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Java面试02——详解异常处理及常见的面试题

分类: 文章 • 2024-09-06 08:00:34

前言

这篇文章，南国想写一篇关于异常处理的文章，关于异常处理在日常学习中经常遇到。在IT互联网公司的面试中，如果你想从事java开发相关的工作 或者简历有写最擅长的编程语言是java时，这也是一道高频次的出题。 话不多说，干货送上。。

异常

异常指不期而至的各种状况，如：文件找不到、网络连接失败、除0操作、非法参数等。异常是一个事件，它发生在程序运行期间，干扰了正常的指令流程。

Java语言在设计的当初就考虑到这些问题，提出异常处理的框架的方案，所有的异常都可以用一个异常类来表示，不同类型的异常对应不同的子类异常（目前我们所说的异常包括错误概念），定义异常处理的规范，在JDK1.4版本以后增加了异常链机制，从而便于跟踪异常。

Java异常是一个描述在代码段中发生异常的对象，当发生异常情况时，一个代表该异常的对象被创建并且在导致该异常的方法中被抛出，而该方法可以选择自己处理异常或者传递该异常。

Java把异常当作对象来处理，并定义一个基类java.lang.Throwable作为所有异常的超类。
在Java API中已经定义了许多异常类，这些异常类分为两大类，错误Error和异常Exception。
Java面试02——详解异常处理及常见的面试题
从图中可以看出所有异常类型都是内置类Throwable的子类(当然Object类是Java中所有类的父类)，因而Throwable在异常类的层次结构的顶层。接下来Throwable分成了两个不同的分支，一个分支是Error，它表示不希望被程序捕获或者是程序无法处理的错误。另一个分支是Exception，它表示用户程序可能捕捉的异常情况或者说是程序可以处理的异常。其中异常类Exception又分为运行时异常(RuntimeException)和非运行时异常。Java异常又可以分为不受检查异常（Unchecked Exception）和检查异常（Checked Exception）。下面将详细讲述这些异常之间的区别与联系：

Error：Error类对象由 Java 虚拟机生成并抛出，大多数错误与代码编写者所执行的操作无关。例如，Java虚拟机运行错误（Virtual MachineError），当JVM不再有继续执行操作所需的内存资源时，将出现 OutOfMemoryError。这些异常发生时，Java虚拟机（JVM）一般会选择线程终止；还有发生在虚拟机试图执行应用时，如类定义错误（NoClassDefFoundError）、链接错误（LinkageError）。这些错误是不可查的，因为它们在应用程序的控制和处理能力之 外，而且绝大多数是程序运行时不允许出现的状况。对于设计合理的应用程序来说，即使确实发生了错误，本质上也不应该试图去处理它所引起的异常状况。在Java中，错误通常是使用Error的子类描述。

Exception：在Exception分支中有一个重要的子类RuntimeException（运行时异常），该类型的异常自动为你所编写的程序定义ArrayIndexOutOfBoundsException（数组下标越界）、NullPointerException（空指针异常）、ArithmeticException（算术异常）、MissingResourceException（丢失资源）、ClassNotFoundException（找不到类）等异常，这些异常是不检查异常，程序中可以选择捕获处理，也可以不处理。这些异常一般是由程序逻辑错误引起的，程序应该从逻辑角度尽可能避免这类异常的发生；
而RuntimeException之外的异常我们统称为非运行时异常，类型上属于Exception类及其子类，从程序语法角度讲是必须进行处理的异常，如果不处理，程序就不能编译通过。如IOException、SQLException等以及用户自定义的Exception异常，一般情况下不自定义检查异常。

检查异常：在正确的程序运行过程中，很容易出现的、情理可容的异常状况，在一定程度上这种异常的发生是可以预测的，并且一旦发生该种异常，就必须采取某种方式进行处理。
除了RuntimeException及其子类以外，其他的Exception类及其子类都属于这种异常，当程序中可能出现这类异常，要么使用try-catch语句进行捕获，要么用throws子句抛出，否则编译无法通过。

不受检查异常：包括RuntimeException及其子类和Error。
不受检查异常为编译器不要求强制处理的异常，检查异常则是编译器要求必须处置的异常。

Java 异常的处理机制

Java的异常处理本质上是抛出异常和捕获异常。

抛出异常：要理解抛出异常，首先要明白什么是异常情形（exception condition），它是指阻止当前方法或作用域继续执行的问题。其次把异常情形和普通问题相区分，普通问题是指在当前环境下能得到足够的信息，总能处理这个错误。对于异常情形，已经无法继续下去了，因为在当前环境下无法获得必要的信息来解决问题，你所能做的就是从当前环境中跳出，并把问题提交给上一级环境，这就是抛出异常时所发生的事情。抛出异常后，会有几件事随之发生。首先，是像创建普通的java对象一样将使用new在堆上创建一个异常对象；然后，当前的执行路径（已经无法继续下去了）被终止，并且从当前环境中弹出对异常对象的引用。此时，异常处理机制接管程序，并开始寻找一个恰当的地方继续执行程序，这个恰当的地方就是异常处理程序或者异常处理器，它的任务是将程序从错误状态中恢复，以使程序要么换一种方式运行，要么继续运行下去。

捕获异常：在方法抛出异常之后，运行时系统将转为寻找合适的异常处理器（exception handler）。潜在的异常处理器是异常发生时依次存留在调用栈中的方法的集合。当异常处理器所能处理的异常类型与方法抛出的异常类型相符时，即为合适的异常处理器。运行时系统从发生异常的方法开始，依次回查调用栈中的方法，直至找到含有合适异常处理器的方法并执行。当运行时系统遍历调用栈而未找到合适的异常处理器，则运行时系统终止。同时，意味着Java程序的终止。

注意：
对于运行时异常、错误和检查异常，Java技术所要求的异常处理方式有所不同。
由于运行时异常及其子类的不可查性，为了更合理、更容易地实现应用程序，Java规定，运行时异常将由Java运行时系统自动抛出，允许应用程序忽略运行时异常。
对于方法运行中可能出现的Error，当运行方法不欲捕捉时，Java允许该方法不做任何抛出声明。因为，大多数Error异常属于永远不能被允许发生的状况，也属于合理的应用程序不该捕捉的异常。
对于所有的检查异常，Java规定：一个方法必须捕捉，或者声明抛出方法之外。也就是说，当一个方法选择不捕捉检查异常时，它必须声明将抛出异常。

Java异常处理涉及到五个关键字，分别是：try-catch、finally、throw、throws。下面将骤一介绍，通过认识这几个关键字，掌握基本异常处理知识。

异常处理的基本语法

1.try-catch

try{
    //code that might generate exceptions    
}catch(Exception e){
    //the code of handling exception1
}catch(Exception e){
    //the code of handling exception2
}

要明白异常捕获，还要理解监控区域（guarded region）的概念。它是一段可能产生异常的代码，并且后面跟着处理这些异常的代码。

因而可知，上述try-catch所描述的即是监控区域，关键词try后的一对大括号将一块可能发生异常的代码包起来，即为监控区域。Java方法在运行过程中发生了异常，则创建异常对象。将异常抛出监控区域之外，由Java运行时系统负责寻找匹配的catch子句来捕获异常。若有一个catch语句匹配到了，则执行该catch块中的异常处理代码，就不再尝试匹配别的catch块了。

2. throw

到目前为止，我们只是获取了被Java运行时系统引发的异常。然而，我们还可以用throw语句抛出明确的异常。Throw的语法形式如下：
throw ThrowableInstance;

这里的ThrowableInstance一定是Throwable类类型或者Throwable子类类型的一个对象。简单的数据类型，例如int，char,以及非Throwable类，例如String或Object，不能用作异常。有两种方法可以获取Throwable对象：在catch子句中使用参数或者使用new操作符创建。

程序执行完throw语句之后立即停止；throw后面的任何语句不被执行，最邻近的try块用来检查它是否含有一个与异常类型匹配的catch语句。如果发现了匹配的块，控制转向该语句；如果没有发现，次包围的try块来检查，以此类推。如果没有发现匹配的catch块，默认异常处理程序中断程序的执行并且打印堆栈轨迹。

例子创建并抛出异常：

class TestThrow{
    static void proc(){
        try{
            throw new NullPointerException("demo");
        }catch(NullPointerException e){
            System.out.println("Caught inside proc");
            throw e;
        }
    }

    public static void main(String [] args){
        try{
            proc();
        }catch(NullPointerException e){
            System.out.println("Recaught: "+e);
        }
    }
}

运行结果：

D:\java>java TestThrow

Caught inside proc

Recaught: java.lang.NullPointerException: demo

该程序两次处理相同的错误，首先，main()方法设立了一个异常关系然后调用proc()。proc()方法设立了另一个异常处理关系并且立即抛出一个NullPointerException实例，NullPointerException在main()中被再次捕获。

该程序阐述了怎样创建Java的标准异常对象，特别注意这一行：

throw new NullPointerException(“demo”);

注意：
此处new用来构造一个NullPointerException实例，所有的Java内置的运行时异常有两个构造方法：一个没有参数，一个带有一个字符串参数。当用第二种形式时，参数指定描述异常的字符串。如果对象用作print()或者println()的参数时，该字符串被显示。这同样可以通过调用getMessage()来实现，getMessage()是由Throwable定义的。

3. throws

如果一个方法可以导致一个异常但不处理它，它必须指定这种行为以使方法的调用者可以保护它们自己而不发生异常。要做到这点，我们可以在方法声明中包含一个throws子句。**一个throws子句列举了一个方法可能引发的所有异常类型。**这对于除了Error或RuntimeException及它们子类以外类型的所有异常是必要的。一个方法可以引发的所有其他类型的异常必须在throws子句中声明，否则会导致编译错误。

下面是throws子句的方法声明的通用形式：

public void info() throws Exception
{
   //body of method
}

Exception 是该方法可能引发的所有的异常,也可以是异常列表，中间以逗号隔开。

案例如下：

class TestThrows{
    static void throw1() throws IllegalAccessException {
        System.out.println("Inside throw1 . ");
        throw new IllegalAccessException("demo");
    }
    public static void main(String[] args){
        try {
            throw1();
        }catch(IllegalAccessException e ){
            System.out.println("Caught " + e);
        }
    }
}

注意：
Throws抛出异常的规则：
1.如果是不受检查异常（unchecked exception），即Error、RuntimeException或它们的子类，那么可以不使用throws关键字来声明要抛出的异常，编译仍能顺利通过，但在运行时会被系统抛出。
2.必须声明方法可抛出的任何检查异常（checked exception）。即如果一个方法可能出现受可查异常，要么用try-catch语句捕获，要么用throws子句声明将它抛出，否则会导致编译错误
3.仅当抛出了异常，该方法的调用者才必须处理或者重新抛出该异常。当方法的调用者无力处理该异常的时候，应该继续抛出，而不是囫囵吞枣。
4.调用方法必须遵循任何可查异常的处理和声明规则。若覆盖一个方法，则不能声明与覆盖方法不同的异常。声明的任何异常必须是被覆盖方法所声明异常的同类或子类。

4. finally

当异常发生时，通常方法的执行将做一个陡峭的非线性的转向，它甚至会过早的导致方法返回。例如，如果一个方法打开了一个文件并关闭，然后退出，你不希望关闭文件的代码被异常处理机制旁路。finally关键字为处理这种意外而设计。

finally创建的代码块在try/catch块完成之后另一个try/catch出现之前执行。finally块无论有没有异常抛出都会执行。如果抛出异常，即使没有catch子句匹配，finally也会执行。一个方法将从一个try/catch块返回到调用程序的任何时候，经过一个未捕获的异常或者是一个明确的返回语句，finally子句在方法返回之前仍将执行。这在关闭文件句柄和释放任何在方法开始时被分配的其他资源是很有用。

注意：
finally子句是可选项，可以有也可以无，但是每个try语句至少需要一个catch或者finally子句。

自定义异常

使用Java内置的异常类可以描述在编程时出现的大部分异常情况。除此之外，用户还可以自定义异常。用户自定义异常类，只需继承Exception类即可。

在程序中使用自定义异常类，大体可分为以下几个步骤:

  • 创建自定义异常类。
  • 在方法中通过throw关键字抛出异常对象。
  • 如果在当前抛出异常的方法中处理异常，可以使用try-catch语句捕获并处理；否则在方法的声明处通过throws关键字指明要抛出给方法调用者的异常，继续进行下一步操作。
  • 在出现异常方法的调用者中捕获并处理异常。

举例自定义异常：

class MyException extends Exception {
    private int detail;
    MyException(int a){
        detail = a;
    }
    public String toString(){
        return "MyException ["+ detail + "]";
    }
}
public class TestMyException{
    static void compute(int a) throws MyException{
        System.out.println("Called compute(" + a + ")");
        if(a > 10){
            throw new MyException(a);
        }
        System.out.println("Normal exit!");
    }
    public static void main(String [] args){
        try{
            compute(1);
            compute(20);
        }catch(MyException me){
            System.out.println("Caught " + me);
        }
    }
}

运行结果：

D:\java>java TestMyException

Called compute(1)

Normal exit!

Called compute(20)

Caught MyException [20]

异常处理常见面试题

经过上面的异常及异常处理的知识概括，再次基础上再给出一些常见的面试题。
1.描述一下异常的层级。
答：Java异常是层级的，并通过继承来区分不同种类的异常。

Throwable是所有异常的父类，它有两个直接子对象Error,Exception，其中Exception又被继续划分为“被检查的异常(checked exception)”和”运行时的异常（runtime exception,即不受检查的异常）”。 Error表示编译时和系统错误，通常不能预期和恢复，比如硬件故障、JVM崩溃、内存不足等。

  • 被检查的异常（Checked exception）在程序中能预期，并要尝试修复，如FileNotFoundException。我们必须捕获此类异常，并为用户提供有用信息和合适日志来进行调试。Exception是所有被检查的异常的父类。
  • 运行时异常（Runtime Exception）又称为不受检查异常，源于糟糕的编程。比如我们检索数组元素之前必须确认数组的长度，否则就可能会抛出ArrayIndexOutOfBoundException运行时异常。RuntimeException是所有运行时异常的父类。

2.Java异常类有哪些的重要方法？
答：Exception和它的所有子类没有提供任何特殊方法供使用，它们的所有方法都是来自其基类Throwable。
以下的方法来自源码解读：

  • String getMessage():方法返回Throwable的String型信息，当异常通过构造器创建后可用。
  • String getLocalizedMessage()：此方法通过被重写来得到用本地语言表示的异常信息返回给调用程序。Throwable类通常只是用getMessage()方法来实现返回异常信息。
  • synchronized Throwable getCause():此方法返回异常产生的原因，如果不知道原因的话返回null。(原文有拼写错误 应该是if 不是id)
  • String toString():方法返回String格式的Throwable信息，此信息包括Throwable的名字和本地化信息。
  • void printStackTrace()：该方法打印栈轨迹信息到标准错误流。该方法能接受PrintStream 和PrintWriter作为参数实现重载，这样就能实现打印栈轨迹到文件或流中。

3.描述Java 7 ARM(Automatic Resource Management，自动资源管理)特征和多个catch块的使用
答：如果一个try块中有多个异常要被捕获，catch块中的代码会变丑陋的同时还要用多余的代码来记录异常。有鉴于此，Java 7的一个新特征是：一个catch子句中可以捕获多个异常。示例代码如下：

catch(IOException | SQLException | Exception ex){
     logger.error(ex);
     throw new MyException(ex.getMessage());
}

大多数情况下，当忘记关闭资源或因资源耗尽出现运行时异常时，我们只是用finally子句来关闭资源。这些异常很难调试，我们需要深入到资源使用的每一步来确定是否已关闭。因此，Java 7用try-with-resources进行了改进：在try子句中能创建一个资源对象，当程序的执行完try-catch之后，运行环境自动关闭资源。下面是这方面改进的示例代码：

try (MyResource mr = new MyResource()) {
            System.out.println("MyResource created in try-with-resources");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

4.被检查的异常和不受检查的异常有什么区别？
答：
A.被检查的异常应该用try-catch块代码处理，或者在main方法中用throws关键字让JRE了解程序可能抛出哪些异常。不受检查的异常在程序中不要求被处理或用throws语句告知。

B.Exception是所有被检查异常的基类，然而，RuntimeException是所有不受检查异常的基类。

C．被检查的异常适用于那些不是因程序引起的错误情况，比如：读取文件时文件不存在引发的FileNotFoundException。然而，不被检查的异常通常都是由于糟糕的编程引起的，比如：在对象引用时没有确保对象非空而引起的NullPointerException。

5．在Java中throw与throws关键字之间的区别？
答：throws用于在方法签名中声明此方法可能抛出的异常，而throw关键字则是中断程序的执行并移交异常对象到运行时进行处理。

6.在Java中什么是内存不足错误？
答：在Java中，OutOfMemoryError是 java.lang.VirtualMachineError的一个子类，当堆内存耗尽时会被JVM抛出。我们能通过设置Java选项来提供更大的内存供应用使用来达到修复的目的。

$>java MyProgram -Xms1024m -Xmx1024m -XX:PermSize=64M -XX:MaxPermSize=256m

7.Java中final,finally,finalize的区别？
答：final和finally在Java中是关键字，而finalize则是一个方法。

final关键字使得类变量不可变，避免类被其它类继承或方法被重写。finally跟try-catch块一起使用，即使是出现了异常，其子句总会被执行，通常，finally子句用来关闭相关资源。finally方法中的对象被销毁之前会被垃圾回收。

综上三者，只有finally用于异常处理。

8.在main方法抛出异常时发生了什么？
答：当main方法抛出异常时，Java运行时间终止并在控制台打印异常信息和栈轨迹。

9.catch子句能为空吗？
答：可以有空的catch子句，但那是最糟糕的编程，因为那样的话，异常即使被捕获，我们也得不到任何的有用信息，对于调试来说会是个噩梦，因此，编程时永远不要有空的catch子句。Catch子句中至少要包含一个日志语句输出到控制台或保存到日志文件中。

参考文献：
Martin-Java入门之异常处理
异常常考题：英文原文Journaldev ，中文翻译： ImportNew.com - 韩远青

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