【C++】异常

1.C语言传统的处理错误的方式

传统的错误处理机制：

1. 终止程序，如assert，缺陷：用户难以接受。如发生内存错误，除0错误时就会终止程序。
2. 返回错误码，缺陷：需要程序员自己去查找对应的错误。如系统的很多库的接口函数都是通过把错误码放到errno中，表示错误

实际中C语言基本都是使用返回错误码的方式处理错误，部分情况下使用终止程序处理非常严重的错误。

C++更喜欢用异常来处理错误。

2.C++异常概念

异常是一种处理错误的方式，当一个函数发现自己无法处理的错误时就可以抛出异常，让函数的直接或间接的调用者处理这个错误。

• throw: 当问题出现时，程序会抛出一个异常。这是通过使用 throw 关键字来完成的。
• catch: 在您想要处理问题的地方，通过异常处理程序捕获异常.catch 关键字用于捕获异常，可以有多个catch进行捕获。
• try: try 块中的代码标识将被激活的特定异常,它后面通常跟着一个或多个 catch 块。

thorw抛异常抛的的是一个任意类型对象。catch捕捉异常注意一定要类型匹配，否则就出错。

如果有一个块抛出一个异常，捕获异常的方法会使用 try 和 catch 关键字。try 块中放置可能抛出异常的代码，try 块中的代码被称为保护代码。使用 try/catch 语句的语法如下所示：

try
{
  // 保护的标识代码
}catch( ExceptionName e1 )
{
  // catch 块
}catch( ExceptionName e2 )
{
  // catch 块
}catch( ExceptionName eN )
{
  // catch 块
}
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我们先看看异常怎么用的，再说其他细节！

下面这段代码出现除0错误程序就会终止。但我不想让程序终止，因此当被除数为0就抛一个异常，很简单就是用throw后面加一个对象，可以是任意类型对象如int、string等等。后面catch对异常进行捕获。

double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
		throw "Division by zero condition!";
	else
		return ((double)a / (double)b);
}
void Func()
{
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Division(len, time) << endl;
}

int main()
{
	try {
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	return 0;
}
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下面以调试的方式看看没有异常发生程序是怎么走的。

可以看到当没有抛异常发生时候，就会跳过catch这一句。

再看发生异常怎么走的。

可以看到当抛除异常的时候后面代码就不会在执行了，本来division执行完会回到Func的，而现在会直接跳转到catch然后往下在顺序走。注意没有catch就会报错。

异常相比于C语言错误的优势在于。C语言返回的是错误码1、2、3等等，还需要去查错误码表。而这里直接告诉错误是什么。

3.异常的使用

异常的抛出和匹配原则

1.异常是通过抛出对象而引发的，该对象的类型决定了应该激活哪个catch的处理代码。

实际上可能会有多个catch进行捕捉，但是即使有多个catch，只会进类型匹配的catch。并且只会进一个catch，其他catch的都会跳过。
注意捕获只会捕捉try里面的对象。

如果catch类型不匹配会发生什么事情？

double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
		throw "Division by zero condition!";
	else
		return ((double)a / (double)b);
}
void Func()
{
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Division(len, time) << endl;
}

int main()
{
	try {
		Func();
	}
	catch (char* errmsg)//抛出的是一个const char*，而catch这里是char*
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (int errid)
	{
		cout << errid << endl;
	}
 
	return 0;
}
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注意，当抛除一个异常没有任何类型可以匹配，就会直接终止程序。

并且也不允许两个相同类型catch进行捕获！

2.被选中的处理代码是调用链中与该对象类型匹配且离抛出异常位置最近的那一个。

两个条件一个是类型匹配我们已经知道了，第二个是离抛出异常位置最近我们看一看。

看下面代码，现在Func中也有catch，main也有catch，会走哪一个？如果catch之后后面代码如何执行？

double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
		throw "Division by zero condition!";
	else
		return ((double)a / (double)b);
}
void Func()
{
	try{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl;
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	
	cout<<"1111111"<<endl;
}

int main()
{
	try {
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (int errid)
	{
		cout << errid << endl;
	}
 
	return 0;
}
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这里涉及调用链的概念，栈帧的调用就是它所说的调用链。

调用链中与该对象类型匹配且离抛出异常位置最近的那一个。

异常只要被捕获，后面都是正常执行的了，注意只捕获一次！即使其他调用链还有捕获也不会就进去。

在看下面的问题。
如果中间不捕获会发生什么问题？

double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
		throw "Division by zero condition!";
	else
		return ((double)a / (double)b);
}
void Func()
{
	int* p = new int[10];

	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Division(len, time) << endl;

	cout << "delete" << p << endl;
	delete[] p;

}

int main()
{
	try {
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (int errid)
	{
		cout << errid << endl;
	}
 
	return 0;
}
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这是不是铁铁的内存泄露啊，因为直接跳转到catch了。
现在异常来了对new，delete，malloc,free造成了极大的困扰。以前所说的内存泄露是忘记释放了，现在即使自己写了可能执行不了，因为中间那部分可能会抛异常，这就很难受！

这里有两种解决方式。
最简单的就是把异常捕获掉。

}
void Func()
{
	int* p = new int[10];

	try{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl;
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}

	cout << "delete" << p << endl;
	delete[] p;
}
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万一期望在最外面地方mian中进行统一捕获，记录日志，进行统一处理。怎么做？

日志是一个很好的东西。第一调试只能在debug版本，release版本没法调试。第二公司代码很长小一点就几万行几十万行，大一点几百万几千万都有，调试就只是很微小的手段。所以使用日志把错误记录下来，然后通过日志逐个分析追溯问题。

double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
		throw "Division by zero condition!";
	else
		return ((double)a / (double)b);
}
void Func()
{
	int* p = new int[10];

	try{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl;
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		//cout << errmsg << endl;
		cout << "delete" << p << endl;
		delete[] p;

		throw errmsg;//重新抛除
	}
}

int main()
{
	try {
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		//记录日志,进行统一处理
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (int errid)
	{
		cout << errid << endl;
	}
 

	return 0;
}
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这种方法很不好，后面有一种专门解决这里的问题方式智能指针，后面学到再说。

再看其他的问题。
可能不止一个函数会抛异常，如func也会抛异常，如果这里写很多catch就很难受。

void Func()
{
	int* p = new int[10];

	try{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl; //throw  const char*对象
		//func()  throw  double对象
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		//cout << errmsg << endl;
		cout << "delete" << p << endl;
		delete[] p;

		throw errmsg;//重新抛除
	}
}
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因此这里可以这样写

void Func()
{
	int* p = new int[10];

	try{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl; //throw  const char*
		//func()  throw  double
	}
	catch (...)//...表示可以捕获任意类型异常,缺点就是不知道捕获什么类型对象
	{
		cout << "delete" << p << endl;
		delete[] p;
		//因此可以这样写
		throw;//重新抛除,捕获到什么就抛除什么
	}
	
}
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3.抛出异常对象后，会生成一个异常对象的拷贝，因为抛出的异常对象可能是一个临时对象，所以会生成一个拷贝对象，这个拷贝的临时对象会在被catch以后销毁。（这里的处理类似于函数的传值返回）

double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		string str("Division by zero condition!");
		throw str;//抛异常，抛出一个临时对象，出了作用域就销毁了
	}
	else
	{
		return ((double)a / (double)b);
	}
}

void Func()
{
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Division(len, time) << endl; 
}

int main()
{
	try {
		Func();
	}
	catch (const string& s)//这里尽量用&,不然就是一个拷贝了
	{
		//这里捕获的s是临时对象str吗？
		//并不是，捕获的是str的拷贝。所以说的是类似于函数的传值返回
		//以前没有移动构造效率有点低，现在编译器在识别str会把它识别成一个将亡值就会调用移动构造效率还是可以的
		//不管是深拷贝还是移动构造，这里catch拿到的都是一个拷贝并不是本身。
		cout << s << endl;
	}
	catch (int errid)
	{
		cout << errid << endl;
	}
 
	return 0;
}
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4.catch(…)可以捕获任意类型的异常，问题是不知道异常错误是什么。

int main()
{
	try {
		Func();
	}
	catch (int errid)
	{
		cout << errid << endl;
	}

	return 0;
}
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别人乱抛异常，但是类型不匹配，程序就会终止。
但是即使类型不匹配，也不希望程序被随意终止。
就如使用微信发信息但是没发出去，原因有很多。可能别人给你删了，可能因为网络不好发不出去。也不可能因为没捕获到这里异常就把微信给退了。

int main()
{
	try {
		Func();
	}
	catch (int errid)
	{
		cout << errid << endl;
	}
	catch (...)//类型不匹配走这里，不至于让程序退出。别人的程序可能在一个循环里面并不像这里捕获了然后退出了。
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}

	return 0;
}
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5.实际中抛出和捕获的匹配原则有个例外，并不都是类型完全匹配，可以抛出的派生类对象，使用基类捕获，这个在实际中非常实用。下面我们在看

打个比方，有一个项目组里有30个人，这里会有这样的问题，每个人都抛一个异常，那该怎么办？那不是把最外面捕获异常的人搞死了。
这个时候就有这个终极解决方式，就是第5条。可以抛派生类用基类捕获。而且还能玩多态。这是多数人的选择。

在函数调用链中异常栈展开匹配原则

1. 首先检查throw本身是否在try块内部，如果是再查找匹配的catch语句。如果有匹配的，则调到catch的地方进行处理。

自己这个地方也可以try catch但是一般不这么做。

double Division(int a, int b)
{
	try {
		// 当b == 0时抛出异常
		if (b == 0)
		{
			string str("Division by zero condition!");
			throw str;//抛string对象
		}
		else
		{
			return ((double)a / (double)b);
		}
	}
	catch (const string& s)
	{
		cout << s << endl;
	}

}
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2. 没有匹配的catch则退出当前函数栈，继续在调用函数的栈中进行查找匹配的catch。
3. 如果到达main函数的栈，依旧没有匹配的，则终止程序。上述这个沿着调用链查找匹配的catch子句的过程称为栈展开。所以实际中我们最后都要加一个catch(…)捕获任意类型的异常，否则当有异常没捕获，程序就会直接终止。
4. 找到匹配的catch子句并处理以后，会继续沿着catch子句后面继续执行。

异常的重新抛出

有可能单个的catch不能完全处理一个异常，在进行一些校正处理以后，希望再交给更外层的调用链函数来处理，catch则可以通过重新抛出将异常传递给更上层的函数进行处理。这个在前面我们见过。

异常安全

• 构造函数完成对象的构造和初始化，最好不要在构造函数中抛出异常，否则可能导致对象不完整或没有完全初始化

构造函数有10个对象，只初始了5个抛了一个异常就跳转走了。

• 析构函数主要完成资源的清理，最好不要在析构函数内抛出异常，否则可能导致资源泄漏(内存泄漏、句柄未关闭等)

可能析构函数跑了一半，然后在中间抛了一个异常导致资源泄漏。

• C++中异常经常会导致资源泄漏的问题，比如在new和delete中抛出了异常，导致内存泄漏，在lock和unlock之间抛出了异常导致死锁，C++经常使用RAII来解决以上问题，关于RAII我们智能指针在细说。

异常规范

1. 异常规格说明的目的是为了让函数使用者知道该函数可能抛出的异常有哪些。 可以在函数的后面接throw(类型)，列出这个函数可能抛掷的所有异常类型。
2. 函数的后面接throw()，表示函数不抛异常。
3. 若无异常接口声明，则此函数可以抛掷任何类型的异常。

C++98这套抛异常复杂，也没有强制形同虚设。

// 这里表示这个函数会抛出A/B/C/D中的某种类型的异常
void fun() throw(A，B，C，D);
// 这里表示这个函数只会抛出bad_alloc的异常
void* operator new (std::size_t size) throw (std::bad_alloc);
// 这里表示这个函数不会抛出异常
void* operator delete (std::size_t size, void* ptr) throw();
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C++11加了一个异常规范，也不需要你到底会不会抛异常而简化一下，不抛异常就把noexcept加上。那就知道你不会抛异常。但是编译器还是会检测一下给一个警告。没加noexcept就可能抛异常那就需要小心了。

// C++11 中新增的noexcept，表示不会抛异常
thread() noexcept;
thread (thread&& x) noexcept;
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4.自定义异常体系

实际使用中很多公司都会自定义自己的异常体系进行规范的异常管理，因为一个项目中如果大家随意抛异常，那么外层的调用者基本就没办法玩了，所以实际中都会定义一套继承的规范体系。这样大家抛出的都是继承的派生类对象，捕获一个基类就可以了。

// 服务器开发中通常使用的异常继承体系
class Exception
{
public:
	Exception(const string& errmsg, int id)
		:_errmsg(errmsg)
		, _id(id)
	{}
	virtual string what() const
	{
		return _errmsg;
	}
protected:
	string _errmsg;
	int _id;
};
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这个基类至少要包含两个信息，一个id一个字符串，这个字符串描述了错误信息，这个id要给这些错误编个码主要用于对于某些错误进行特殊处理，就比如一个微信聊天，如果你被别人删了发信息就直接给一个感叹号，还有一种可能就是网络错误发不出去，出现网络错误可能不是直接报错，可能会多尝试几次，如果超过10次都没发出去就报错。

下面我们看一段代码。搞出一些派生类对基类的继承。

以数据库层的异常为例解释说明，继承基类然后在搞一个_sql。根据以前的知识，派生类初始化基类调用基类的构造初始化，然后在调用一个自己的。同时父还搞了一个虚函数，子类重写了虚函数。

class Exception//基类
{
public:
	Exception(const string& errmsg, int id)
		:_errmsg(errmsg)
		, _id(id)
	{}
	
	virtual string what() const
	{
		return _errmsg;
	}
	
protected:
	string _errmsg;
	int _id;
};

//数据库
class SqlException : public Exception
{
public:
	SqlException(const string& errmsg, int id, const string& sql)
		:Exception(errmsg, id)
		, _sql(sql)
	{}
	
	virtual string what() const
	{
		string str = "SqlException:";//这里搞出一个标识，表面着那个模块的异常
		str += _errmsg;
		str += "->";
		str += _sql;
		return str;
	}
	
private:
	const string _sql;
};

//缓存
class CacheException : public Exception
{
public:
	CacheException(const string& errmsg, int id)
		:Exception(errmsg, id)
	{}

	virtual string what() const
	{
		string str = "CacheException:";
		str += _errmsg;
		return str;
	}

};


class HttpServerException : public Exception
{
public:
	HttpServerException(const string& errmsg, int id, const string& type)
		:Exception(errmsg, id)
		, _type(type)
	{}
	
	virtual string what() const
	{
		string str = "HttpServerException:";
		str += _type;
		str += ":";
		str += _errmsg;
		return str;
	}
	
private:
	const string _type;
};

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下面模拟一些抛异常，也是继承和多态的应用。

void SQLMgr()
{
	srand(time(0));
	if (rand() % 7 == 0)
	{
		throw SqlException("权限不足", 100, "select * from name = '张三'");
	}
	
	cout << "调用成功" << endl;
}

void CacheMgr()
{
	srand(time(0));
	if (rand() % 5 == 0)
	{
		throw CacheException("权限不足", 100);
	}
	else if (rand() % 6 == 0)
	{
		throw CacheException("数据不存在", 101);
	}
	SQLMgr();
}

void HttpServer()
{
	// 模拟发生错误
	srand(time(0));
	if (rand() % 3 == 0)
	{
		throw HttpServerException("请求资源不存在", 100, "get");
	}
	else if (rand() % 4 == 0)
	{
		throw HttpServerException("权限不足", 101, "post");
	}
	CacheMgr();
}

int main()
{
	while (1)
	{
		Sleep(1000);
		try {
			HttpServer();
		}
		catch (const Exception& e) // 这里捕获父类对象就可以
		{
			//满足多态调用，看父类的引用引用的是那个子类就调用那个子类的what()。就可以看到哪里出现问题，
			cout << e.what() << endl;
		}
		catch (...)//最后一道防线，以防别人乱抛异常
		{
			cout << "Unkown Exception" << endl;
		}
	}
	return 0;
}
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这里就很清楚的知道到底是谁发生了错误并且是什么错误，每个组需要自己的异常也没关系你自己去继承，然后你想加什么成员都随你。

一般只需要捕获两个东西就可以，一个是捕捉基类，一个是捕获未知异常，万一有人没有按规范去走，不至于让服务奔溃，只是这一次请求失败了。
如果没有捕捉未知异常程序就可能会奔溃。

同时捕获父类和子类可以吗？
是可以的。

int main()
{
	while (1)
	{
		Sleep(1000);
		try {
			HttpServer();
		}
		catch (const Exception& e) // 这里捕获父类对象就可以
		{
			// 多态
			cout << e.what() << endl;
		}
		catch (const CacheException& e)
		{
			cout << "11111111" << e.what() << endl;
		}
		catch (...)
		{
			cout << "Unkown Exception" << endl;
		}
	}
	return 0;
}
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在猜一猜会不会走下面的CacheException呢？
可以看到并不会走CacheException。

如果把CacheException放在上面呢？
可以看到谁在上面调用谁，但是一般不这样做，除非想对CacheException异常进行特殊处理。

5.C++标准库的异常体系

C++ 提供了一系列标准的异常，定义在 中，我们可以在程序中使用这些标准的异常。它们是以父子类层次结构组织起来的，如下所示：

说明：实际中我们可以可以去继承exception类实现自己的异常类。但是实际中很多公司像上面一样自己定义一套异常继承体系。因为C++标准库设计的不够好用。

int main()
{
	try {
		vector<int> v(10, 5);
		// 这里如果系统内存不够也会抛异常
		v.reserve(1000000000);
		// 这里越界会抛异常
		v.at(10) = 100;
	}
	catch (const exception& e) // 这里捕获父类对象就可以
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "Unkown Exception" << endl;
	}
	return 0;
}
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像上面自定义异常体系我们也可以加一个这样的catch

int main()
{
	while (1)
	{
		Sleep(1000);
		try {
			HttpServer();
		}
		catch (const Exception& e) // 这里捕获父类对象就可以
		{
			// 多态
			cout << e.what() << endl;
		}
		catch (const exception& e)//C++标准库的异常体系
		{
			cout << e.what() << endl;
		}
		catch (...)
		{
			cout << "Unkown Exception" << endl;
		}
	}
	return 0;
}
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6.异常的优缺点

C++异常的优点：

1. 异常对象定义好了，相比错误码的方式可以清晰准确的展示出错误的各种信息，甚至可以包含堆栈调用的信息，这样可以帮助更好的定位程序的bug。
2. 返回错误码的传统方式有个很大的问题就是，在函数调用链中，深层的函数返回了错误，那么我们得层层返回错误，最外层才能拿到错误，具体看下面的详细解释。

// 1.下面这段伪代码我们可以看到ConnnectSql中出错了，先返回给ServerStart，
//ServerStart再返回给main函数，main函数再针对问题处理具体的错误。
// 2.如果是异常体系，不管是ConnnectSql还是ServerStart及调用函数出错，都不用检查，
//因为抛出的异常异常会直接跳到main函数中catch捕获的地方，main函数直接处理错误。
int ConnnectSql()
{
	// 用户名密码错误
	if (...)
		return 1;

	// 权限不足
	if (...)
		return 2;
}

int ServerStart() {
	if (int ret = ConnnectSql() < 0)
		return ret;
	int fd = socket()
		if（fd < 0）
		return errno;
}

int main()
{
	if (ServerStart() < 0)
		...

		return 0;
}
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3. 很多的第三方库都包含异常，比如boost、gtest、gmock等等常用的库，那么我们使用它们也需要使用异常。
4. 部分函数使用异常更好处理，比如构造函数没有返回值，不方便使用错误码方式处理。比如T& operator这样的函数，如果pos越界了只能使用异常或者终止程序处理，没办法通过返回值表示错误。

T& operator[](size_t pos)
{
	//这里用不上返回错误码的方式，要不就是用断言要不就是抛异常
	//如果返回错误码返回的是T()，万一某个位置的值就是缺省对象呢？
	if (pos >= _size)
		throw out_of_range("越界访问");

	return _start[pos];
}
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C++异常的缺点：

1. 异常会导致程序的执行流乱跳，并且非常的混乱，并且是运行时出错抛异常就会乱跳。这会导致我们跟踪调试时以及分析程序时，比较困难。
2. 异常会有一些性能的开销。当然在现代硬件速度很快的情况下，这个影响基本忽略不计。
3. C++没有垃圾回收机制，资源需要自己管理。有了异常非常容易导致内存泄漏、死锁等异常安全问题。这个需要使用RAII来处理资源的管理问题。学习成本较高。
4. C++标准库的异常体系定义得不好，导致大家各自定义各自的异常体系，非常的混乱。
5. 异常尽量规范使用，否则后果不堪设想，随意抛异常，外层捕获的用户苦不堪言。所以异常规范有两点：一、抛出异常类型都继承自一个基类。二、函数是否抛异常、抛什么异常，都使用 func（） noexcept;的方式规范化。

总结：异常总体而言，利大于弊，所以工程中我们还是鼓励使用异常的。另外其他的语言基本都是用异常处理错误，这也可以看出这是大势所趋。