块中，父类异常必须写在下面的catch块中。 因为如果父类型异常再最上面的话，下面catch语句代码，永远不会被执行！

3.3 finally 语句 

        finally 关键字可以和 try、catch关键字一起使用，固定搭配为： try catch-finally ，它可以保证指定finally中的代码一定会执行，无论是否发生异常！

finally 块的主要作用：

• 资源释放：在 try 块中打开的资源（例如文件、数据库连接、网络连接等） 可以在 finally 块中关闭或释放，以确保资源的正确释放，即使在发生异常的情况下也能够执行释放操作。
• 清理操作： finally 块可以用于执行一些清理操作，例如关闭打开的流、释放锁、取消注册监听器等。
• 异常处理的补充：finally块可以用于在try块和catch块之后执行一些必要的操作，例如记录日志、发送通知等。

案例展示：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;public class FileReaderExample {public static void main(String[] args) {FileInputStream fis = null; // 声明文件输入流变量try {// 尝试打开文件并读取内容fis = new FileInputStream("data.txt");System.out.println("文件打开成功，准备读取...");// 模拟读取过程中可能发生的异常（例如文件内容异常）int data = fis.read();if (data == -1) {throw new IOException("文件内容为空");}System.out.println("文件读取完成，内容：" + (char) data);} catch (IOException e) {// 处理文件操作相关异常System.out.println("文件操作出错：" + e.getMessage());} finally {// 无论是否发生异常，都必须关闭文件流（释放资源）System.out.println("进入finally块，准备关闭文件流...");if (fis != null) { // 确保流对象已初始化try {fis.close(); // 关闭流可能也会抛出IOExceptionSystem.out.println("文件流已成功关闭");} catch (IOException e) {System.out.println("关闭文件流时出错：" + e.getMessage());}}}System.out.println("程序执行结束");}
}

四、自定义异常

如果要自定义一个编译时异常类型，就自定义一个类，并继承 Exceptionn

如果要自定义一个运行时异常类型，就自定义一个类，并继承 RuntimeException

自定义异常步骤：

无论哪种类型的自定义异常，定义步骤基本一致，核心是 “继承父类 + 提供构造方法”：

1. 定义异常类
   类名通常以 Exception 结尾（如 InvalidAgeException、PasswordErrorException），直观体现异常含义。

2. 指定继承关系

   • 编译时异常：public class 自定义类名 extends Exception { ... }
   • 运行时异常：public class 自定义类名 extends RuntimeException { ... }

3. 提供构造方法
   必须至少包含两种构造方法（通过 super() 调用父类构造）：

   • 空参构造：用于创建无详细信息的异常对象。
   • 带参构造：接收一个 String 类型的异常信息（描述错误原因），传给父类保存（便于通过 getMessage() 获取）。

案例展示：

// 自定义编译时异常
public class InvalidAgeException extends Exception {// 空参构造public InvalidAgeException() {super(); // 调用父类Exception的空参构造}// 带异常信息的构造public InvalidAgeException(String message) {super(message); // 调用父类Exception的带参构造，保存异常信息}
}// 自定义运行时异常
public class EmptyNameException extends RuntimeException {public EmptyNameException() {super();}public EmptyNameException(String message) {super(message);}
}