23、Java基础教程之异常捕获处理·下

• 本节学习目标
• 1️⃣ 断言机制基础概念
• • • 1.1 概念
  • 1.2 分类
• 2️⃣ 应用场景
• 3️⃣ 优点与注意事项
• 4️⃣ 语法和使用方法
• • 4.1 Java语法
• 4.2 实战：Java运行时断言
• 4.3 实战：Java编译时断言
• 5️⃣ 更多使用技巧
• 6️⃣ 自定义异常
• * 总结

本节学习目标

• 掌握断言机制的概念、作用与使用；
• 掌握如何自定义异常；

1️⃣ 断言机制基础概念

1.1 概念

断言机制是一种编程技术，用于在程序中检查和验证假设或前提条件是否为真。在软件开发过程中，断言常被用于确保程序代码按照预期执行，并且在遇到错误或异常情况时能够提供有用的诊断信息。

断言（Assertion）是一种在程序中插入的语句或函数，用于 检查特定的约束条件是否为真。断言可以用来测试代码的正确性，它强调了一些必须满足的前提条件或假设。如果断言失败（条件不成立），则程序会抛出异常，通常是断言异常。

1.2 分类

断言可以分为两种类型：编译时断言（静态断言）和运行时断言（动态断言）。

• 编译时断言
  编译时断言是在编译阶段进行的检查，在代码中使用特定的语法来声明一些条件，并在编译时验证这些条件是否满足。如果条件不满足，则编译过程会失败，产生编译错误。
  编译时断言通常用于对类型、常数或模板参数等进行静态检查，以确保其满足预期要求。它们在编译期间帮助捕捉常见的错误，并提供更早的错误反馈。

* 编译时断言主要是支持在静态类型语言中使用，其中一些语言提供了内置机制来实现编译时断言。以下是一些主要支持编译时断言的语言：

• C++: C++语言通过 static_assert 关键字支持编译时断言，该关键字用于在编译期间对表达式做静态检查；
• Ada: Ada语言具有强大的静态类型系统，并且支持使用断言（precondition、postcondition等）对程序的状态进行约束和验证。

注意这里列举的语言只是部分支持编译时断言的例子，并不代表完整的列表。还有其他一些语言可能提供自定义方式来实现编译时断言，例如使用注解处理器或宏系统。

值得注意的是，一些动态类型语言如Java、Python、JavaScript等，由于其特性限制，通常没有直接的支持编译时断言的机制，但可以通过类型检查工具、静态代码分析工具等增加对代码的静态验证。

• 运行时断言
  运行时断言是在程序执行阶段进行的检查，在代码中使用特定的语法来验证一些假设条件。如果条件不满足，则断言会触发异常并终止程序的执行。运行时断言通常用于验证程序逻辑、函数调用的参数合法性或其他运行时条件是否符合预期。

在Java中，断言机制属于运行时断言。Java的断言使用assert关键字来声明和使用。它允许程序员在代码中插入一些条件，用于验证程序的假设和前提条件是否满足。

无论是编译时断言还是运行时断言，它们的目标都是确保程序的正确性。然而，它们的应用场景和效果略有不同。编译时断言在编译期间进行，可以发现一些静态错误，提高代码的稳定性和可靠性。运行时断言则更侧重于在程序执行期间检查一些动态条件，提供更详细和具体的错误信息。

2️⃣ 应用场景

断言机制主要用于以下两个方面：

• 验证程序逻辑和假设：在代码中，我们通常会对一些表达式、变量或数据结构的状态作出假设，例如数组索引的合法性、代码的执行顺序等。通过断言来验证这些假设可以帮助我们捕捉到潜在的错误或问题；
• 辅助程序调试：断言是一种简单但有效的调试工具。通过在关键位置添加断言语句，可以在程序出现问题时快速定位并诊断错误。在开发和测试阶段中，使用断言可以更早地发现错误，并提供有关错误性质和位置的特定信息。

3️⃣ 优点与注意事项

断言机制有其独特的优点：

• 简化调试：断言能够帮助开发人员快速发现和确定错误出现的位置；
• 提高代码质量：在设计阶段验证假设可以提前发现错误和逻辑缺陷，从而改进和提高代码质量；
• 直接诊断错误：当断言条件不满足时，程序将立即停止执行，给出明确的错误提示信息，有助于准确定位问题。

但同时也需要注意一些方面：

• 仅用于调试阶段：断言通常仅在开发、测试和调试过程中启用。在部署到生产环境时，断言通常被禁用，以避免真实场景下可能的性能损失或安全风险。

总之，断言是一种强大的工具，通过合理使用可以提高代码质量，并帮助快速定位和修复错误。但同时也要注意规避应用于生产环境时，带来得性能损失或安全风险问题。

4️⃣ 语法和使用方法

在许多编程语言中，断言通常由一个关键字或特殊的函数来实现。下面是一些常见编程语言中的断言语法和使用方法的示例：

4.1 Java语法

在Java中，断言机制属于运行时断言。Java的断言使用assert关键字来声明和使用。它允许程序员在代码中插入一些条件，用于验证程序的假设和前提条件是否满足。

Java断言的语法如下：

// 使用assert关键字进行断言，两种方式：
assert condition;
assert condition : message;

condition表示断言条件，这两种形式都会对条件进行检测，当断言条件为真（true）时，程序会继续执行。 当断言条件为假（false），则断言失败, 则抛出一个 AssertionError 异常并终止程序的执行。

在第二种形式中，message表示一个异常信息表达式，表达式将被传入 AssertionError 的构造器， 并转换成一个消息字符串。

这使得断言在运行时能够帮助开发人员快速发现问题，并提供有关断言失败处的信息，便于诊断和调试。

需要注意的是，默认情况下，Java虚拟机不会启用断言。要在Java程序中使用断言，需确保在运行程序时使用 -ea 或 -enableassertions 参数来启用断言功能。例如：

java -ea MyClass

注意，这些示例只是一个演示版本的伪代码，并不包括完整的异常处理机制和错误消息输出。

4.2 实战：Java运行时断言

以下是一个Java使用运行时断言的示例：

//	范例 1：使用运行时断言
public class AssertDemo {
   
     
    public static void main(String[] args) {
   
     
        int divide = divide(5, 2);
        System.out.println(divide);

        divide = divide(5, 0);
        System.out.println(divide);
    }

    public static int divide(int a, int b) {
   
     
        assert b != 0 : "除数不能为零";
        return a / b;
    }
}

运行结果：

2
Exception in thread "main" java.lang.AssertionError: 除数不能为零
	at net.xiaoshan.AssertDemo.divide(AssertDemo.java:23)
	at net.xiaoshan.AssertDemo.main(AssertDemo.java:10)

代码说明：

这段演示代码的主要功能是进行除法运算，并通过断言来验证除数是否为零。

我在 main 方法中进行了两次除法运算并输出结果。
第一次调用 divide 方法时，传入了合法的参数值（5和2），由于除数不为零，断言条件 b != 0 是满足的，所以程序正常执行，将结果2打印出来。
但第二次调用 divide 方法时，传入了非法的参数（5和0），此时断言条件 b != 0 不满足，因此断言失败。根据断言的定义，程序会抛出 AssertionError 异常并终止执行。

代码示例中的断言语句 assert b != 0 : "除数不能为零"; 声明了一个断言条件，并提供了一个错误信息字符串。如果断言条件不满足，程序会根据断言的开启状态（通过 -ea 或 -enableassertions 启用）抛出异常或忽略。

通过这段代码，我们可以看到断言在检查除数是否为零方面的作用。它帮助开发人员及早地捕获错误情况，并提供有用的错误消息，有助于调试和排查问题。

但在生产环境中，默认情况下断言是被禁用的，并且不会执行断言检查，因此它不适合用作一种常规的错误处理机制，而更适合在开发和测试阶段使用。

如果一定要在生产环境中使用断言，可以对代码进行一些优化，包括异常处理和更具表现力的错误信息。

以下是一个优化后的Java使用运行时断言的示例：

//	范例 2：优化后的使用运行时断言
public class AssertDemo {
   
     
    public static void main(String[] args) {
   
     
        try {
   
     
        	// 调用 divide 方法，并将返回值赋给变量 divide
            int divide = divide(5, 2);
            System.out.println(divide);

			// 再次调用 divide 方法，并将返回值赋给 divide 变量
            // 在此处会发生异常，因为除法运算中的除数为 0
            divide = divide(5, 0);
            System.out.println(divide);
        }catch (IllegalArgumentException e){
   
     
        	// 捕获 IllegalArgumentException 类型的异常并打印异常信息
            System.out.println("Error: " + e.getMessage());
        }
    }

    public static int divide(int a, int b){
   
     
        try {
   
     
        	// 使用断言（assert）来确保除数不为零
            assert b != 0 : "除数不能为零";
        }catch (AssertionError e){
   
     
        	// 如果断言失败，抛出 IllegalArgumentException 异常
            throw new IllegalArgumentException("除数不能为零");
        }
        return a / b;
    }
}

运行结果：

2
Error: 除数不能为零

4.3 实战：Java编译时断言

在Java语言中，并没有内置的编译时断言机制。然而，通过使用Java的注解处理器和自定义的注解，可以实现类似于编译时断言的功能。

下面是一个示例，演示如何使用Java的注解处理器和自定义的注解来实现编译时断言：

首先，创建一个自定义的注解 @CompileTimeAssert，用于标记需要进行编译时断言检查的代码块：

//	范例 3：编译时断言——创建一个自定义的注解
import java.lang.annotation.*;

@Retention(RetentionPolicy.SOURCE)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface CompileTimeAssert {
   
     
}

代码解释：

• 首先用 import 导入了 java.lang.annotation 包中的所有类，这个包是用于处理注解的核心包。
• @Retention 注解指定了被注解元素（即被 CompileTimeAssert 注解修饰的对象）在何时有效。在这里，设置为 RetentionPolicy.SOURCE 表示该注解只保留在源代码中，在编译后不会存在于编译后的字节码文件中。
• @Target 注解指定了该注解可以被应用在哪些类型的元素上。在这里，ElementType.METHOD 表示该注解可以应用在方法上。
• @interface 关键字表明这是一个注解的声明。CompileTimeAssert 是注解的名称。因为没有定义任何成员变量或方法，所以括号内为空。这个自定义注解可以用来标记方法，并在源代码级别提供一种静态验证的方法。

然后，在项目中编写一个注解处理器 CompileTimeAssertProcessor，使用注解处理器 API 来检查被 @CompileTimeAssert 注解标记的方法是否符合预期：

//	范例 3：编译时断言——注解处理器
import javax.annotation.processing.*;
import javax.lang.model.SourceVersion;
import javax.lang.model.element.*;
import javax.tools.Diagnostic;
import java.util.Set;

@SupportedAnnotationTypes("CompileTimeAssert")
@SupportedSourceVersion(SourceVersion.RELEASE_8)
public class CompileTimeAssertProcessor extends AbstractProcessor {
   
     
    @Override
    public boolean process(Set<? extends TypeElement> annotations, RoundEnvironment roundEnv) {
   
     
        for (Element element : roundEnv.getElementsAnnotatedWith(CompileTimeAssert.class)) {
   
     
            if (element.getKind() != ElementKind.METHOD) {
   
     
                processingEnv.getMessager().printMessage(Diagnostic.Kind.ERROR, "@CompileTimeAssert can only be applied to methods", element);
            } else {
   
     
                // 进行编译时断言的检查逻辑
                // 检查方法内部的某些条件或约束是否满足，如果不满足则输出错误信息
                // 例如，可以检查方法的参数个数是否是偶数，并给出相应的编译错误信息
                ExecutableElement method = (ExecutableElement) element;
                int parameterCount = method.getParameters().size();
                if (parameterCount % 2 != 0) {
   
     
                    processingEnv.getMessager().printMessage(Diagnostic.Kind.ERROR, "Method must have an even number of parameters", element);
                }
            }
        }
        return true;
    }
}

代码解释：

• @SupportedAnnotationTypes 注解指定了该注解处理器支持处理的注解类型。在这里，它指定为处理名为 CompileTimeAssert 的注解。
• @SupportedSourceVersion 注解指定了该注解处理器支持的源代码版本。在这里，它指定为支持 Java 8 版本。
• 自定义的注解处理器类 CompileTimeAssertProcessor 继承自 AbstractProcessor类，并实现了process 方法，该方法是用来处理注解的核心方法。在这个方法中，会遍历被 @CompileTimeAssert 注解修饰的元素，并针对每个元素执行相应的逻辑。
• 首先判断被注解元素的类型是否为方法，如果不是，则使用 processingEnv.getMessager().printMessage() 方法打印一个错误消息到编译器消息输出。否则，进入 else 分支，执行编译时断言的检查逻辑。
• 检查逻辑中，检查了方法的参数个数是否为偶数，如果不满足，则使用 processingEnv.getMessager().printMessage() 方法打印一个错误消息。
• 最后，process 方法返回 true，表示注解处理已经完成。

用法示例：

//	范例 3：编译时断言——使用注解
public class MyClass {
   
     
    @CompileTimeAssert
    public static void myMethod(String arg1, String arg2, String arg3) {
   
     
         System.out.println(arg1 + arg2 + arg3);
    }

    public static void main(String[] args) {
   
     
        myMethod("Hello", "World", "!"); // 编译报错，因为参数个数不是偶数
    }
}

在上述示例中，通过自定义注解 @CompileTimeAssert 和注解处理器 CompileTimeAssertProcessor，我们为Java代码添加了一种类似于编译时断言的机制。使用 @CompileTimeAssert 注解标记的方法会在编译期间被注解处理器检查，如果条件不符合预期，则会产生编译错误。

需要注意的是，这只是一个简单的示例，实际使用时可能需要更复杂的逻辑和更全面的使用注解处理器 API，以满足具体的需求。

5️⃣ 更多使用技巧

合理使用断言可以提高代码的可读性和可维护性。以下是一些技巧：

1、 明确的错误信息：在断言失败时，提供清晰、详细的错误信息，以便更好地诊断和修复问题；
2、 适量的断言：只在关键位置添加断言，以避免在生产环境中造成性能损失过多的断言可能会导致代码冗长且难以维护；
3、 细粒度的断言：将断言分解为更小的部分，这样可以快速定位问题所在的具体位置；
4、 与异常处理结合使用：将断言作为异常处理的一部分，以提供更加灵活和强大的错误处理机制；

通过合理地使用断言机制，并结合其他调试技术，开发人员可以提高代码质量和可维护性，及时发现和解决潜在的问题。同时，还应该根据具体的编程语言和项目需求来使用断言，并遵循相应的最佳实践和编码规范。

同时，需要注意在生产环境中慎用或禁用断言，以避免不必要的性能损失。

6️⃣ 自定义异常

Java 本身已经提供了大量的异常，但是这些异常在实际的工作中可能并不够使用，例如：当你要执行数据增加操作时，有可能会出现一些错误的数据，而这些错误的数据一旦出现就应该抛出异常(如 AddException)， 但是这样的异常 Java 并没有，所以就需要由用户自己去开发一个自己的异常类。

如果要想实现自定义异常类，只需要继承 Exception (强制性异常处理) 或 RuntimeException (选择性异常处理)父类即可。

//	范例 4：定义及使用AddException
package com.xiaoshan.demo;

class AddException extends Exception {
   
                 //此异常类要强制处理
	public AddException(String msg){
   
     
		super(msg);                                                           //调用父类构造
	}
}

public class TestDemo {
   
     
	public static void main(String args[]){
   
     
		int num = 20;
		try{
   
     
			if (num>10){
   
                                       //出现了错误，应该产生异常
				throw new AddException("数值传递的过大!");
			}
		} catch (Exception e){
   
     
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

程序执行结果：

com.xiaoshan.demo.AddException: 数值传递的过大!
	at com.xiaoshan.demo.TestDemo.main(TestDemo. java:13)

此程序使用一个自定义的 AddException 类继承了 Exception, 所以此类为一个异常表示类，因此用户就可以在程序中使用 throw 进行异常对象的抛出。

如果用户要自己做一个项目的开发架构，肯定会使用到自定义异常类的操作。例如：现在要求用户自己输入注册信息，但是注册的用户名长度必须是 6~15位，超过此范围就要抛出异常，然而这样的异常肯定不会由Java默认提供，那么就需要用户自己进行定义，像以后大家学习Mybatis、Spring 等框架时会遇见大量的新的异常类，都是按此格式定义出来的。

* 总结

通过本章节的探索，我们了解了Java中异常的概念及其处理方式。学习了try、catch、finally、throws 和 throw 等关键字的用法，以及异常处理流程的说明。我们还了解了异常处理的标准格式，并深入探讨了RuntimeException类。

异常处理的核心在于捕获并处理程序执行过程中可能出现的错误情况。通过使用 try 块来包裹可能引发异常的代码，通过catch块来捕获并处理异常的类型，而 finally块则为无论是否发生异常都需要执行的代码提供了一个机会。

另外，我们了解到RuntimeException类是一种特殊的异常类，它不要求显式地使用 throws 进行声明，开发者在编写代码时也不需要强制捕获或处理这些异常。但是，我们需要谨慎对待RuntimeException，确保它们不会导致程序崩溃或隐藏潜在的Bug。

同时，我们介绍了断言机制Assertion，它是一种用于在程序开发和调试过程中验证假设的工具。它可以帮助我们在程序中插入断言，当条件不满足时抛出AssertionError异常。

最后，我们探讨了自定义异常的方法。通过创建用户自定义的异常类，我们可以更好地理解和表达程序中的特定异常情况，提高代码的可读性和可维护性。

通过理解并掌握异常处理的概念、处理流程、标准格式以及RuntimeException类、断言机制和自定义异常的使用，我们可以在编写Java程序时更加灵活地处理和管理异常情况，提高程序的健壮性和可靠性。

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