详解JVM如何处理异常
无论你是使用何种编程语言，在日常的开发过程中，都会不可避免的要处理异常。今天本文将尝试讲解一些JVM如何处理异常问题，希望能够讲清楚这个内部的机制，如果对大家有所启发和帮助，则甚好。
当异常不仅仅是异常
我们在标题中提到了异常，然而这里指的异常并不是单纯的Exception，而是更为宽泛的Throwable。只是我们工作中习以为常的将它们（错误地）这样称谓。
关于Exception和Throwable的关系简单描述一下
- Exception属于Throwable的子类，Throwable的另一个重要的子类是Error
- throw可以抛出的都是Throwable和其子类，catch可捕获的也是Throwable和其子类。
除此之外，但是Exception也有一些需要我们再次强调的
- Exception分为两种类型，一种为Checked Exception，另一种为unchecked Exception
- Checked Exception，比如最常见的IOException，这种异常需要调用处显式处理，要么使用try catch捕获，要么再次抛出去。
- Unchecked Exception指的是所有继承自Error（包含自身）或者是RuntimeException（包含自身）的类。这些异常不强制在调用处进行处理。但是也可以try catch处理。
注：本文暂不做Checked Exception设计的好坏的分析。
Exception Table 异常表
提到JVM处理异常的机制，就需要提及Exception Table，以下称为异常表。我们暂且不急于介绍异常表，先看一个简单的Java处理异常的小例子。
1 2 3 4 5 6 7 | public static void simpleTryCatch() { try { testNPE(); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } |
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上面的代码是一个很简单的例子，用来捕获处理一个潜在的空指针异常。
当然如果只是看简简单单的代码，我们很难看出什么高深之处，更没有了今天文章要谈论的内容。
所以这里我们需要借助一把神兵利器，它就是javap,一个用来拆解class文件的工具，和javac一样由JDK提供。
然后我们使用javap来分析这段代码（需要先使用javac编译）
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | //javap -c Main public static void simpleTryCatch(); Code: 0: invokestatic #3 // Method testNPE:()V 3: goto 11 6: astore_0 7: aload_0 8: invokevirtual #5 // Method java/lang/Exception.printStackTrace:()V 11: return Exception table: from to target type 0 3 6 Class java/lang/Exception |
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看到上面的代码，应该会有会心一笑，因为终于看到了Exception table，也就是我们要研究的异常表。
异常表中包含了一个或多个异常处理者(Exception Handler)的信息，这些信息包含如下
- from 可能发生异常的起始点
- to 可能发生异常的结束点
- target 上述from和to之前发生异常后的异常处理者的位置
- type 异常处理者处理的异常的类信息
那么异常表用在什么时候呢
答案是异常发生的时候，当一个异常发生时
1.JVM会在当前出现异常的方法中，查找异常表，是否有合适的处理者来处理
2.如果当前方法异常表不为空，并且异常符合处理者的from和to节点，并且type也匹配，则JVM调用位于target的调用者来处理。
3.如果上一条未找到合理的处理者，则继续查找异常表中的剩余条目
4.如果当前方法的异常表无法处理，则向上查找（弹栈处理）刚刚调用该方法的调用处，并重复上面的操作。
5.如果所有的栈帧被弹出，仍然没有处理，则抛给当前的Thread，Thread则会终止。
6.如果当前Thread为最后一个非守护线程，且未处理异常，则会导致JVM终止运行。
以上就是JVM处理异常的一些机制。
try catch -finally
除了简单的try-catch外，我们还常常和finally做结合使用。比如这样的代码
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | public static void simpleTryCatchFinally() { try { testNPE(); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } finally { System.out.println("Finally"); } } |
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同样我们使用javap分析一下代码
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 | public static void simpleTryCatchFinally(); Code: 0: invokestatic #3 // Method testNPE:()V 3: getstatic #6 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 6: ldc #7 // String Finally 8: invokevirtual #8 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 11: goto 41 14: astore_0 15: aload_0 16: invokevirtual #5 // Method java/lang/Exception.printStackTrace:()V 19: getstatic #6 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 22: ldc #7 // String Finally 24: invokevirtual #8 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 27: goto 41 30: astore_1 31: getstatic #6 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 34: ldc #7 // String Finally 36: invokevirtual #8 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 39: aload_1 40: athrow 41: return Exception table: from to target type 0 3 14 Class java/lang/Exception 0 3 30 any 14 19 30 any |
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和之前有所不同，这次
- 异常表中，有三条数据，而我们仅仅捕获了一个Exception
- 异常表的后两个item的type为any
上面的三条异常表item的意思为
- 如果0到3之间，发生了Exception类型的异常，调用14位置的异常处理者。
- 如果0到3之间，无论发生什么异常，都调用30位置的处理者
- 如果14到19之间（即catch部分），不论发生什么异常，都调用30位置的处理者。
再次分析上面的Java代码，finally里面的部分已经被提取到了try部分和catch部分。我们再次调一下代码来看一下
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 | public static void simpleTryCatchFinally(); Code: //try 部分提取finally代码，如果没有异常发生，则执行输出finally操作，直至goto到41位置，执行返回操作。 0: invokestatic #3 // Method testNPE:()V 3: getstatic #6 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 6: ldc #7 // String Finally 8: invokevirtual #8 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 11: goto 41 //catch部分提取finally代码，如果没有异常发生，则执行输出finally操作，直至执行got到41位置，执行返回操作。 14: astore_0 15: aload_0 16: invokevirtual #5 // Method java/lang/Exception.printStackTrace:()V 19: getstatic #6 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 22: ldc #7 // String Finally 24: invokevirtual #8 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 27: goto 41 //finally部分的代码如果被调用，有可能是try部分，也有可能是catch部分发生异常。 30: astore_1 31: getstatic #6 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 34: ldc #7 // String Finally 36: invokevirtual #8 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 39: aload_1 40: athrow //如果异常没有被catch捕获，而是到了这里，执行完finally的语句后，仍然要把这个异常抛出去，传递给调用处。 41: return |
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Catch先后顺序的问题
我们在代码中的catch的顺序决定了异常处理者在异常表的位置，所以，越是具体的异常要先处理，否则就会出现下面的问题
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | private static void misuseCatchException() { try { testNPE(); } catch (Throwable t) { t.printStackTrace(); } catch (Exception e) { //error occurs during compilings with tips Exception Java.lang.Exception has already benn caught. e.printStackTrace(); } } |
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这段代码会导致编译失败，因为先捕获Throwable后捕获Exception，会导致后面的catch永远无法被执行。
Return 和finally的问题
这算是我们扩展的一个相对比较极端的问题，就是类似这样的代码，既有return，又有finally，那么finally导致会不会执行
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | public static String tryCatchReturn() { try { testNPE(); return "OK"; } catch (Exception e) { return "ERROR"; } finally { System.out.println("tryCatchReturn"); } } |
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答案是finally会执行，那么还是使用上面的方法，我们来看一下为什么finally会执行。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 | public static java.lang.String tryCatchReturn(); Code: 0: invokestatic #3 // Method testNPE:()V 3: ldc #6 // String OK 5: astore_0 6: getstatic #7 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 9: ldc #8 // String tryCatchReturn 11: invokevirtual #9 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 14: aload_0 15: areturn 返回OK字符串，areturn意思为return a reference from a method 16: astore_0 17: ldc #10 // String ERROR 19: astore_1 20: getstatic #7 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 23: ldc #8 // String tryCatchReturn 25: invokevirtual #9 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 28: aload_1 29: areturn //返回ERROR字符串 30: astore_2 31: getstatic #7 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 34: ldc #8 // String tryCatchReturn 36: invokevirtual #9 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 39: aload_2 40: athrow 如果catch有未处理的异常，抛出去。 |
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行文仓促，加之本人水平有限，有错误的地方，请指出。
参考文章：
- http://blog.jamesdbloom.com/JVMInternals.html#exception_table
- https://blog.takipi.com/the-surprising-truth-of-java-exceptions-what-is-really-going-on-under-the-hood/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Java_bytecode_instruction_listings
- https://dzone.com/articles/the-truth-of-java-exceptions-whats-really-going-on