异常与多线程概述

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day05【异常、线程】

主要内容

  • 异常、线程

教学目标

  • [] 能够辨别程序中异常和错误的区别
  • [] 说出异常的分类
  • [] 说出虚拟机处理异常的方式
  • [] 列举出常见的三个运行期异常
  • [] 能够使用 try…catch 关键字处理异常
  • [] 能够使用 throws 关键字处理异常
  • [] 能够自定义异常类
  • [] 能够处理自定义异常类
  • [] 说出进程的概念
  • [] 说出线程的概念
  • [] 能够理解并发与并行的区别
  • [] 能够开启新线程

第一章 异常

1.1 异常概念

异常，就是不正常的意思。在生活中: 医生说, 你的身体某个部位有异常, 该部位和正常相比有点不同, 该部位的功能将受影响. 在程序中的意思就是：

  • 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，产生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。

异常指的并不是语法错误, 语法错了, 编译不通过, 不会产生字节码文件, 根本不能运行.

1.2 异常体系

异常机制其实是帮助我们 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 与java.lang.Exception，平常所说的异常指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。好比感冒、阑尾炎。

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, 还包括异常出现的位置, 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, 不要紧张, 把异常的简单类名, 拷贝到 API 中去查。

1.3 异常分类

我们平常说的异常就是指 Exception，因为这类异常一旦出现，我们就要对代码进行更正，修复程序。

异常 (Exception) 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。(如日期格式化异常)
  • 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(不报错)。(如数学异常)

​

1.4 异常的产生过程解析

先运行下面的程序，程序会产生一个数组索引越界异常 ArrayIndexOfBoundsException。我们通过图解来解析下异常产生的过程。

工具类

public class ArrayTools {
    // 对给定的数组通过给定的角标获取元素。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};
        intnum = ArrayTools.getElement(arr, 4)
        System.out.println("num=" + num);
        System.out.println("over");
    }
}

上述程序执行过程图解：

第二章 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。那么，抛出一个异常具体如何操作呢？

  1. 创建一个异常对象。封装一些提示信息(信息可以自己编写)。
  2. 需要将这个异常对象告知给调用者。怎么告知呢？怎么将这个异常对象传递到调用者处呢？通过关键字 throw 就可以完成。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");

学习完抛出异常的格式后，我们通过下面程序演示下 throw 的使用。

public class ThrowDemo {public static void main(String[] args) {
        // 创建一个数组 
        int[] arr = {2,4,52,2};
        // 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，方法已经无法继续运算。这时就会结束当前方法的执行，并将异常告知给调用者。这时就需要通过异常来解决。*/
             throw new ArrayIndexOutOfBoundsException("哥们，角标越界了~~~");
        }
        int element = arr[index];
        return element;
    }
}

注意：如果产生了问题，我们就会 throw 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，该怎么处理呢？一种是进行捕获处理，另一种就是继续讲问题声明出去，使用 throws 声明处理。

2.2 Objects 非空判断

还记得我们学习过一个类 Objects 吗，曾经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> T requireNonNull(T obj): 查看指定引用对象不是 null。

查看源码发现这里对为 null 的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（稍后讲解该方式），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…{}

声明异常的代码演示：

public class ThrowsDemo {public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException {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
    public static void read(String path) throws FileNotFoundException {if (!path.equals("a.txt")) {// 如果不是 a.txt 这个文件 
            // 我假设  如果不是 a.txt 认为 该文件不存在 是一个错误 也就是异常  throw
            throw new FileNotFoundException("文件不存在");
        }
    }
}

throws 用于进行异常类的声明，若该方法可能有多种异常情况产生，那么在 throws 后面可以写多个异常类，用逗号隔开。

public class ThrowsDemo2 {public static void main(String[] args) throws IOException {read("a.txt");
    }

    public static void read(String path)throws FileNotFoundException, IOException {if (!path.equals("a.txt")) {// 如果不是 a.txt 这个文件 
            // 我假设  如果不是 a.txt 认为 该文件不存在 是一个错误 也就是异常  throw
            throw new FileNotFoundException("文件不存在");
        }
        if (!path.equals("b.txt")) {throw new IOException();
        }
    }
}

2.4 捕获异常 try…catch

如果异常出现的话, 会立刻终止程序, 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, 必须连用。

演示如下：

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) {// 括号中需要定义什么呢？//try 中抛出的是什么异常，在括号中就定义什么异常类型
            System.out.println(e);
        }
        System.out.println("over");
    }
    /*
     *
     * 我们 当前的这个方法中 有异常  有编译期异常
     */
    public static void read(String path) throws FileNotFoundException {if (!path.equals("a.txt")) {// 如果不是 a.txt 这个文件 
            // 我假设  如果不是 a.txt 认为 该文件不存在 是一个错误 也就是异常  throw
            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：有一些特定的代码无论异常是否发生，都需要执行。另外，因为异常会引发程序跳转，导致有些语句执行不到。而 finally 就是解决这个问题的，在 finally 代码块中存放的代码都是一定会被执行的。

什么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。

finally 的语法:

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。

比如在我们之后学习的 IO 流中，当打开了一个关联文件的资源，最后程序不管结果如何，都需要把这个资源关闭掉。

finally 代码参考如下：

public class TryCatchDemo4 {public static void main(String[] args) {
        try {read("a.txt");
        } catch (FileNotFoundException e) {
            // 抓取到的是编译期异常  抛出去的是运行期 
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {System.out.println("不管程序怎样，这里都将会被执行。");
        }
        System.out.println("over");
    }
    /*
     *
     * 我们 当前的这个方法中 有异常  有编译期异常
     */
    public static void read(String path) throws FileNotFoundException {if (!path.equals("a.txt")) {// 如果不是 a.txt 这个文件 
            // 我假设  如果不是 a.txt 认为 该文件不存在 是一个错误 也就是异常  throw
            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, 此时 finally 才不会执行, 否则 finally 永远会执行。

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。

一般我们是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, 就用该 catch 来捕获.
     处理异常的代码
     // 记录日志 / 打印异常信息 / 继续抛出异常
}catch(异常类型 B  e){  当 try 中出现 B 类型异常, 就用该 catch 来捕获.
     处理异常的代码
     // 记录日志 / 打印异常信息 / 继续抛出异常
}

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

第三章 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 SUN 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。

在上述代码中，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. 那么能不能自己定义异常呢？

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异常类.

自定义一个业务逻辑异常: RegisterException。一个注册异常类。

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

要求：我们模拟注册操作，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。

首先定义一个登陆异常类 RegisterException：

// 业务逻辑异常
public class RegisterException extends Exception {
    /**
     * 空参构造
     */
    public RegisterException() {}

    /**
     *
     * @param message 表示异常提示
     */
    public RegisterException(String message) {super(message);
    }
}

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 Demo {
    // 模拟数据库中已存在账号
    private static String[] names = {"bill","hill","jill"};
   
    public static void main(String[] args) {     
        // 调用方法
        try{
              // 可能出现异常的代码
            checkUsername("nill");
            System.out.println("注册成功");// 如果没有异常就是注册成功
        }catch(RegisterException e){
            // 处理异常
            e.printStackTrace();}
    }

    // 判断当前注册账号是否存在
    // 因为是编译期异常，又想调用者去处理 所以声明该异常
    public static boolean checkUsername(String uname) throws LoginException{for (String name : names) {if(name.equals(uname)){// 如果名字在这里面 就抛出登陆异常
                throw new RegisterException("亲"+name+"已经被注册了！");
            }
        }
        return true;
    }
}

第四章 多线程

我们在之前，学习的程序在没有跳转语句的前提下，都是由上至下依次执行，那现在想要设计一个程序，边打游戏边听歌，怎么设计？

要解决上述问题, 咱们得使用多进程或者多线程来解决.

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

我们可以再电脑底部任务栏，右键 —–> 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

代码如下：

测试类：

public class Demo01 {public static void main(String[] args) {
        // 创建自定义线程对象
        MyThread mt = new MyThread("新的线程！");
        // 开启新线程
        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);
        }
    }
}

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，完成该线程执行的逻辑
     */
    @Override
    public void run() {for (int i = 0; i < 10; i++) {System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i);
        }
    }
}

正文完
发表至： java
2019-07-16
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