2023-11-13 16:27:39 +08:00
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title: 异常处理
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description: Python 的异常处理概念用法，及如何自定义异常和高级应用实践
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keywords:
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- Python
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- 异常
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- 应用
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tags:
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2024-10-14 16:48:38 +08:00
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- FormalSciences/ComputerScience
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- ProgrammingLanguage/Python
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- Python/Advanced
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2023-11-13 16:27:39 +08:00
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author: 仲平
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date: 2023-11-13
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2023-11-13 12:10:13 +08:00
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## 异常的概念
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**在 Python 中，异常是程序运行时发生的错误，它中断了正常的程序流程。**Python 使用异常对象来表示错误。当程序中发生错误时，Python 会创建一个相应的异常对象。若未处理，程序将终止并显示错误信息。
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异常处理是一种编程结构，用于捕获和响应程序中的异常。正确处理异常可以提高程序的健壮性和可靠性，预防中断或崩溃。
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异常是一种特殊对象，包含错误的详细信息，如类型和发生时的状态。Python 内置了许多标准异常类型，例如 `ValueError`、`TypeError`、`IndexError`，每种类型对应特定错误。
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我们**可以通过异常处理机制捕获异常。**处理异常允许我们决定出错时的响应方式，而非直接让程序崩溃。这对构建健壮和稳定的程序至关重要。
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### 异常层次结构
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```mermaid
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graph LR
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BaseException --> SystemExit
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BaseException --> KeyboardInterrupt
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BaseException --> GeneratorExit
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BaseException --> Exception
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Exception --> StopIteration
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Exception --> ArithmeticError
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ArithmeticError --> FloatingPointError
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ArithmeticError --> OverflowError
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ArithmeticError --> ZeroDivisionError
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Exception --> AssertionError
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Exception --> AttributeError
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Exception --> EOFError
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Exception --> ImportError
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Exception --> ModuleNotFoundError
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Exception --> LookupError
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LookupError --> IndexError
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LookupError --> KeyError
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Exception --> NameError
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NameError --> UnboundLocalError
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Exception --> OSError
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OSError --> IOError
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Exception --> RuntimeError
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RuntimeError --> NotImplementedError
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RuntimeError --> RecursionError
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Exception --> SyntaxError
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Exception --> SystemError
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Exception --> TypeError
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Exception --> ValueError
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Exception --> UnicodeError
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```
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**Python 的异常遵循一定的层次结构。**在这个层次结构的顶端是 `BaseException` 类，它是所有异常的基类。接着是其他一些内置异常，如 `SystemExit`、`KeyboardInterrupt` 等，这些通常用于系统退出和用户中断。
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紧随其后的是 `Exception` 类，它是大多数内置可被应用程序捕获的错误的基类。从 `Exception` 类派生出更具体的异常类，如 `StopIteration`、`ArithmeticError`、`LookupError` 等，这些类又有自己的子类，分别对应特定的错误情况。
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## 基本异常处理（`try`, `except`, `else`, `finally`）
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Python 中处理异常的关键字有四个：`try`、`except`、`finally`、`else`。
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- `try`: 将可能引发异常的代码放在 `try` 块中。
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- `except`: 当 `try` 块中的代码引发异常时，执行 `except` 块中的代码。可指定要捕获的异常类型。一个 `try` 块可以跟随多个 `except` 块，以捕获不同类型的异常。
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- `finally`: 不论 `try` 块是否引发异常，都会执行 `finally` 块。常用于清理操作，如关闭文件。
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- `else`: 若 `try` 块中无异常发生，则执行 `else` 块。`else` 是可选的。
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```Python
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try:
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# 可能抛出异常的代码
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result = 10 / 0
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except ZeroDivisionError:
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# 处理ZeroDivisionError异常的代码
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print("Cannot divide by zero!")
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else:
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# try代码块成功执行后的代码
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print("Operation successful.")
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finally:
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# 无论是否发生异常都会执行的代码
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print("This is the finally block.")
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```
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## Python 内置标准异常
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| 异常名 | 描述 |
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| --------------------- | ------------------------------------- |
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| `BaseException` | **所有异常的基类** |
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| `SystemExit` | 解释器请求退出 |
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| `KeyboardInterrupt` | 用户中断执行 (通常是输入^C) |
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| `Exception` | **常规错误的基类** |
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| `StopIteration` | 迭代器没有更多的值 |
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| `GeneratorExit` | 生成器 (generator) 发生异常来通知退出 |
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| `SystemError` | 解释器发现内部错误 |
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| `SyntaxError` | Python 语法错误 |
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| `IndentationError` | 缩进错误 |
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| `TabError` | Tab 和空格混用 |
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| `NameError` | 未声明/初始化对象 (没有属性) |
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| `UnboundLocalError` | 访问未初始化的本地变量 |
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| `AttributeError` | 对象没有这个属性 |
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| `TypeError` | 对类型无效的操作 |
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| `AssertionError` | 断言语句失败 |
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| `ImportError` | 导入模块/对象失败 |
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| `ModuleNotFoundError` | 找不到模块 |
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| `LookupError` | 无效数据查询的基类 |
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| `IndexError` | 序列中没有此索引 (index) |
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| `KeyError` | 映射中没有这个键 |
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| `ValueError` | 传入无效的参数 |
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| `UnicodeError` | Unicode 相关的错误 |
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| `ArithmeticError` | 数学运算基类 |
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| `FloatingPointError` | 浮点计算错误 |
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| `OverflowError` | 数值运算超出最大限制 |
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| `ZeroDivisionError` | 除 (或取模) 零 (所有数据类型) |
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| `EnvironmentError` | 操作系统错误的基类 |
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| `IOError` | 输入/输出操作失败 |
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| `OSError` | 操作系统错误 |
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| `EOFError` | 没有内建输入,到达 EOF 标记 |
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| `RuntimeError` | 一般的运行时错误 |
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| `NotImplementedError` | 尚未实现的方法 |
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| `RecursionError` | 超过最大递归深度 |
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## 自定义异常的创建和抛出
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**自定义异常通过继承 `Exception` 类来定义。**在自定义类中，可以定义所需的任何方法，但通常自定义异常很简单，只提供基本信息。
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要抛出自定义异常，使用 `raise` 关键字。在 `raise` 语句后，指定异常类型和可选的错误消息。
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```Python
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class CustomError(Exception):
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"""自定义的异常类型"""
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def __init__(self, message):
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self.message = message
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try:
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raise CustomError("This is a custom error.")
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except CustomError as e:
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print("Caught an exception:", e.message)
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```
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## 异常链（`raise from`）和异常上下文
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Python 3 引入异常链允许在处理异常时引发另一个异常，保留原始异常的上下文。使用 `raise from` 实现。
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```python
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try:
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int('a')
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except ValueError as e:
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raise RuntimeError('转换错误') from e
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```
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## 警告（`warnings` 模块）的实用场景
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警告不中断程序，但提供有关潜在问题的信息。`warnings` 模块发出警告并处理。使用警告来通知即将废弃的功能，或提醒用户注意非关键问题。
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```python
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import warnings
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def my_function():
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warnings.warn("这个功能即将废弃", DeprecationWarning)
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my_function()
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```
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## 异常处理最佳实践
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### 合适的异常处理策略
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- **确切地知道你在捕获什么**：仅捕获能正确处理的异常。
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- **避免捕获太广泛的异常**：避免使用空 `except:` 子句，以免捕获所有异常。
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- **在正确的层级处理异常**：在适当的抽象级别处理异常，避免在函数内部处理应由调用者处理的异常。
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### 避免常见错误
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- **过度使用异常处理**：不要使用异常处理来控制正常程序流程。
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- **在异常处理中隐藏错误**：捕获异常时应记录或报告错误信息。
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- **错误地屏蔽异常**：避免在 `except` 块中引发新异常，覆盖原始异常。
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## 异常处理示例：网络应用程序
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在网络应用程序中，需要从远程服务器获取数据。这可能因多种原因失败，如网络问题或服务器错误。使用异常处理优雅地处理这些问题，并提供回退机制或错误信息。
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```python
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import requests
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try:
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response = requests.get('https://example.com/data')
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response.raise_for_status()
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except requests.exceptions.HTTPError as he:
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print(f'HTTP错误: {he}')
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except requests.exceptions.ConnectionError as ce:
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print(f'连接错误: {ce}')
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except requests.exceptions.Timeout as te:
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print(f'请求超时: {te}')
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else:
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# 处理成功的响应
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process_data(response)
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```
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在这个例子中，使用 [requests HTTP 库](Tech/programming-language/Python/模块/网络处理/requests%20HTTP%20库.md) 分别处理了 HTTP 错误、连接错误和超时错误，每种类型的错误都有专门的异常类。这使得错误处理更加具体和有用。
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