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06 | JVM是如何处理异常的？
你好，我是郑雨迪。今天我们来讲讲Java虚拟机的异常处理。
众所周知，异常处理的两大组成要素是抛出异常和捕获异常。这两大要素共同实现程序控制流的非正常转移。
抛出异常可分为显式和隐式两种。显式抛异常的主体是应用程序，它指的是在程序中使用“throw”关键字，手动将异常实例抛出。隐式抛异常的主体则是Java虚拟机，它指的是Java虚拟机在执行过程中，碰到无法继续执行的异常状态，自动抛出异常。举例来说，Java虚拟机在执行读取数组操作时，发现输入的索引值是负数，故而抛出数组索引越界异常（ArrayIndexOutOfBoundsException）。
捕获异常则涉及了如下三种代码块。
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try代码块：用来标记需要进行异常监控的代码。
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catch代码块：跟在try代码块之后，用来捕获在try代码块中触发的某种指定类型的异常。除了声明所捕获异常的类型之外，catch代码块还定义了针对该异常类型的异常处理器。在Java中，try代码块后面可以跟着多个catch代码块，来捕获不同类型的异常。Java虚拟机会从上至下匹配异常处理器。因此，前面的catch代码块所捕获的异常类型不能覆盖后边的，否则编译器会报错。
-
finally代码块：跟在try代码块和catch代码块之后，用来声明一段必定运行的代码。它的设计初衷是为了避免跳过某些关键的清理代码，例如关闭已打开的系统资源。
在程序正常执行的情况下，这段代码会在try代码块之后运行。否则，也就是try代码块触发异常的情况下，如果该异常没有被捕获，finally代码块会直接运行，并且在运行之后重新抛出该异常。如果该异常被catch代码块捕获，finally代码块则在catch代码块之后运行。在某些不幸的情况下，catch代码块也触发了异常，那么finally代码块同样会运行，并会抛出catch代码块触发的异常。在某些极端不幸的情况下，finally代码块也触发了异常，那么只好中断当前finally代码块的执行，并往外抛异常。
上面这段听起来有点绕，但是等我讲完Java虚拟机的异常处理机制之后，你便会明白这其中的道理。
异常的基本概念
在Java语言规范中，所有异常都是Throwable类或者其子类的实例。Throwable有两大直接子类。第一个是Error，涵盖程序不应捕获的异常。当程序触发Error时，它的执行状态已经无法恢复，需要中止线程甚至是中止虚拟机。第二子类则是Exception，涵盖程序可能需要捕获并且处理的异常。Exception有一个特殊的子类RuntimeException，用来表示“程序虽然无法继续执行，但是还能抢救一下”的情况。前边提到的数组索引越界便是其中的一种。
RuntimeException和Error属于Java里的非检查异常（unchecked exception）。其他异常则属于检查异常（checked exception）。在Java语法中，所有的检查异常都需要程序显式地捕获，或者在方法声明中用throws关键字标注。通常情况下，程序中自定义的异常应为检查异常，以便最大化利用Java编译器的编译时检查。
异常实例的构造十分昂贵。这是由于在构造异常实例时，Java虚拟机便需要生成该异常的栈轨迹（stack trace）。该操作会逐一访问当前线程的Java栈帧，并且记录下各种调试信息，包括栈帧所指向方法的名字，方法所在的类名、文件名，以及在代码中的第几行触发该异常。
当然，在生成栈轨迹时，Java虚拟机会忽略掉异常构造器以及填充栈帧的Java方法（Throwable.fillInStackTrace），直接从新建异常位置开始算起。此外，Java虚拟机还会忽略标记为不可见的Java方法栈帧。我们在介绍Lambda的时候会看到具体的例子。
既然异常实例的构造十分昂贵，我们是否可以缓存异常实例，在需要用到的时候直接抛出呢？从语法角度上来看，这是允许的。然而，该异常对应的栈轨迹并非throw语句的位置，而是新建异常的位置。因此，这种做法可能会误导开发人员，使其定位到错误的位置。这也是为什么在实践中，我们往往选择抛出新建异常实例的原因。
Java虚拟机是如何捕获异常的？
在编译生成的字节码中，每个方法都附带一个异常表。异常表中的每一个条目代表一个异常处理器，并且由from指针、to指针、target指针以及所捕获的异常类型构成。这些指针的值是字节码索引（bytecode index，bci），用以定位字节码。
其中，from指针和to指针标示了该异常处理器所监控的范围，例如try代码块所覆盖的范围。target指针则指向异常处理器的起始位置，例如catch代码块的起始位置。
public static void main(String[] args) {
try {
mayThrowException();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 对应的Java字节码
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: invokestatic mayThrowException:()V
3: goto 11
6: astore_1
7: aload_1
8: invokevirtual java.lang.Exception.printStackTrace
11: return
Exception table:
from to target type
0 3 6 Class java/lang/Exception // 异常表条目
举个例子，在上面这段代码的main方法中，我定义了一段try-catch代码。其中，catch代码块所捕获的异常类型为Exception。
编译过后，该方法的异常表拥有一个条目。其from指针和to指针分别为0和3，代表它的监控范围从索引为0的字节码开始，到索引为3的字节码结束（不包括3）。该条目的target指针是6，代表这个异常处理器从索引为6的字节码开始。条目的最后一列，代表该异常处理器所捕获的异常类型正是Exception。
当程序触发异常时，Java虚拟机会从上至下遍历异常表中的所有条目。当触发异常的字节码的索引值在某个异常表条目的监控范围内，Java虚拟机会判断所抛出的异常和该条目想要捕获的异常是否匹配。
如果匹配，Java虚拟机会将控制流转移至该条目target指针指向的字节码。如果遍历完所有异常表条目，Java虚拟机仍未匹配到异常处理器，那么它会弹出当前方法对应的Java栈帧，并且在调用者（caller）中重复上述操作。在最坏情况下，Java虚拟机需要遍历当前线程Java栈上所有方法的异常表。
finally代码块的编译比较复杂。当前版本Java编译器的做法，是复制finally代码块的内容，分别放在try-catch代码块所有正常执行路径以及异常执行路径的出口中。
针对异常执行路径，Java编译器会生成一个或多个异常表条目，监控整个try-catch代码块，并且捕获所有种类的异常（在javap中以any指代）。这些异常表条目的target指针将指向另一份复制的finally代码块。并且，在这个finally代码块的最后，Java编译器会重新抛出所捕获的异常。
如果你感兴趣的话，可以用javap工具来查看下面这段包含了try-catch-finally代码块的编译结果。为了更好地区分每个代码块，我定义了四个实例字段：tryBlock、catchBlock、finallyBlock、以及methodExit，并且仅在对应的代码块中访问这些字段。
public class Foo {
private int tryBlock;
private int catchBlock;
private int finallyBlock;
private int methodExit;
public void test() {
try {
tryBlock = 0;
} catch (Exception e) {
catchBlock = 1;
} finally {
finallyBlock = 2;
}
methodExit = 3;
}
}
$ javap -c Foo
...
public void test();
Code:
0: aload_0
1: iconst_0
2: putfield #20 // Field tryBlock:I
5: goto 30
8: astore_1
9: aload_0
10: iconst_1
11: putfield #22 // Field catchBlock:I
14: aload_0
15: iconst_2
16: putfield #24 // Field finallyBlock:I
19: goto 35
22: astore_2
23: aload_0
24: iconst_2
25: putfield #24 // Field finallyBlock:I
28: aload_2
29: athrow
30: aload_0
31: iconst_2
32: putfield #24 // Field finallyBlock:I
35: aload_0
36: iconst_3
37: putfield #26 // Field methodExit:I
40: return
Exception table:
from to target type
0 5 8 Class java/lang/Exception
0 14 22 any
...
可以看到，编译结果包含三份finally代码块。其中，前两份分别位于try代码块和catch代码块的正常执行路径出口。最后一份则作为异常处理器，监控try代码块以及catch代码块。它将捕获try代码块触发的、未被catch代码块捕获的异常，以及catch代码块触发的异常。
这里有一个小问题，如果catch代码块捕获了异常，并且触发了另一个异常，那么finally捕获并且重抛的异常是哪个呢？答案是后者。也就是说原本的异常便会被忽略掉，这对于代码调试来说十分不利。
Java 7的Suppressed异常以及语法糖
Java 7引入了Suppressed异常来解决这个问题。这个新特性允许开发人员将一个异常附于另一个异常之上。因此，抛出的异常可以附带多个异常的信息。然而，Java层面的finally代码块缺少指向所捕获异常的引用，所以这个新特性使用起来非常繁琐。
为此，Java 7专门构造了一个名为try-with-resources的语法糖，在字节码层面自动使用Suppressed异常。当然，该语法糖的主要目的并不是使用Suppressed异常，而是精简资源打开关闭的用法。
在Java 7之前，对于打开的资源，我们需要定义一个finally代码块，来确保该资源在正常或者异常执行状况下都能关闭。资源的关闭操作本身容易触发异常。因此，如果同时打开多个资源，那么每一个资源都要对应一个独立的try-finally代码块，以保证每个资源都能够关闭。这样一来，代码将会变得十分繁琐。
FileInputStream in0 = null;
FileInputStream in1 = null;
FileInputStream in2 = null;
...
try {
in0 = new FileInputStream(new File("in0.txt"));
...
try {
in1 = new FileInputStream(new File("in1.txt"));
...
try {
in2 = new FileInputStream(new File("in2.txt"));
...
} finally {
if (in2 != null) in2.close();
}
} finally {
if (in1 != null) in1.close();
}
} finally {
if (in0 != null) in0.close();
}
Java 7的try-with-resources语法糖，极大地简化了上述代码。程序可以在try关键字后声明并实例化实现了AutoCloseable接口的类，编译器将自动添加对应的close()操作。在声明多个AutoCloseable实例的情况下，编译生成的字节码类似于上面手工编写代码的编译结果。与手工代码相比，try-with-resources还会使用Suppressed异常的功能，来避免原异常“被消失”。
public class Foo implements AutoCloseable {
private final String name;
public Foo(String name) { this.name = name; }
@Override
public void close() {
throw new RuntimeException(name);
}
public static void main(String[] args) {
try (Foo foo0 = new Foo("Foo0"); // try-with-resources
Foo foo1 = new Foo("Foo1");
Foo foo2 = new Foo("Foo2")) {
throw new RuntimeException("Initial");
}
}
}
// 运行结果：
Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: Initial
at Foo.main(Foo.java:18)
Suppressed: java.lang.RuntimeException: Foo2
at Foo.close(Foo.java:13)
at Foo.main(Foo.java:19)
Suppressed: java.lang.RuntimeException: Foo1
at Foo.close(Foo.java:13)
at Foo.main(Foo.java:19)
Suppressed: java.lang.RuntimeException: Foo0
at Foo.close(Foo.java:13)
at Foo.main(Foo.java:19)
除了try-with-resources语法糖之外，Java 7还支持在同一catch代码块中捕获多种异常。实际实现非常简单，生成多个异常表条目即可。
// 在同一catch代码块中捕获多种异常
try {
...
} catch (SomeException | OtherException e) {
...
}
总结与实践
今天我介绍了Java虚拟机的异常处理机制。
Java的异常分为Exception和Error两种，而Exception又分为RuntimeException和其他类型。RuntimeException和Error属于非检查异常。其他的Exception皆属于检查异常，在触发时需要显式捕获，或者在方法头用throws关键字声明。
Java字节码中，每个方法对应一个异常表。当程序触发异常时，Java虚拟机将查找异常表，并依此决定需要将控制流转移至哪个异常处理器之中。Java代码中的catch代码块和finally代码块都会生成异常表条目。
Java 7引入了Suppressed异常、try-with-resources，以及多异常捕获。后两者属于语法糖，能够极大地精简我们的代码。
那么今天的实践环节，你可以看看其他控制流语句与finally代码块之间的协作。
// 编译并用javap -c查看编译后的字节码
public class Foo {
private int tryBlock;
private int catchBlock;
private int finallyBlock;
private int methodExit;
public void test() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
try {
tryBlock = 0;
if (i < 50) {
continue;
} else if (i < 80) {
break;
} else {
return;
}
} catch (Exception e) {
catchBlock = 1;
} finally {
finallyBlock = 2;
}
}
methodExit = 3;
}
}