C++ 異常處理機制完整教學：從基礎語法到編譯模型深度解析

前言

C++ 異常處理是構建健壯軟體的基石。本文提供完整可編譯的示範程式，涵蓋自訂異常類別、多種拋出/捕獲策略、拷貝建構行為、記憶體管理、異常規格與最佳實踐。

一、 完整可執行示範程式

#include "stdafx.h"
#include <stdlib.h>
#include <crtdbg.h>
#include <iostream>

// 記憶體洩漏檢測（Debug 版）
#define _CRTDBG_MAP_ALLOC
#ifdef _DEBUG
#define new new(_NORMAL_BLOCK, __FILE__, __LINE__)
#endif

// 自訂異常類別
class MyException {
public:
    MyException(int errorId) : m_errorId(errorId) {
        std::cout << "MyException ctor called" << std::endl;
    }
    MyException(const MyException& other) : m_errorId(other.m_errorId) {
        std::cout << "Copy ctor called" << std::endl;
    }
    ~MyException() {
        std::cout << "~MyException dtor called" << std::endl;
    }
    int getErrorId() const { return m_errorId; }
private:
    int m_errorId;
};

int main(int argc, char* argv[]) {
    _CrtSetDbgFlag(_CRTDBG_ALLOC_MEM_DF | _CRTDBG_LEAK_CHECK_DF);

    int throwErrorCode = 110;
    std::cout << "Input test code: " << std::endl;
    std::cin >> throwErrorCode;

    try {
        if (throwErrorCode == 110) {
            MyException myStru(110);
            throw &myStru;                    // 拋出指標：不觸發拷貝建構
        }
        else if (throwErrorCode == 119) {
            MyException myStru(119);
            throw myStru;                     // 拋出物件：觸發拷貝建構（建立臨時物件）
        }
        else if (throwErrorCode == 120) {
            MyException* pMyStru = new MyException(120);
            throw pMyStru;                    // 拋出 new 物件指標：catch 中需手動 delete
        }
        else {
            throw MyException(throwErrorCode); // 拋出臨時物件：兩次拷貝建構
        }
    }
    catch (MyException* pEx) {
        std::cout << "catch(MyException*) executed" << std::endl;
        std::cout << "Error Code: " << pEx->getErrorId() << std::endl;
        // 若為 new 物件需 delete，但異常物件通常在專用棧上，不需 delete
    }
    catch (MyException ex) {
        std::cout << "catch(MyException) executed" << std::endl;
        std::cout << "Error Code: " << ex.getErrorId() << std::endl;
    }
    catch (...) {
        std::cout << "catch(...) executed" << std::endl;
        throw; // 重新拋出給上層
    }

    int temp; std::cin >> temp; // 暫停
    return 0;
}

二、 執行行為分析（四種拋出方式對比）

三、 核心知識點深度解析

1. 異常傳播與棧展開

• throw 後，運行時沿呼叫棧向上尋找匹配的 catch
• 沿途所有**已建構完成的區域物件**析構函數**自動被呼叫**（棧展開）
• 若抵達 main 仍無匹配 catch，呼叫 std::terminate() 終止程式，**不保證析構函數執行**

2. 異常物件儲存位置

異常物件**不在函式棧上**，而是在**專用異常棧**上，因此能跨越多層函式傳播而不被棧清理銷毀。

3. 捕獲參數建議：以參考捕獲

catch (const MyException& ex)  // 推薦
catch (MyException* pEx)        // 次之，利用多型
catch (MyException ex)          // 不推薦：額外拷貝、物件切割風險

• 避免拷貝開銷
• 支援多型：捕獲基類參考可捕獲派生類異常
• 派生類 catch 必須置於基類 catch **之前**

4. 異常規格

void func() throw(MyException, std::bad_alloc); // 僅拋出列舉型別（C++11 棄用）
void func() throw();                            // 不拋出任何異常（noexcept 對應）
void func();                                    // 可拋出任何異常

• 違反規格 → 呼叫 std::unexpected()（預設終止）
• 現代 C++ 推薦使用 noexcept + 文檔說明

5. 建構函數中拋出異常的資源洩漏陷阱

class ResourceHolder {
    Handle* h1, *h2;
public:
    ResourceHolder() {
        h1 = acquire1();
        if (!h1) throw std::runtime_error("h1 failed");
        h2 = acquire2();
        if (!h2) { release(h1); throw std::runtime_error("h2 failed"); } // 必須手動釋放 h1
    }
    ~ResourceHolder() { release(h1); release(h2); } // 若建構完成會自動呼叫
};

鐵律：建構函數拋出異常前，**必須手動釋放已獲取資源**，因為析構函數**不會**被呼叫。

6. catch(...) 重新拋出

catch (...) {
    log_error();
    throw; // 保持原異常型別、原堆疊資訊重新拋出
}

四、 最佳實踐總結

1. **異常類別繼承 std::exception**，覆寫 what()
2. **以 const 參考捕獲**，按型別層級從派生到基底排序 catch
3. **避免拋出指標/新物件**，優先拋出值型別（臨時物件）
4. **資源獲取即初始化（RAII）**：智慧指標、容器、鎖包裝器自動管理資源，異常安全
5. **異常僅用於「異常狀況」**，非預期錯誤（檔案不存在、網路中斷），而非正常流程控制
6. **邊界轉換層**將 C 錯誤碼/OS 異常轉為 C++ 異常，內部統一異常模型

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