代码收藏家技术教程 2023-10-02

Python进阶：异常处理详解

异常是什么

Python 使用异常对象来表示异常状态，并在遇到错误时引发异常。异常对象未被处理（或捕获）时，程序将终止并显示一条错误消息（traceback）。

如果异常只能用来显示错误消息，就没多大意思了。但事实上，每个异常都是某个类的实例（这里是 ZeroDivisionError）。你能以各种方式引发和捕获这些实例，从而逮住错误并采取措施，而不是放任错误导致整个程序失败。

常见的异常

除零错误

1/0

Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
ZeroDivisionError: integer division or modulo by zero

数组越界错误

a = [1, 2, 3]
print(a[3])

Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
IndexError: list index out of range

运算符错误

a = 123
b = '123'
print(a+b)

Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: unsupported operand type(s) for +: 'int' and 'str'

正如你看到的，出现问题时，将自动引发异常。

捕捉异常

try/except 语句

异常捕捉可以使用 try/except 语句。

try:
    1/0
except Exception as error:
    print('发生如下错误：',error)

发生如下错误： division by zero

try 语句按照如下方式工作：

首先，执行 try 子句（在关键字 try 和关键字 except 之间的语句）。

如果没有异常发生，忽略 except 子句，try 子句执行后结束。

如果在执行 try 子句的过程中发生了异常，那么 try 子句余下的部分将被忽略。如果异常的类型和 except 之后的名称相符，那么对应的 except 子句将被执行。

如果一个异常没有与任何的 except 匹配，那么这个异常将会传递给上层的 try 中。

一个 try 语句可能包含多个 except 子句，分别来处理不同的特定的异常。最多只有一个分支会被执行。

处理程序将只针对对应的 try 子句中的异常进行处理，而不是其他的 try 的处理程序中的异常。

一个 except 子句可以同时处理多个异常，这些异常将被放在一个括号里成为一个元组，例如:

except (RuntimeError, TypeError, NameError):
    pass

try/except…else 语句

try/except 语句还有一个可选的 else 子句，如果使用这个子句，那么必须放在所有的 except 子句之后。

else 子句将在 try 子句没有发生任何异常的时候执行。

以下实例在 try 语句中判断文件是否可以打开，如果打开文件时正常的没有发生异常则执行 else 部分的语句，读取文件内容：

# 正常打开
try:
    with open('solution.py', 'r') as f:
        line = f.read()
except:
    print('出错了')
else:
    print('没有出错了')

没有出错了

try-finally 语句

try-finally 语句无论是否发生异常都将执行最后的代码。

以下实例中 finally 语句无论异常是否发生都会执行：

try:
    1/1
except:
    print('出错了')
else:
    print('没有出错了')
finally:
    print('不管有没有出错，我100%会执行')

没有出错了
不管有没有出错，我100%会执行

抛出异常

首先要分清楚程序发生异常和程序执行错误，它们完全是两码事，程序由于错误导致的运行异常，是需要程序员想办法解决的；但还有一些异常，是程序正常运行的结果，比如用 raise 手动引发的异常。

`raise` 语句

raise [exceptionName [(reason)]]

其中，用 [] 括起来的为可选参数，其作用是指定抛出的异常名称，以及异常信息的相关描述。如果可选参数全部省略，则 raise 会把当前错误原样抛出；如果仅省略 (reason)，则在抛出异常时，将不附带任何的异常描述信息。

也就是说，raise 语句有如下三种常用的用法：

raise：单独一个 raise。该语句引发当前上下文中捕获的异常（比如在 except 块中），或默认引发 RuntimeError 异常。

raise 异常类名称：raise 后带一个异常类名称，表示引发执行类型的异常。

raise 异常类名称(描述信息)：在引发指定类型的异常的同时，附带异常的描述信息。

显然，每次执行 raise 语句，都只能引发一次执行的异常。首先，我们来测试一下以上 3 种 raise 的用法：

运行 rase：

Traceback (most recent call last):
File "/code/main.py", line 2, in
import solution
File "/code/solution.py", line 1, in
raise
RuntimeError: No active exception to reraise

运行 raise ZeroDivisionError：

Traceback (most recent call last):
File "/code/main.py", line 2, in
import solution
File "/code/solution.py", line 3, in
raise ZeroDivisionError
ZeroDivisionError

运行 raise ZeroDivisionError("除数不能为零")：

Traceback (most recent call last):
File "/code/main.py", line 2, in
import solution
File "/code/solution.py", line 5, in
raise ZeroDivisionError("除数不能为零")
ZeroDivisionError: 除数不能为零

当然，我们手动让程序引发异常，很多时候并不是为了让其崩溃。事实上，raise 语句引发的异常通常用 try except (else finally) 异常处理结构来捕获并进行处理。例如：

try:
    a = 'hello'
    if(not a.isdigit()):
        raise ValueError("a 必须是数字")
except ValueError as e:
    print("引发异常：",repr(e))

引发异常： ValueError('a 必须是数字')

可以看到，当用字符串 a 不是数字时，程序会进入 if 判断语句，并执行 raise 引发 ValueError 异常。但由于其位于 try 块中，所以 raise 抛出的异常会被 try 捕获，并由 except 块进行处理。
因此，虽然程序中使用了 raise 语句引发异常，但程序的执行是正常的，手动抛出的异常并不会导致程序崩溃

正如前面所看到的，在使用 raise 语句时可以不带参数，例如：

try:
    a = 'hello'
    if(not a.isdigit()):
        raise ValueError("a 必须是数字")
except ValueError as e:
    print("引发异常：",repr(e))
    raise

Traceback (most recent call last):
File "/code/main.py", line 2, in
import solution
File "/code/solution.py", line 4, in
raise ValueError("a 必须是数字")
ValueError: a 必须是数字

这里重点关注位于 except 块中的 raise，由于在其之前我们已经手动引发了 ValueError 异常，因此这里当再使用 raise 语句时，它会再次引发一次。

当在没有引发过异常的程序使用无参的 raise 语句时，它默认引发的是 RuntimeError 异常。例如：

try:
    a = 'hello'
    if(not a.isdigit()):
        raise
except ValueError as e:
    print("引发异常：",repr(e))

Traceback (most recent call last):
File "/code/main.py", line 2, in
import solution
File "/code/solution.py", line 4, in
raise
RuntimeError: No active exception to reraise

内置异常

在 Python 中，所有异常必须为一个派生自 BaseException 的类的实例。在带有提及一个特定类的 except 子句的 try 语句中，该子句也会处理任何派生自该类的异常类（但不处理该子句本身所派生出的异常类）。通过子类化创建的两个不相关异常类永远是不等效的，既使它们具有相同的名称。

下面列出的内置异常可通过解释器或内置函数来生成。除非另有说明，它们都会具有一个提示导致错误详细原因的“关联值”。这可以是一个字符串或由多个信息项（例如一个错误码和一个解释错误的字符串）组成的元组。关联值通常会作为参数被传递给异常类的构造器。

用户代码可以引发内置异常。这可以被用于测试异常处理程序或报告错误条件，“就像” 在解释器引发了相同异常的情况时一样；但是请注意，没有任何机制能防止用户代码引发不适当的错误。

内置异常类可以被子类化以定义新的异常；鼓励程序员从 Exception 类或它的某个子类而不是从 BaseException 来派生新的异常。

当在 except 或 finally 子句中引发（或重新引发）异常时，__context__ 会被自动设为所捕获的最后一个异常；如果新的异常未被处理，则最终显示的回溯信息将包括原始的异常和最后的异常。

当引发一个新的异常（而不是简单地使用 raise 来重新引发当前在处理的异常）时，隐式的异常上下文可以通过使用带有 raise 的 from 来补充一个显式的原因：

raise new_exc from original_exc

跟在 from 之后的表达式必须为一个异常或 None。它将在所引发的异常上被设置为 __cause__。设置 __cause__ 还会隐式地将 __suppress_context__ 属性设为 True，这样使用 raise new_exc from None 可以有效地将旧异常替换为新异常来显示其目的 (例如将 KeyError 转换为 AttributeError)，同时让旧异常在 __context__ 中保持可用状态以便在调试时进行内省。

除了异常本身的回溯以外，默认的回溯还会显示这些串连的异常。__cause__ 中的显式串连异常如果存在将总是显示。__context__ 中的隐式串连异常仅在 __cause__ 为 None 并且 __suppress_context__ 为假值时显示。

不论在哪种情况下，异常本身总会在任何串连异常之后显示，以便回溯的最后一行总是显示所引发的最后一个异常。

内置异常的类层级结构如下：

BaseException
 +-- SystemExit
 +-- KeyboardInterrupt
 +-- GeneratorExit
 +-- Exception
      +-- StopIteration
      +-- StopAsyncIteration
      +-- ArithmeticError
      |    +-- FloatingPointError
      |    +-- OverflowError
      |    +-- ZeroDivisionError
      +-- AssertionError
      +-- AttributeError
      +-- BufferError
      +-- EOFError
      +-- ImportError
      |    +-- ModuleNotFoundError
      +-- LookupError
      |    +-- IndexError
      |    +-- KeyError
      +-- MemoryError
      +-- NameError
      |    +-- UnboundLocalError
      +-- OSError
      |    +-- BlockingIOError
      |    +-- ChildProcessError
      |    +-- ConnectionError
      |    |    +-- BrokenPipeError
      |    |    +-- ConnectionAbortedError
      |    |    +-- ConnectionRefusedError
      |    |    +-- ConnectionResetError
      |    +-- FileExistsError
      |    +-- FileNotFoundError
      |    +-- InterruptedError
      |    +-- IsADirectoryError
      |    +-- NotADirectoryError
      |    +-- PermissionError
      |    +-- ProcessLookupError
      |    +-- TimeoutError
      +-- ReferenceError
      +-- RuntimeError
      |    +-- NotImplementedError
      |    +-- RecursionError
      +-- SyntaxError
      |    +-- IndentationError
      |         +-- TabError
      +-- SystemError
      +-- TypeError
      +-- ValueError
      |    +-- UnicodeError
      |         +-- UnicodeDecodeError
      |         +-- UnicodeEncodeError
      |         +-- UnicodeTranslateError
      +-- Warning
           +-- DeprecationWarning
           +-- PendingDeprecationWarning
           +-- RuntimeWarning
           +-- SyntaxWarning
           +-- UserWarning
           +-- FutureWarning
           +-- ImportWarning
           +-- UnicodeWarning
           +-- BytesWarning
           +-- ResourceWarning

异常的基类

下列异常主要被用作其他异常的基类。

exception BaseException

所有内置异常的基类。它不应该被用户自定义类直接继承（这种情况请使用 Exception）。如果在此类的实例上调用 str()，则会返回实例的参数表示，或者当没有参数时返回空字符串。args 传给异常构造器的参数元组。某些内置异常（例如 OSError）接受特定数量的参数并赋予此元组中的元素特殊的含义，而其他异常通常只接受一个给出错误信息的单独字符串。with_traceback(tb) 此方法将 tb 设为异常的新回溯信息并返回该异常对象。它通常以如下的形式在异常处理程序中使用：

try:
    ...
except SomeException:
    tb = sys.exc_info()[2]
    raise OtherException(...).with_traceback(tb)

exception Exception

所有内置的非系统退出类异常都派生自此类。所有用户自定义异常也应当派生自此类。

exception ArithmeticError

此基类用于派生针对各种算术类错误而引发的内置异常: OverflowError, ZeroDivisionError, FloatingPointError。

exception BufferError

当与缓冲区相关的操作无法执行时将被引发。

exception LookupError

此基类用于派生当映射或序列所使用的键或索引无效时引发的异常: IndexError, KeyError。这可以通过 codecs.lookup() 来直接引发。

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