Java中的异常处理和进程线程概念

1. 异常

• 异常：指的是程序在执行过程中，出现的非正常的情况，最终会导致JVM的非正常停止。

在Java等面向对象的编程语言中，异常本身是一个类，产出异常就是创建异常对象并抛出了一个异常对象。Java处理异常的方式是中断处理。

异常指的不是语法错误，语法错误是不会编译通过的。

1.2 异常体系

异常机制就是帮助我们找到程序中的问题，异常的根类是java.lang.Throwable，其下有两个子类：java.lang.Error和java.lang.Exception，平常所说的异常指的是java.lang.Exception

Throwable体系

• Error：严重错误Error，无法通过处理的错误，只能事先避免。好比绝症。
• Exception：表示异常，异常产生后程序员可以通过代码的方式纠正，使程序继续运行，是必须要处理的。类似感冒之类的。

Throwable中的常用方法：

• public void printStackTrace():打印异常的详细信息。

  包含了异常的类型，异常的原因，还有异常出现的位置，在开发和调试阶段，都得使用printStackTrace。

• public String getMessage():获取发生异常的原因。

  提示给用户的时候，就提示错误原因。

• public String toString(): 获取异常的类型和异常描述信息(不用)。

出现异常后，可以把异常的简单类名，复制到API中去查询。

1.3 异常分类

一般的异常指的就是Exception，因为这类异常一旦出现，我们就需要对代码进行更正，修复程序。

异常的分类：根据在编译时期还是运行时期去检查异常

• 编译时期的异常： checked异常。在编译时期，就会检查，如果没有处理异常，则编译失败。
• 运行时期异常：runtime异常。在运行时期，检查异常，在编译时期，运行异常不会编译器检测(不会报错)。

1.4 异常的产生过程解析

运行下面程序，程序会产生义工数组索引越界异常ArrayIndexOutOfBoundsException。

// 工具类
public class ArrayTools {
    // 对给定的数组通过给定的索引获取元素
    public static int getElement(int[] arr, int index){
        int element = arr[index];
        return element;
    }
}
// 测试类
public class ExceptionDemo {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {34,12,67};
        int num = ArrayTools.getElement(arr,4);
        System.out.println("num="+num);
        System.out.println("over");
    }
}

上述程序执行过程图解：

2. 异常的处理

Java异常处理的五个关键字：try、catch、finally、throw、throws

2.1 抛出异常throw

在编写程序时，我们必须要考虑程序出现问题的情况。比如，在定义方法时，方法需要接受参数。那么，当调用方法使用接受到的参数时，首先需要先对参数数据进行合法的判断，数据若不合法，就应该告诉调用者，传递合法的数据进来。这时需要使用抛出异常的方式来告诉调用者。

在Java中，提供了一个throw关键字，它用来抛出一个指定的异常对象。具体操作如下：

1. 创建一个异常对象，封装一些提示信息。

2. 通过关键字thro将这个异常对象告知给调用者。throw异常对象。

   throw用在方法内，用来抛出一个异常对象，将这个异常对象传递到调用者处，并结束当前方法的执行。

使用格式： throw new 异常类名(参数)

例如：

throw new NullPointerException("要访问的arr数组不存在");
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException("该索引在数组中不存在，已超出范围")

以下为程序实例：

public class ThrowDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个数组
        int[] arr = {2,4,35,2};
        // 根据索引找对应的元素
        int index = 4;
        int element = getElement(arr,index);
        System.out.println(element);
        System.out.println("over");
    }
    // 根据 索引找到数组中对应的元素
    public static int getElement(int[] arr,int index){
        // 判断 索引是否越界
        if(index<0 || index > arr.length-1){
            /*
                判断条件如果满足，当执行完throw抛出异常对象后，方法已无法继续运算。
                这时就会结束当前方法的执行，并将异常告知给调用者。这时就需通过异常来解决。
             */
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException("小老弟，索引越界了！！！");
        }
        int element = arr[index];
        return element;
    }

}

注意：如果产生了问题，throw就会将问题描述类即异常进行抛出，也就是将问题返回给该方法的调用者。

那么对于调用者来说，有两种方式处理，一种是进行捕获处理，另一种就是继续将问题声明出去，使用throws声明处理。

2.2 Objects非空判断

我们学习过一个类Objects， 里面有提到过它由一些静态的实用方法组成，这些方法是null-save（空指针安全的）或null-tolerant（容忍空指针的），那么在它的源码中，对对象为null的值进行了抛出异常操作。

• public static <T> requireNonNull(T obj):查看指定引用对象不是null。

查看源码可以发现这里对null对象进行了抛出异常操作。

public static <T> T requireNonNull(T obj) {
        if (obj == null)
            throw new NullPointerException();
        return obj;
    }

2.3 声明异常throws

声明异常：将问题标识出来，报告给调用者。如果方法内通过throw抛出了编译时异常，而没有捕获处理，那么必须通过throws进行声明，让调用者去处理。
关键字throws运用于方法声明之上,用于表示当前方法不处理异常,而是提醒该方法的调用者来处理异常(抛出异常)。

声明异常格式：修饰符 返回值类型 方法名(参数) throws 异常类名1，异常类名2...{ }

代码实例：

public class ThrowDemo02 {
    public static void main(String[] args) throws IOException{
        read("a.txt");
    }
    // 如果定义功能时有问题发生需要报告给调用者。可以通过在方法上使用throws关键字进行声明
    // 假如该方法可能有多种异常情况产生，那么throws后面可以写多个异常类，用逗号隔开。
    public static void read(String path) throws FileNotFoundException, IOException {
        if(!path.equals("a.txt")) // 如果不是a.txt这个字符串
            throw new FileNotFoundException("文件不存在"); // 则生成一个异常类返回给调用者
        if(!path.equals("b.txt"))
            throw new IOException();
    }
}

2.4 捕获异常try…catch

如果异常出现的话，会立即终止程序，所以我们得处理异常：

1. 该方法不处理,而是声明抛出,由该方法的调用者来处理(throws)。
2. 在方法中使用try-catch的语句块来处理异常。

try-catch的方式就是捕获异常。

• 捕获异常：Java中对异常有针对性的语句进行捕获，可以对出现的异常进行指定方式的处理。

捕获异常语法如下：

try{
    编写可能会出现异常的代码
}catch(异常类型 e){
    处理异常的代码
    // 记录日志/打印异常信息/继续抛出异常
}

try： 该代码块中编写可能产生异常的代码。
catch： 用来进行某种异常的捕获，实现对捕获到的异常进行处理。

注意：try和catch都不能单独使用，必须一起用。

代码实例:

public class TryCatchDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try{ // 当产生异常时，必须有处理方式，要么捕获，要么声明。
            read("b.txt");
        }catch (FileNotFoundException e){ // try中抛出的是什么异常，在括号中就定义什么异常
            System.out.println(e);
        }
        System.out.println("over");
    }
    public static void read(String path) throws FileNotFoundException{
        if(!path.equals("a.txt"))
            throw new FileNotFoundException("文件不存在");
    }
}

如何获取异常信息：

Throwable类中定义了一些查看方法:

• public String getMessage():获取异常的描述信息,原因(提示给用户的时候,就提示错误原因。

• public String toString():获取异常的类型和异常描述信息(不用)。

• public void printStackTrace():打印异常的跟踪栈信息并输出到控制台。

  包含了异常的类型,异常的原因,还包括异常出现的位置,在开发和调试阶段,都得使用printStackTrace。
  ​

  2.4 finally代码块

finally：当遇到某些代码是无论是否发生异常，都要执行的，那么可以放在finally代码块中，在finally代码块中存放的代码都是一定会被执行的。

有哪些时候的代码必须最终执行？当我们在try语句块中打开了一些物理资源(磁盘文件/网络连接/数据库连接等),我们都得在使用完之后,最终关闭打开的资源。

语法：try…catch….finally:自身需要处理异常,最终还得关闭资源。

注意：finally不能单独使用。

代码示例：

public class FinallyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try{
            read("a.txt");
        }catch (FileNotFoundException e){
            //捕获编译期报错信息，在运行期抛出去。
            throw  new RuntimeException(e);
        }finally {
            System.out.println("这里的代码必定执行");
        }
        System.out.println("over");
    }
    // 因为我们当前的read方法中有异常，所以编译期会报错。
    public static void read(String path) throws FileNotFoundException{
        if(!path.equals("a.txt"))
            throw new FileNotFoundException("文件不存在");
    }
}

当只有在try或者catch中调用退出JVM的相关方法时，finally才不会执行，否则必定执行。

2.5 异常注意事项

• 多个异常使用捕获又该如何处理呢？

  1. 多个异常分别处理。
  2. 多个异常一次捕获，多次处理。
  3. 多个异常一次捕获一次处理。

一般使用一次捕获多次处理方式，格式如下：

try{
    编写可能会出现异常的代码
}catch(异常类型A e){ 当try中出现A类型异常时，就用该catch来捕获。
    处理异常代码
}catch(异常类型B e){当try中出现B类型异常时，就用该catch来捕获。
    处理异常代码
}

注意：这种异常处理方式，要求多个catch中的异常不能相同，并且若catch中的多个异常之间有子父类异常的关系，那么子类异常要求在上面的catch处理，父类异常在下面的catch处理。

• 运行时异常被抛出可以不处理。即不捕获也不声明抛出。

• 如果finally有return语句,永远返回finally中的结果,避免该情况.

• 如果父类抛出了多个异常,子类重写父类方法时,抛出和父类相同的异常或者是父类异常的子类或者不抛出异常。

• 父类方法没有抛出异常，子类重写父类该方法时也不可抛出异常。此时子类产生该异常，只能捕获处理，不能声明抛出

3. 自定义异常

3.1 概述

为什么需要自定义异常类:

我们说了Java中不同的异常类,分别表示着某一种具体的异常情况,那么在开发中总是有些异常情况是没有定义好的,此时我们根据自己业务的异常情况来定义异常类。例如年龄负数问题,考试成绩负数问题等等。

在上述示例中，发现这些异常都是JDK内部定义好的，但是实际开发中也会出现很多异常,这些异常很可能在JDK中没有定义过,例如年龄负数问题,考试成绩负数问题。我们就需要自己定义异常。

什么是自定义异常类:

在开发中根据自己业务的异常情况来定义的异常类。

异常类如何定义:

1. 自定义一个编译期异常: 自定义类 并继承于java.lang.Exception。
2. 自定义一个运行时期的异常类:自定义类 并继承于java.lang.RuntimeException。

3.2 自定义异常的练习

模拟注册操作，如果用户名已存在，则抛出异常并提示：亲，该用户名已经被注册。

代码实例如下：

// 首先定义一个登录异常类RegisterException:
public class RegisterException extends Exception{
    public RegisterException() { // 空参构造
    }
    public RegisterException(String message){
        super(message); // @param message 表示异常提示
    }
}

// 模拟登陆操作，使用数组模拟数据库中存储的数据，并提供当前注册账号是否存在方法用于判断。
public class TestDemo {
    // 模拟数据库中已存在的账号
    private static String[] names = {"xiaowang","xiaozhang","xiaoming"};
    public static void main(String[] args) {
        // 调用方法
        try{
            // 可能出现异常的代码块
            checkUsername("xiaowang");
            System.out.println("注册成功");
        }catch(RegisterException e){
            e.printStackTrace();
        } catch (LoginException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static boolean checkUsername(String uname) throws LoginException, RegisterException {
        for(String name:names){
            if(name.equals(uname))
                throw new RegisterException("亲"+name+"已经被注册了！");
        }
        return true;
    }
}

4. 多线程

4.1 并发与并行

• 并发：指两个或多个事件在同一个时间段内发生。
• 并行：指两个或多个事件在同一时刻发生（同时发生）。
  

在操作系统中，安装了多个程序，并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行，这在单 CPU 系统中，每一时刻只能有一道程序执行，即微观上这些程序是分时的交替运行，只不过是给人的感觉是同时运行，那是因为分时交替运行的时间是非常短的。

而在多个 CPU 系统中，则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上（CPU），实现多任务并行执行，即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序，这样多个程序便可以同时执行。目前电脑市场上说的多核 CPU，便是多核处理器，核 越多，并行处理的程序越多，能大大的提高电脑运行的效率。

注意：单核处理器的计算机肯定是不能并行的处理多个任务的，只能是多个任务在单个CPU上并发运行。同理,线程也是一样的，从宏观角度上理解线程是并行运行的，但是从微观角度上分析却是串行运行的，即一个线程一个线程的去运行，当系统只有一个CPU时，线程会以某种顺序执行多个线程，我们把这种情况称之为线程调度。

4.2 线程与进程

• 进程：是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有一个独立的内存空间，一个应用程序可以同时运行多个进程；进程也是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位；系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。

• 线程：线程是进程中的一个执行单元，负责当前进程中程序的执行，一个进程中至少有一个线程。一个进程中是可以有多个线程的，这个应用程序也可以称之为多线程程序。

  简而言之：一个程序运行后至少有一个进程，一个进程中可以包含多个线程。

打开任务管理器，可以查看当前任务的进程：

进程

线程

线程调度:

• 分时调度

  所有线程轮流使用 CPU 的使用权，平均分配每个线程占用 CPU 的时间。

• 抢占式调度

  优先让优先级高的线程使用 CPU，如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个(线程随机性)，Java使用的为抢占式调度。

  • 设置线程的优先级
    

  • 抢占式调度详解

    大部分操作系统都支持多进程并发运行，现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序。比如：现在我们上课一边使用编辑器，一边使用录屏软件，同时还开着画图板，dos窗口等软件。此时，这些程序是在同时运行，”感觉这些软件好像在同一时刻运行着”.

    实际上，CPU(中央处理器)使用抢占式调度模式在多个线程间进行着高速的切换。对于CPU的一个核而言，某个时刻，只能执行一个线程，而 CPU的在多个线程间切换速度相对我们的感觉要快，看上去就是在同一时刻运行。
    其实，多线程程序并不能提高程序的运行速度，但能够提高程序运行效率，让CPU的使用率更高。
    

4.3 创建线程类

Java使用java.lang.Thread类代表线程，所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例。每个线程的作用是完成一定的任务，实际上就是执行一段程序流即一段顺序执行的代码。Java使用线程执行体来代表这段程序流。Java中通过继承Thread类来创建并启动多线程的步骤如下：

1. 定义Thread类的子类，并重写该类的run()方法，该run()方法的方法体就代表了线程需要完成的任务,因此把run()方法称为线程执行体。
2. 创建Thread子类的实例，即创建了线程对象
3. 调用线程对象的start()方法来启动该线程

代码实例如下：

// 自定义线程类
public class MyThread extends Thread{
    // 定义指定线程名称的构造方法
    public MyThread(String name) {
        // 调用父类的String参数的构造方法，指定线程的名称
        super(name);
    }
    // 重写run方法，完成该线程的执行逻辑
    @Override
    public void run(){
        for(int i = 0;i < 10;i++){
            System.out.println(getName()+"正在执行第"+i+"次");
        }
    }
}
// 测试类
public class TestThread {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程对象
        MyThread mt = new MyThread("新的线程！");
        // 启动线程
        mt.start();
        // 在主方法中执行for循环
        for(int i = 0;i < 10;i++){
            System.out.println("main线程"+i);
        }
    }
}

今日总结

1. Java中的异常体系
2. 异常处理5个关键字：try、catch、finally、throw、throws
3. 异常处理的使用方法
4. 自定义异常类
5. 并发与并行的概念
6. 进程线程的概念
7. 线程调度的各种方式
8. Java中的线程类Thread，以及基本使用方式