Python 中的異常處理

程序讀文件內容的過程可能會發生錯誤，例如：要讀取的文件不存在。傳統的錯誤處理方式如下：

• 某個函數 f 在運行過程中可能會發生錯誤；
• 函數 f 發生錯誤時，函數 f 返回錯誤代碼；
• 在調用函數 f 的地方，需要檢查 f 的返回值是否有錯。

1. 傳統的錯誤處理方式

1.1 返回錯誤碼

例如，在 C 語言中，函數 open 用于打開一個文件，它的聲明如下：

int open(char *path, int mode);

• 參數 path 指定要打開的文件；
• 參數 mode 指定打開文件的方式：只讀、讀寫；
• 函數返回一個整數，該整數作為文件的標識符；
  • 如果打開文件成功，則返回一個非負的整數；
  • 如果打開文件失敗，則返回 -1。

因此，通過檢查函數 open 的返回值，即可以判斷 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，函數 open 打開文件 test.txt
• 在第 2 行，如果函數 open 的返回值小于 0，則表示打開文件失敗

1.2 缺點

通過錯誤代碼的方式很容易理解，但是存在一個嚴重的問題：用戶可能忘記了錯誤檢查。例如：

int file = open("test.txt", O_RDONLY);
char buf[1024];
read(file, buf, sizeof(buf));
對 buf 中的數據進行處理;
close(file);

• 在第 1 行，使用 open 打開文件；
  • 在此處忘記對 open 的返回值進行檢查；
  • 如果文件 test.txt 不存在，則 open 返回 -1，此時 file 為 -1；
• 在第 3 行，使用 read 讀取文件 file，將內容讀取到 buf 中；
  • open 的操作失敗了，此時 file 為 -1；
  • read 的第一個參數 file 是一個無效的文件標識符；
  • read 的操作必然也是失敗的；
• 在第 4 行，對 buf 中的數據進行處理；
  • open 操作和 read 操作都發生了錯誤；
  • buf 中的數據是無效數據。

在整個過程中，發生了兩次錯誤：open 文件失敗、read 文件失敗，但是用戶沒有得到任何提醒。buf 中的數據是無效的，對讀取的數據進行操作是無效的。

2. 異常的處理方式

Python 程序的執行過程中，當發生錯誤時會引起一個事件，該事件被稱為異常。異常會打斷程序的正常執行流程，例如，編寫程序 control-flow.py：

print('AAA')
100 / 0
print('BBB') # 此行代碼不會被執行

• 在第 1 行，打印 AAA；
• 在第 2 行，100 除以 0；
  • 除數是 0，Python 無法執行該條語句，Python 產生一個異常事件通知用戶；
• 在第 3 行，打印 BBB。

程序運行的結果如下：

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

• 在第 1 行，程序輸出 AAA；
• 在第 3 行，指明了產生異常的位置：File “control-flow.py”, line 2；
  • 在文件 “control-flow.py” 的第 2 行，產生了異常；
  • 這行信息非常重要，用于排查錯誤；
• 在第 5 行，指明了異常的類型 ZeroDivisionError: division by zero；
  • 程序的執行流程被打斷了，程序不再執行發生異常之后的代碼；
  • 當發生異常時需要捕獲處理它，否則程序會中止執行。

1.3 讀取文件

編寫一個讀取文件內容的 Python 程序，如果不進行錯誤處理，代碼如下：

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

• 在第 1 行，打開文件 test.txt；
• 在第 2 行，讀取文件的一行；
• 在第 3 行，打印；
• 在第 4 行，關閉文件。

在下面的小節中，將使用異常處理對這個程序逐步進行改進。

2. try … except 語句

2.1 基本用法

Python 處理異常的基本語法如下：

try:
	可能發生異常的代碼塊
except:
	處理異常的代碼塊	

• 在 try 關鍵字后，是可能發生異常的代碼塊；
  • 當發生異常后，程序跳轉到處理異常的代碼塊；
• 在 except 關鍵字后，是處理異常的代碼塊。

下面的程序首先拋出異常，然后捕獲該異常，代碼如下：

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，執行 100/0，除數是 0，會拋出異常；
• 在第 4 行，拋出異常后，程序跳轉到處理異常的代碼塊，該行代碼不會被執行；
• 在第 6 行，捕獲異常后，打印字符串 ‘except:’。

程序運行輸出：

try:
except:

2.2 處理指定類型的異常

在 except 關鍵字后加上異常類型，表示僅處理該類型的異常，語法如下：

try:
	可能發生異常的代碼塊
except 異常類型:
	處理異常的代碼塊	

下面的程序僅處理 ZeroDivisionError 類型的異常：

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，執行 100/0，除數是 0，會拋出 ZeroDivisionError 類型的異常；
• 在第 4 行，拋出異常后，程序跳轉到處理異常的代碼塊，該行代碼不會被執行；
• 在第 5 行，程序僅僅捕獲 ZeroDivisionError 類型的異常；
• 在第 6 行，捕獲異常后，打印字符串 ‘except ZeroDivisionError:’。

程序運行輸出：

2.3 處理多種類型的異常

可以使用多個 except 關鍵字處理多種類型的異常，語法如下：

try:
	可能發生異常的代碼塊
except 異常類型1:
	處理異常的代碼塊	
except 異常類型2:
	處理異常的代碼塊	
...		

編寫一個能夠捕獲兩種類型的異常的程序，首先編寫函數 generateError。函數 generateError 在運行時，可能拋出兩種類型的異常，代碼如下：

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

• 在第 3 行，產生一個 [0, 1] 之間的隨機數
• 在第 4 行，如果隨機數是 0
  • 在第 5 行，被除數是 0，產生 ZeroDivisionError 類型的異常
• 在第 6 行，如果隨機數是 1
  • 在第 7 行，打開一個不存在的文件，產生 IOError 類型的異常

編寫捕獲兩種類型異常的程序：

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

• 在第 3 行，調用 generateError()，會隨機拋出 ZeroDivisionError 類型或者 IOError 類型的異常；
• 在第 5 行，程序捕獲 ZeroDivisionError 類型的異常；
  • 在第 6 行，捕獲異常后，打印字符串 ‘except ZeroDivisionError:’；
• 在第 7 行，程序捕獲 IOError 類型的異常；
  • 在第 8 行，捕獲異常后，打印字符串 ‘except IOError:’。

2.4 except … as

在捕獲異常時，不僅可以獲取異常類型，還可以獲取異常對象，語法如下：

except 異常類型 as 異常對象:

下面的例子處理異常時，同時獲取了異常類型和異常對象：

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

• 在第 4 行，異常類型為 Exception，異常對象為 e
• 在第 5 行，打印異常對象 e

程序輸出如下：

except: list index out of range

2.5 讀取文件

下面的程序實現 1.3 小節讀取文件的功能需求：

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

• 在第 2 行，調用 open 函數可能會產生 IOError；
• 在第 3 行，調用 readline 函數可能會產生 IOError；
• 在第 5 行，關閉文件；
  • 當異常發生時，該行代碼不會被執行；
• 在第 6 行，捕獲 IOError 類型的異常。

這個版本的程序的缺陷在于，當異常發生時，關閉文件的代碼不會被執行。文件打開后，沒有及時關閉，會帶來潛在的問題。在下面的小節中，將對這個程序進行改進。

3. try … else 語句

3.1 基本用法

在異常處理中 else 關鍵字用于指定沒有異常時執行的代碼塊，語法如下：

try:
	可能發生異常的代碼塊
except:
	處理異常的代碼塊
else:
    沒有異常時執行的代碼塊

• 當發生異常時，執行 except 對應的代碼塊
• 當沒有發生異常時，執行 else 對應的代碼塊

3.2 讀取文件

下面的程序實現 1.3 小節讀取文件的功能需求：

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

• 在第 2 行，調用 open 函數可能會產生 IOError；
• 在第 3 行，調用 readline 函數可能會產生 IOError；
• 在第 5 行，關閉文件；
  • 當異常發生時，該行代碼不會被執行；
• 在第 6 行，else 關鍵字定義了沒有異常時執行的代碼；
  • 在第 7 行，打印文件內容；
  • 在第 8 行，關閉文件。

這個版本的程序的仍然存在缺陷，當異常發生時，關閉文件的代碼不會被執行。文件打開后，沒有及時關閉，會帶來潛在的問題。在下面的小節中，將對這個程序進行改進。

4. try … finally 語句

4.1 基本用法

在異常處理中，finally 關鍵字用于指定無論是否發生異常都需要執行的代碼塊，語法如下：

try:
	可能發生異常的代碼塊
except:
	處理異常的代碼塊
finally:
    無論是否發生異常都會執行的代碼塊

下面的程序在執行過程中沒有異常：

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

程序輸出：

try:
finally:

下面的程序在執行過程中產生異常：

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

程序輸出：

try:
finally:

可以看出，無論是否發生異常，finally 定義的代碼塊總是被執行。

4.2 讀取文件

下面的程序實現 1.3 小節讀取文件的功能需求：

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

• 在第 2 行，調用 open 函數可能會產生 IOError；
  • 如果在此處產生 IOError，變量 file 的值為空；
• 在第 3 行，調用 readline 函數可能會產生 IOError；
  • 如果在此處產生 IOError，因為已經成功打開了文件，變量 file 的值不為空；
• 在第 5 行，捕獲 IOError 類型的異常；
• 在第 7 行，finally 關鍵字定義了最終需要執行的代碼塊；
  • 發生異常時，會執行該代碼塊；
  • 沒有異常時，也會執行該代碼塊；
• 在第 8 行，檢查變量 file 的值是否為空；
  • 如果程序在 open 的地方發生異常，變量 file 的值為空，不需要關閉文件；
  • 如果程序在 readline 的地方發生異常，變量 file 的值不為空，需要關閉文件。

5. raise 語句

Python 提供了 raise 語句用于拋出異常，raise 語句有 3 種形式：

5.1 raise

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

• 在第 3 行，使用 raise 拋出異常；
• 在第 4 行，不會執行這行代碼，執行 raise 后，程序流程跳轉到第 5 行；
• 在第 5 行，捕獲程序拋出的異常。

程序輸出如下：

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 拋出特定類型的異常 ValueError；
• 在第 4 行，不會執行這行代碼，執行 raise 后，程序流程跳轉到第 5 行；
• 在第 5 行，捕獲程序拋出的 ValueError 類型的異常。

程序輸出如下：

try:
except ValuseError:

5.3 raise Exception(info)

編寫程序 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，提示用戶輸入數字；
• 在第 3 行，如果用戶輸入的不是數字；
  • 在第 4 行，拼接字符串 info 用于描述錯誤的具體信息；
  • 在第 5 行，ValueError(info) 創建了一個對象，包括：異常類型和錯誤信息，使用 raise 拋出該異常對象；
• 在第 6 行，捕獲程序拋出的 ValueError 類型的異常，變量 e 指向 raise 語句拋出的異常。

程序輸出如下：

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

• 在第 2 行，用戶輸入 abc
• 在第 4 行，提示用戶的輸入錯誤: “abc is not digit”，具體的錯誤信息對用戶要友好