12 Python 中的异常处理

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2023-12-01

程序读文件内容的过程可能会发生错误，例如：要读取的文件不存在。传统的错误处理方式如下：

某个函数 f 在运行过程中可能会发生错误；
函数 f 发生错误时，函数 f 返回错误代码；
在调用函数 f 的地方，需要检查 f 的返回值是否有错。

1. 传统的错误处理方式

1.1 返回错误码

例如，在 C 语言中，函数 open 用于打开一个文件，它的声明如下：

int open(char *path, int mode);

参数 path 指定要打开的文件；
参数 mode 指定打开文件的方式：只读、读写；
函数返回一个整数，该整数作为文件的标识符；
- 如果打开文件成功，则返回一个非负的整数；
- 如果打开文件失败，则返回 -1。

因此，通过检查函数 open 的返回值，即可以判断 open 是否成功，示例如下：

int file = open("test.txt", O_RDONLY);
if (file < 0)
    puts("open file failed");
    ...

在第 1 行，函数 open 打开文件 test.txt
在第 2 行，如果函数 open 的返回值小于 0，则表示打开文件失败

1.2 缺点

通过错误代码的方式很容易理解，但是存在一个严重的问题：用户可能忘记了错误检查。例如：

int file = open("test.txt", O_RDONLY);
char buf[1024];
read(file, buf, sizeof(buf));
对 buf 中的数据进行处理;
close(file);

在第 1 行，使用 open 打开文件；
- 在此处忘记对 open 的返回值进行检查；
- 如果文件 test.txt 不存在，则 open 返回 -1，此时 file 为 -1；
在第 3 行，使用 read 读取文件 file，将内容读取到 buf 中；
- open 的操作失败了，此时 file 为 -1；
- read 的第一个参数 file 是一个无效的文件标识符；
- read 的操作必然也是失败的；
在第 4 行，对 buf 中的数据进行处理；
- open 操作和 open 操作都发生了错误；
- buf 中的数据是无效数据。

在整个过程中，发生了两次错误：open 文件失败、read 文件失败，但是用户没有得到任何提醒。buf 中的数据是无效的，对读取的数据进行操作是无效的。

2. 异常的处理方式

Python 程序的执行过程中，当发生错误时会引起一个事件，该事件被称为异常。异常会打断程序的正常执行流程，例如，编写程序 control-flow.py：

print('AAA')
100 / 0
print('BBB') # 此行代码不会被执行

在第 1 行，打印 AAA；
在第 2 行，100 除以 0；
- 除数是 0，Python 无法执行该条语句，Python 产生一个异常事件通知用户；
在第 3 行，打印 BBB。

程序运行的结果如下：

AAA
Traceback (most recent call last):
  File "control-flow.py", line 2, in <module>
    100 / 0
ZeroDivisionError: division by zero

在第 1 行，程序输出 AAA；
在第 3 行，指明了产生异常的位置：File “control-flow.py”, line 2；
- 在文件 “control-flow.py” 的第 2 行，产生了异常；
- 这行信息非常重要，用于排查错误；
在第 5 行，指明了异常的类型 ZeroDivisionError: division by zero；
- 程序的执行流程被打断了，程序不再执行发生异常之后的代码；
- 当发生异常时需要捕获处理它，否则程序会中止执行。

1.3 读取文件

编写一个读取文件内容的 Python 程序，如果不进行错误处理，代码如下：

file = open('test.txt')
line = file.readline()
print(line)
file.close()

在第 1 行，打开文件 test.txt；
在第 2 行，读取文件的一行；
在第 3 行，打印；
在第 4 行，关闭文件。

在下面的小节中，将使用异常处理对这个程序逐步进行改进。

2. try … except 语句

2.1 基本用法

Python 处理异常的基本语法如下：

try:
	可能发生异常的代码块
except:
	处理异常的代码块

在 try 关键字后，是可能发生异常的代码块；
- 当发生异常后，程序跳转到处理异常的代码块；
在 except 关键字后，是处理异常的代码块。

下面的程序首先抛出异常，然后捕获该异常，代码如下：

try:
    print('try:')
    100/0
    print('never reach here')
except:    
    print('except:')

在第 2 行，打印字符串 ‘try:’；
在第 3 行，执行 100/0，除数是 0，会抛出异常；
在第 4 行，抛出异常后，程序跳转到处理异常的代码块，该行代码不会被执行；
在第 6 行，捕获异常后，打印字符串 ‘except:’。

程序运行输出：

try:
except:

2.2 处理指定类型的异常

在 except 关键字后加上异常类型，表示仅处理该类型的异常，语法如下：

try:
	可能发生异常的代码块
except 异常类型:
	处理异常的代码块

下面的程序仅处理 ZeroDivisionError 类型的异常：

try:
    print('try:')
    100/0
    print('never reach here')
except ZeroDivisionError:
    print('except ZeroDivisionError:')

在第 2 行，打印字符串 ‘try:’；
在第 3 行，执行 100/0，除数是 0，会抛出 ZeroDivisionError 类型的异常；
在第 4 行，抛出异常后，程序跳转到处理异常的代码块，该行代码不会被执行；
在第 5 行，程序仅仅捕获 ZeroDivisionError 类型的异常；
在第 6 行，捕获异常后，打印字符串 ‘except ZeroDivisionError:’。

程序运行输出：

2.3 处理多种类型的异常

可以使用多个 except 关键字处理多种类型的异常，语法如下：

try:
	可能发生异常的代码块
except 异常类型1:
	处理异常的代码块	
except 异常类型2:
	处理异常的代码块	
...

编写一个能够捕获两种类型的异常的程序，首先编写函数 generateError。函数 generateError 在运行时，可能抛出两种类型的异常，代码如下：

def generateError():
    import random
    number = random.randint(0, 1)
    if number == 0:
        100 / 0
    else:
        file = open('none-exsist-file')

在第 3 行，产生一个 [0, 1] 之间的随机数
在第 4 行，如果随机数是 0
- 在第 5 行，被除数是 0，产生 ZeroDivisionError 类型的异常
在第 6 行，如果随机数是 1
- 在第 7 行，打开一个不存在的文件，产生 IOError 类型的异常

编写捕获两种类型异常的程序：

try:
    print('try:')
    generateError()
    print('never reach here')
except ZeroDivisionError:
    print('except ZeroDivisionError:')
except IOError:    
    print('except IOError:')

在第 3 行，调用 generateError()，会随机抛出 ZeroDivisionError 类型或者 IOError 类型的异常；
在第 5 行，程序捕获 ZeroDivisionError 类型的异常；
- 在第 6 行，捕获异常后，打印字符串 ‘except ZeroDivisionError:’；
在第 7 行，程序捕获 IOError 类型的异常；
- 在第 8 行，捕获异常后，打印字符串 ‘except IOError:’。

2.4 except … as

在捕获异常时，不仅可以获取异常类型，还可以获取异常对象，语法如下：

except 异常类型 as 异常对象:

下面的例子处理异常时，同时获取了异常类型和异常对象：

try:
	list = ['www', 'imooc', 'com']
	print(list[3])
except Exception as e:
	print('except: %s' % e)

在第 4 行，异常类型为 Exception，异常对象为 e
在第 5 行，打印异常对象 e

程序输出如下：

except: list index out of range

2.5 读取文件

下面的程序实现 1.3 小节读取文件的功能需求：

try:
    file = open('test.txt')
    line = file.readline()
    print(line)
    file.close()
except IOError:    
    print('except IOError:')

在第 2 行，调用 open 函数可能会产生 IOError；
在第 3 行，调用 readline 函数可能会产生 IOError；
在第 5 行，关闭文件；
- 当异常发生时，该行代码不会被执行；
在第 6 行，捕获 IOError 类型的异常。

这个版本的程序的缺陷在于，当异常发生时，关闭文件的代码不会被执行。文件打开后，没有及时关闭，会带来潜在的问题。在下面的小节中，将对这个程序进行改进。

3. try … else 语句

3.1 基本用法

在异常处理中 else 关键字用于指定没有异常时执行的代码块，语法如下：

try:
	可能发生异常的代码块
except:
	处理异常的代码块
else:
    没有异常时执行的代码块

当发生异常时，执行 except 对应的代码块
当没有发生异常时，执行 else 对应的代码块

3.2 读取文件

下面的程序实现 1.3 小节读取文件的功能需求：

try:
    file = open('test.txt')
    line = file.readline()
except IOError:    
    print('except IOError:')
else:
    print(line)
    file.close()

在第 2 行，调用 open 函数可能会产生 IOError；
在第 3 行，调用 readline 函数可能会产生 IOError；
在第 5 行，关闭文件；
- 当异常发生时，该行代码不会被执行；
在第 6 行，else 关键字定义了没有异常时执行的代码；
- 在第 7 行，打印文件内容；
- 在第 8 行，关闭文件。

这个版本的程序的仍然存在缺陷，当异常发生时，关闭文件的代码不会被执行。文件打开后，没有及时关闭，会带来潜在的问题。在下面的小节中，将对这个程序进行改进。

4. try … finally 语句

4.1 基本用法

在异常处理中，finally 关键字用于指定无论是否发生异常都需要执行的代码块，语法如下：

try:
	可能发生异常的代码块
except:
	处理异常的代码块
finally:
    无论是否发生异常都会执行的代码块

下面的程序在执行过程中没有异常：

try:
    print('try:')
finally:    
    print('finally:')

程序输出：

try:
finally:

下面的程序在执行过程中产生异常：

try:
    print('try:')
    100 / 0
finally:    
    print('finally:')

程序输出：

try:
finally:

可以看出，无论是否发生异常，finally 定义的代码块总是被执行。

4.2 读取文件

下面的程序实现 1.3 小节读取文件的功能需求：

try:
    file = open('test.txt')
  	line = file.readline()
   	print(line)
except IOError:
    print('except IOError:')
finally:
	if file:
  		file.close()

在第 2 行，调用 open 函数可能会产生 IOError；
- 如果在此处产生 IOError，变量 file 的值为空；
在第 3 行，调用 readline 函数可能会产生 IOError；
- 如果在此处产生 IOError，因为已经成功打开了文件，变量 file 的值不为空；
在第 5 行，捕获 IOError 类型的异常；
在第 7 行，finally 关键字定义了最终需要执行的代码块；
- 发生异常时，会执行该代码块；
- 没有异常时，也会执行该代码块；
在第 8 行，检查变量 file 的值是否为空；
- 如果程序在 open 的地方发生异常，变量 file 的值为空，不需要关闭文件；
- 如果程序在 readline 的地方发生异常，变量 file 的值不为空，需要关闭文件。

5. raise 语句

Python 提供了 raise 语句用于抛出异常，raise 语句有 3 种形式：

形式	功能
raise	不带任何参数
raise Exception	把异常的名称作为参数
raise Exception(info)	把异常的名称、异常的描述信息作为参数

5.1 raise

try:
	print('try:')
	raise
	print('never reach here')
except:
	print('except:')

在第 3 行，使用 raise 抛出异常；
在第 4 行，不会执行这行代码，执行 raise 后，程序流程跳转到第 5 行；
在第 5 行，捕获程序抛出的异常。

程序输出如下：

try:
except:

5.2 raise Exception

try:
	print('try:')
	raise ValueError
	print('never reach here')
except ValueError:
	print('except ValueError:')

在第 3 行，使用 raise 抛出特定类型的异常 ValueError；
在第 4 行，不会执行这行代码，执行 raise 后，程序流程跳转到第 5 行；
在第 5 行，捕获程序抛出的 ValueError 类型的异常。

程序输出如下：

try:
except ValuseError:

5.3 raise Exception(info)

编写程序 raise.py 如下：

try:
	text = input('Please input digit: ')
	if not text.isdigit():
		info = '"%s" is not digit' % text
		raise ValueError(info)
except ValueError as e:
	print('except ValueError: %s' % e)

在第 2 行，提示用户输入数字；
在第 3 行，如果用户输入的不是数字；
- 在第 4 行，拼接字符串 info 用于描述错误的具体信息；
- 在第 5 行，ValueError(info) 创建了一个对象，包括：异常类型和错误信息，使用 raise 抛出该异常对象；
在第 6 行，捕获程序抛出的 ValueError 类型的异常，变量 e 指向 raise 语句抛出的异常。

程序输出如下：

C:> python raise.py
Please input digit: abc
try:
except ValuseError: abc is not digit

在第 2 行，用户输入 abc
在第 4 行，提示用户的输入错误: “abc is not digit”，具体的错误信息对用户要友好