第17课｜异常处理

本课目标

完成本课后，你将能够：

• 理解异常的概念与 Ada 预定义异常
• 掌握异常处理器的编写与异常传播
• 学习自定义异常的声明与触发
• 运用异常编写健壮、容错的代码

---

一、异常的基本概念

1.1 什么是异常

异常是程序运行时发生的错误或特殊情况，如除零、数组越界、内存不足等。Ada 提供异常处理机制，允许程序捕获异常并采取适当措施，避免崩溃。

procedure Divider is
   A, B : Integer;
begin
   A := 10;
   B := 0;
   A := A / B;   -- 这里会触发 Constraint_Error
exception
   when Constraint_Error =>
      Ada.Text_IO.Put_Line ("除以零错误！");
end Divider;

1.2 异常的优势

• 将错误处理代码与正常逻辑分离
• 可以在调用栈中向上传播，由适当的层级处理
• 强制处理或至少意识到潜在错误

---

二、预定义异常

Ada 定义了一些标准异常，在特定错误发生时自动触发。

异常	触发场景
Constraint_Error	范围检查失败、数组索引越界、除零、空指针访问等
Program_Error	程序逻辑错误（如未初始化的子程序调用）
Storage_Error	内存不足或栈溢出
Tasking_Error	任务相关的错误（并发编程）
Numeric_Error	数值运算错误（已被 Constraint_Error 取代，保留用于兼容）

2.1 Constraint_Error 示例

procedure Demo_Constraint is
   subtype Small is Integer range 1 .. 10;
   X : Small := 5;
begin
   X := X + 10;   -- 超出范围，触发 Constraint_Error
exception
   when Constraint_Error =>
      Ada.Text_IO.Put_Line ("范围溢出");
end Demo_Constraint;

2.2 Program_Error 示例

procedure Demo_Program_Error is
   type Func_Ptr is access function (X : Integer) return Integer;
   P : Func_Ptr;   -- 未初始化
begin
   -- P.all (5);    -- 调用空访问值，触发 Program_Error
   null;
exception
   when Program_Error =>
      Ada.Text_IO.Put_Line ("程序逻辑错误");
end Demo_Program_Error;

2.3 Storage_Error 示例

procedure Demo_Storage is
   type Big_Array is array (1 .. Integer'Last) of Integer;
   A : Big_Array;   -- 可能触发 Storage_Error
begin
   null;
exception
   when Storage_Error =>
      Ada.Text_IO.Put_Line ("内存不足");
end Demo_Storage;

---

三、异常处理器的编写

3.1 基本语法

exception 部分放在子程序或包的 end 之前，包含一个或多个 when 分支：

procedure Example is
begin
   -- 可能触发异常的代码
   ...
exception
   when Constraint_Error =>
      -- 处理约束错误
      Ada.Text_IO.Put_Line ("约束错误");
   when Program_Error | Storage_Error =>
      -- 处理多个异常
      Ada.Text_IO.Put_Line ("系统错误");
   when others =>
      -- 捕获所有未列出的异常
      Ada.Text_IO.Put_Line ("未知错误");
end Example;

3.2 when others 分支

when others 必须放在最后，作为默认处理器。推荐至少记录错误信息，避免异常被静默忽略。

exception
   when Constraint_Error =>
      ...
   when others =>
      Ada.Text_IO.Put_Line ("未预期的异常");
      raise;   -- 重新抛出当前异常，让上层处理

3.3 异常处理器中的 raise

可以在处理器中重新抛出异常，让上层继续处理：

procedure Sub_Proc is
begin
   ...
exception
   when Constraint_Error =>
      Ada.Text_IO.Put_Line ("Sub_Proc 中捕获，重新抛出");
      raise;   -- 重新抛出同一异常
end Sub_Proc;

---

四、自定义异常

4.1 声明异常

可以在任何声明区域定义自己的异常：

package Stack is
   Stack_Empty : exception;
   Stack_Full  : exception;
   procedure Push (Item : Integer);
   procedure Pop (Item : out Integer);
end Stack;

4.2 触发异常

使用 raise 语句触发异常，可以附带错误消息（Ada 2005+）：

package body Stack is
   Max_Size : constant := 100;
   type Stack_Array is array (1 .. Max_Size) of Integer;
   Data : Stack_Array;
   Top  : Integer := 0;
   
   procedure Push (Item : Integer) is
   begin
      if Top = Max_Size then
         raise Stack_Full;
      end if;
      Top := Top + 1;
      Data (Top) := Item;
   end Push;
   
   procedure Pop (Item : out Integer) is
   begin
      if Top = 0 then
         raise Stack_Empty;
      end if;
      Item := Data (Top);
      Top := Top - 1;
   end Pop;
end Stack;

4.3 带消息的 raise

raise Stack_Full with "Stack capacity exceeded";

捕获时可通过 Exception_Message 获取消息：

with Ada.Exceptions; use Ada.Exceptions;

exception
   when E : Stack_Full =>
      Ada.Text_IO.Put_Line (Exception_Message (E));

---

五、异常的传播

5.1 传播机制

如果异常在当前子程序中没有被处理，它会向调用者传播，直到被某个处理器捕获。如果传播到主程序仍未处理，程序终止。

procedure Level3 is
begin
   raise Constraint_Error;
end Level3;

procedure Level2 is
begin
   Level3;
exception
   when Program_Error =>
      Ada.Text_IO.Put_Line ("Level2 捕获 Program_Error");
end Level2;

procedure Level1 is
begin
   Level2;
exception
   when Constraint_Error =>
      Ada.Text_IO.Put_Line ("Level1 捕获 Constraint_Error");
end Level1;

调用 Level1 输出：

Level1 捕获 Constraint_Error

因为 Level3 抛出的 Constraint_Error 未被 Level2 捕获（Level2 只处理 Program_Error），所以传播到 Level1。

5.2 未处理异常

未捕获的异常会导致程序终止，并输出错误信息（取决于运行时环境）。

procedure Unhandled is
begin
   raise Constraint_Error;
end Unhandled;
-- 运行时输出类似：
-- raised CONSTRAINT_ERROR : unhandled exception

---

六、异常与子程序参数

6.1 子程序内部异常

子程序内部发生的异常，如果未被处理，会传播到调用者。参数的值可能不确定（对于 out 和 in out 参数，如果异常发生在赋值之后，其值可能已改变）。Ada 不保证参数的原子性。

procedure Set_Value (X : out Integer) is
begin
   X := 10;
   raise Constraint_Error;   -- 传播前 X 已被赋值
end Set_Value;

6.2 避免部分更新

如果需要在异常时回滚状态，可以先用局部变量计算，确认无异常后再赋值：

procedure Safe_Update (Target : out Integer; Source : Integer) is
   Temp : Integer;
begin
   Temp := Source * 2;
   if Temp > 100 then
      raise Constraint_Error;
   end if;
   Target := Temp;   -- 只有成功时才修改输出参数
end Safe_Update;

---

七、异常与包初始化

包体初始化部分（begin ... end）抛出的异常会导致程序终止，除非在初始化代码中捕获。

package Init_Error is
   procedure P;
end Init_Error;

package body Init_Error is
   procedure P is
   begin
      null;
   end P;
begin
   Ada.Text_IO.Put_Line ("Initializing...");
   raise Constraint_Error;   -- 程序会终止
end Init_Error;

要优雅处理，可以在初始化代码内部使用异常处理器：

begin
   begin
      -- 可能失败的初始化
      ...
   exception
      when Constraint_Error =>
         Ada.Text_IO.Put_Line ("Init failed, using defaults");
   end;
end Init_Error;

---

八、完整示例：文件读取与异常处理

-- 文件名: file_reader.adb
-- 功能：读取文件并处理各种异常

with Ada.Text_IO;
with Ada.Exceptions; use Ada.Exceptions;

procedure File_Reader is
   
   File_Name : constant String := "data.txt";
   File      : Ada.Text_IO.File_Type;
   Line      : String (1 .. 100);
   Last      : Integer;
   
   -- 自定义异常
   File_Empty : exception;
   
   -- 读取并处理文件
   procedure Process_File (Name : String) is
      Line_Count : Integer := 0;
   begin
      Ada.Text_IO.Open (File, Ada.Text_IO.In_File, Name);
      Ada.Text_IO.Put_Line ("Opened file: " & Name);
      
      loop
         Ada.Text_IO.Get_Line (File, Line, Last);
         Line_Count := Line_Count + 1;
         Ada.Text_IO.Put_Line (Integer'Image (Line_Count) & ": " & Line (1 .. Last));
      end loop;
      
   exception
      when Ada.Text_IO.End_Error =>
         Ada.Text_IO.Put_Line ("End of file reached. Total lines: " & 
                               Integer'Image (Line_Count));
         if Line_Count = 0 then
            raise File_Empty;
         end if;
         Ada.Text_IO.Close (File);
         
      when Ada.Text_IO.Name_Error =>
         Ada.Text_IO.Put_Line ("File not found: " & Name);
         raise;
         
      when Ada.Text_IO.Status_Error =>
         Ada.Text_IO.Put_Line ("File already open or invalid");
         
      when others =>
         Ada.Text_IO.Put_Line ("Unexpected error: " & Exception_Information (Exception_Information'First));
   end Process_File;
   
begin
   Process_File (File_Name);
   
exception
   when File_Empty =>
      Ada.Text_IO.Put_Line ("File is empty");
      
   when E : others =>
      Ada.Text_IO.Put_Line ("Program failed: " & Exception_Message (E));
end File_Reader;

---

九、本课总结

• Ada 预定义异常（Constraint_Error、Program_Error、Storage_Error 等）覆盖常见运行时错误
• 使用 exception 部分捕获异常，when 分支区分不同异常
• raise 触发异常，可附带消息（Ada 2005+）
• 未处理的异常沿调用链向上传播，直到被捕获或程序终止
• 自定义异常扩展错误类型，提高代码可读性
• 在子程序和包初始化中要小心处理异常，避免数据不一致

---

十、课后练习

1. 基本练习：编写一个除法函数，捕获除零异常并返回 0.0。

2. 自定义异常：实现一个银行账户包，提款时若余额不足则触发 Insufficient_Funds 异常，并带消息显示当前余额。

3. 异常传播：编写三个嵌套子程序，最深层抛出 Program_Error，中间层捕获并记录后重新抛出，最外层捕获并输出消息。

4. 包初始化异常：创建一个包，在初始化时检查某个配置变量的值，若无效则触发异常。在主程序中捕获并处理。

5. 文件处理：编写程序打开不存在的文件，捕获 Name_Error 并提示用户输入正确文件名。

---

十一、下节预告

第18课｜输入输出详解

我们将：

• 掌握 Ada.Text_IO 与 Ada.Integer_Text_IO 的使用
• 学习文件输入输出的各种模式
• 理解格式化输出与控制
• 应用输入输出构建交互式程序

---

关键术语表

异常：程序运行时发生的错误或特殊情况

预定义异常：Ada 标准库中定义的常见异常（Constraint_Error 等）

exception：定义异常处理器或声明异常的关键字

raise：显式触发异常的关键字

when：在处理器中匹配特定异常的分支关键字

others：捕获所有未列出的异常的通配分支

Exception_Message：获取异常附带消息的函数（Ada.Exceptions）

异常传播：异常未被处理时向调用者传递的过程

自定义异常：用户声明的异常，用于特定业务逻辑错误

---