Полное руководство по обработке исключений в Java

Исключение — ошибка, которая нарушает нормальную работу программы. Java обеспечивает надежный объектно-ориентированный способ обработки исключений. Именно его мы и будем изучать в этом руководстве. 

Обработка исключений в Java. Краткий обзор

Исключение может возникнуть в разного рода ситуациях: неправильные входные данные, аппаратный сбой, сбоя сетевого соединения, ошибка при работе с базой данных и т.д. Именно поэтому любой Java программист должен уметь правильно обрабатывать исключения, понимать причины их появления и следовать лучшим практикам работы с исключениями даже в небольших проектах.

Java — объектно-ориентированный язык программирования, поэтому всякий раз, когда происходит ошибка при выполнении инструкции, создается объект-исключение, а затем нормальный ход выполнения программы останавливается и JRE пытается найти кого-то, кто может справиться (обработать) это исключение. Объект-исключение содержит много информации об отладке, а именно номер строки, где произошло исключение, тип исключения и т.д.

Что и как происходит, когда появляется ошибка

Когда в методе происходит исключение, то процесс создания объекта-исключения и передачи его в Runtime Environment называется «бросать исключение».

После создания исключения, Java Runtime Environment пытается найти обработчик исключения.

Обработчик исключения — блок кода, который может обрабатывать объект-исключение.

Логика нахождения обработчика исключений проста — прежде всего начинается поиск в методе, где возникла ошибка, если соответствующий обработчик не найден, то происходит переход к тому методу, который вызывает этот метод и так далее.

Пример

У нас есть 3 метода, каждый из которых вызывает друг-друга: А -> В -> С (А вызывает В, а В вызывает С). Если исключение появляется в методе C, то поиск соответствующего обработчика будет происходить в обратном порядке: С -> В -> А (сначала там, где было исключение — в С, если там нет обработчика, то идем в метод В — если тут тоже нет, то идем в А).

Если соответствующий обработчик исключений будет найден, то объект-исключение передаётся обработчику.

Обработать исключение — значит «поймать исключение».

Если обработчик исключений не был найден, то программа завершает работу и печатает информации об исключении.

Обратите внимание, что обработка исключений в Java — это фреймворк, который используется только для обработки ошибок времени выполнения. Ошибки компиляции не обрабатываются рамках обработки исключений.

Основные элементы обработки исключений в Java

Мы используем определенные ключевые слова в для создания блока обработки исключений. Давайте рассмотрим их на примере. Также мы напишем простую программу для обработки исключений.

• Бросить исключение (throw) — ключевое слово, которое используется для того, чтобы бросить исключение во время выполнения. Мы знаем, что Java Runtime начинает поиск обработчика исключений как только оно будет брошено, но часто нам самим нужно генерировать исключение в нашем коде, например, в программе авторизации, если какое-то поле null. Именно для таких случаем и существует возможность бросить исключение.
• throws — когда мы бросаем исключение в методе и не обрабатываем его, то мы должны использовать ключевое слово throws в сигнатуре метода для того, чтобы пробросить исключение для обработки в другом методе. Вызывающий метод может обработать это исключение или пробросить его еще дальше с помощью throws в сигнатуре метода. Следует отметить, что пробрасывать можно сразу несколько исключений.
• Блок try-catch используется для обработки исключений в коде. Слово try — это начало блока обработки, catch — конец блока для обработки исключений. Мы можем использовать сразу несколько блоков catch при одном try. catch в качестве параметра принимает тип исключения для обработки.
• finally — необязательная завершающая конструкция блока try-catch. Как только исключение остановило процесс исполнения программы, в finally мы можем безопасно освободить какие-то открытые ресурсы. Следует отметить, что finally блок выполняется всегда — не смотря на появление исключительной ситуации.

Давайте посмотрим простую программу обработки исключений в Java.

А в консоле эта программа напишет такое:

Обратите внимание, что метод testException() бросает исключение, используя ключевое слово throw, а в сигнатуре метода используется ключевое слово throws, чтобы дать понять вызывающему методу тип исключений, которые может бросить testException().

Важные моменты в обработке исключений:

• Нельзя использовать блоки catch или finally без блока try.
• Блок try также может быть использован только с catch блоком, или только с finally блоком, или с тем и другим блоком.
• Мы можем использовать несколько блоков catch только с одним try.
• try-catch блоки могут быть вложенными — этим они очень похожи на if-else конструкции.
• Мы можем использовать только один, блок finally в одном try-catch.

Иерархия исключений в Java

Java исключения являются иерархическими, а наследование используется для категоризации различных типов исключений. Throwable — родительский класс в иерархии Java исключений. Он имеет два дочерних объекта — Error и Exception. Исключения далее разделены на проверяемые исключения и исключения времени выполнения.

1. Error — это тип ошибок, которые выходят за рамки вашей программы, их невозможно предвидеть или обработать. Это может быть аппаратный сбой, «поломка» JVM или ошибка памяти. Именно для таких необычных ситуаций есть отдельная иерархия ошибок. Мы должны просто знать, что такие ошибки есть и не можем справиться с такими ситуациями. Примеры Error: OutOfMemoryError и StackOverflowError.
2. Проверяемые исключения (Checked Exceptions) — тип исключений, которые мы можем предвидеть в программе и попытаться обработать, например, FileNotFoundException. Мы должны поймать это исключение и написать внятное и полезное сообщение пользователю о том, что произошло (также желательно логировать ошибки). Exception — родительский класс всех проверяемых исключений (Checked Exceptions). Если мы бросили проверяемое исключение, то должны поймать его в том же методе или должны пробросить его с помощью ключевого слова throws.
3. Runtime Exception — это ошибки программиста. Например, пытаясь получить элемент из массива, мы должны проверить длину массива, прежде чем пытаться получить элемент — в противном случае это может быть брошен ArrayIndexOutOfBoundException. RuntimeException — родительский класс для всех Runtime исключений. Если мы сами бросаем Runtime Exception в методе, то не обязательно указывать в сигнатуре метода ключевое слово throws.

На рисунке 1 представлена иерархия исключений в Java:

Рисунок 1 — Иерархия исключений в Java

 Полезные методы в обработке исключений

Класс Exception и все его подклассы не содержат какие-либо методы для обработки исключений. Все предоставляемые методы находятся в базовом классе Throwable. Подклассы класса Exception созданы для того, чтобы определять различные виды исключений. Именно поэтому при обработке исключений мы можем легко определить причину и обработать исключение в соответствии с его типом.

Полезные методы класса Throwable:

1. public String getMessage() — этот метод возвращает сообщение, которое было создано при создании исключения через конструктор.
2. public String getLocalizedMessage() — метод, который переопределяют подклассы для локализации конкретное сообщение об исключении. В реализации Throwable класса этот метод просто использует метод getMessage(), чтобы вернуть сообщение об исключении (Throwable на вершине иерархии — ему нечего локализировать, поэтому он вызывает getMessage()).
3. public synchronized Throwable getCause() — этот метод возвращает причину исключения или идентификатор в виде null, если причина неизвестна.
4. public String toString() — этот метод возвращает информацию о Throwable в формате String.
5. public void printStackTrace() — этот метод выводит информацию трассировки стека в стандартный поток ошибок, этот метод перегружен и мы можем передать PrintStream или PrintWriter в качестве аргумента, чтобы написать информацию трассировки стека в файл или поток.

Автоматическое управление ресурсами и улучшения блока перехвата ошибок в Java 7

Если вам нужно перехватывать много исключений в одном блоке try-catch, то блок перехвата будет выглядеть очень некрасиво и в основном будет состоять из избыточного кода. Именно поэтому в Java 7 это было значительно улучшено и теперь мы можем перехватывать несколько исключений в одном блоке catch.

Это выглядит следующим образом:

Как видим, здесь блок catch перехватывает сразу несколько исключений — это очень красиво, компактно и удобно.

В большинстве случаев мы используем блок finally для того, чтобы закрыть открытые потоки, подключения или освободить другие ресурсы. Очень часто мы забываем закрыть и получаем runtime исключения. Такие исключения трудно отлаживать. Поэтому в Java 7 был введен try с ресурсами, где мы можем открыть ресурс в самом try и использовать его внутри блока try-catch. Когда программа заканчивает выполнение блока try-catch, то среда выполнения автоматически закрывает эти ресурсы. Вот пример try-catch блока с ресурсами:

Создание своих классов исключений

Java предоставляет много классов исключений, но иногда нам может понадобиться создать свои «кастомные» классы исключений. Это может понадобиться для того, чтобы уведомить абонента о конкретном типе исключения с соответствующим сообщением. Например, мы напишем метод для обработки только текстовых файлов, поэтому мы можем написать свой класс исключений и передавать соответствующий код ошибки, когда кто-то передает неподходящий тип файла в качестве входных данных.

Вот пример своего класса исключений и его использование:

А теперь проверим в работе наш класс MyException:

Полезные советы по обработке исключений в Java

1. Не используйте для перехвата исключений класс Exception. В иерархии исключений есть множество классов на все случаи жизни вашей программы, которые не только эффективно обработают конкретную ошибку, но и предоставят полезную для пользователя и отладки информацию.
2. Бросайте исключение как можно раньше. Это является хорошей практикой программирования на Java.
3. Ловите исключения только тогда, когда сможете эффективно для пользователя и отладки их обработать.
4. Освобождайте ресурсы. Перехватывая исключение всегда закрывайте открытые ресурсы. Еще проще и эффективнее это делать с Java 7. Используйте try с ресурсами для лаконичного и красивого кода.
5. Логируйте исключения. Логируйте сообщения, которые предоставляет исключение. В большинстве случаев это даст вам четкое понимание причин и поможет в отладке. Не оставляйте пустым блок catch, иначе он будет просто поглощать исключение без каких-либо значимых деталей для отладки.
6. Один catch для нескольких исключений. Используйте преимущества Java 7 для удобства и красоты вашего кода.
7. Используйте свои исключения. Это позволит вам лучше чувствовать свою программу и эффективнее с ней работать.
8. Соглашения об именовании. Когда вы создать свои классы исключений, следите за тем, что из самого названия класса будет ясно, что это исключение.
9. Используйте исключения с умом. Бросить исключение — достаточно дорогостоящая в Java операция. Возможно, в некоторых случаях будем уместно не бросать исключений, а вернуть, например, логическую переменную, которая обозначала успешное или не успешное выполнение метода.
10. Документируйте исключения. Желательно писать javadoc @throws для ваших исключений. Это будет особенно полезно в тех случаях, когда ваша программа предоставляет интерфейс для работы с другими приложениями.

Вот и все, что нужно знать об обработке исключений в Java.