Java 異常表與異常處理原理
最近寫程式碼的時候遇到一些try catch的問題。
try {
程式碼塊1
} catch (Exception e) {
程式碼塊2
} finally {
程式碼塊3
}
複製程式碼
在程式碼塊1執行的時候發生異常，但是程式碼塊2沒有執行，程式碼塊3執行了，排查半天發現程式碼塊1中丟擲的並不是Exception及其子類。那麼沒有catch住的try catch流程到底是怎麼樣的呢？
之前也簡單看過一些jvm try catch原理，這裡嘗試記錄總結一下。
Java 在程式碼中通過使用try{}catch(){}finally{}
塊來對異常進行捕獲或者處理。但是對於 JVM 來說，是如何處理 try/catch 程式碼塊與異常的呢。
實際上 Java 編譯後，會在程式碼後附加異常表的形式來實現 Java 的異常處理及 finally 機制（在 JDK1.4.2之前，javac 編譯器使用 jsr 和 ret 指令來實現 finally 語句，但是1.4.2之後自動在每段可能的分支路徑後將 finally 語句塊內容冗餘生成一遍來實現。JDK1.7及之後版本，則完全禁止在 Class 檔案中使用 jsr 和 ret 指令）。
異常表
屬性表（attribute_info）可以存在於 Class 檔案、欄位表、方法表中，用於描述某些場景的專有資訊。屬性表中有個 Code 屬性，該屬性在方法表中使用，Java 程式方法體中的程式碼被編譯成的位元組碼指令儲存在 Code 屬性中。而異常表（exception_table）則是儲存在 Code 屬性表中的一個結構，這個結構是可選的。
異常表結構
異常表結構如下表所示。它包含四個欄位：如果當位元組碼在第 start_pc 行到 end_pc 行之間（即[start_pc, end_pc)）出現了型別為 catch_type 或者其子類的異常（catch_type 為指向一個 CONSTANT_Class_info 型常量的索引），則跳轉到第 handler_pc 行執行。如果 catch_type 為0，表示任意異常情況都需要轉到 handler_pc 處進行處理。
| 型別 | 名稱 | 數量 |
|---|---|---|
| u2 | start_pc | 1 |
| u2 | end_pc | 1 |
| u2 | handler_pc | 1 |
| u2 | catch_type | 1 |
處理異常機制
如上面所說，每個類編譯後，都會跟隨一個異常表，如果發生異常，首先在異常表中查詢對應的行（即程式碼中相應的try{}catch(){}
程式碼塊），如果找到，則跳轉到異常處理程式碼執行，如果沒有找到，則返回（執行 finally 之後），並 copy 異常的應用給父呼叫者，接著查詢父呼叫的異常表，以此類推。
異常處理例項
對於 Java 原始碼：
public class Test {
public int inc() {
int x;
try {
x = 1;
return x;
} catch (Exception e) {
x = 2;
return x;
} finally {
x = 3;
}
}
}
複製程式碼
將其編譯為 ByteCode 位元組碼（JDK版本1.8）：
public int inc(); Code: 0: iconst_1#try中x=1入棧 1: istore_1#x=1存入第二個int變數 2: iload_1#將第二個int變數推到棧頂 3: istore_2#將棧頂元素存入第三個變數，即儲存try中的返回值 4: iconst_3#final中的x=3入棧 5: istore_1#棧頂元素放入第二個int變數，即final中的x=3 6: iload_2#將第三個int變數推到棧頂，即try中的返回值 7: ireturn#當前方法返回int，即x=1 8: astore_2#棧頂數值放入當前frame的區域性變數陣列中第三個 9: iconst_2#catch中的x=2入棧 10: istore_1#x=2放入第二個int變數 11: iload_1#將第二個int變數推到棧頂 12: istore_3#將棧頂元素存入第四個變數，即儲存catch中的返回值 13: iconst_3#final中的x=3入棧 14: istore_1#final中的x=3放入第一個int變數 15: iload_3#將第四個int變數推到棧頂，即儲存的catch中的返回值 16: ireturn#當前方法返回int，即x=2 17: astore4#棧頂數值放入當前frame的區域性變數陣列中第五個 19: iconst_3#final中的x=3入棧 20: istore_1#final中的x=3放入第一個int變數 21: aload4#當前frame的區域性變數陣列中第五個放入棧頂 23: athrow#將棧頂的數值作為異常或錯誤丟擲 Exception table: fromtotarget type 048Class java/lang/Exception 0417any 81317any 171917any 複製程式碼
首先可以看到，對於 finally，編譯器將每個可能出現的分支後都放置了冗餘。並且編譯器生成了三個異常表記錄，從 Java 程式碼的語義上講，執行路徑分別為：
- 如果 try 語句塊中出現了屬於 Exception 及其子類的異常，則跳轉到 catch 處理；
- 如果 try 語句塊中出現了不屬於 Exception 及其子類的異常，則跳轉到 finally 處理；
- 如果 catch 語句塊中出現了任何異常，則跳轉到 finally 處理。
由此可以分析此段程式碼可能的返回結果：
- 如果沒有出現異常，返回1；
- 如果出現 Exception 異常，返回2；
- 如果出現了 Exception 意外的異常，非正常退出，沒有返回；
我們來分析位元組碼：
首先，0-3行，就是把整數1賦值給 x，並且將此時 x 的值複製一個副本到本地變量表的 Slot 中暫存，這個 Slot 裡面的值在 ireturn 指令執行前會被重新讀到棧頂，作為返回值。這時如果沒有異常，則執行4-5行，把 x 賦值為3，然後返回前面儲存的1，方法結束。如果出現異常，讀取異常表發現應該執行第8行，pc 暫存器指標轉向8行，8-16行就是把2賦值給 x，然後把 x 暫存起來，再將 x 賦值為3，然後將暫存的2讀到操作棧頂返回。第17行開始是把 x 賦值為3並且將棧頂的異常丟擲，方法結束。
上面是一個比較簡單的Java程式，這裡稍微複雜化它，嘗試在finally中增加異常模組：
public class Test {
public int inc() {
int x;
try {
x = 1;
return x;
} catch (Exception e) {
x = 2;
return x;
} finally {
try{
x = 3;
} catch (Exception e) {
x = 4;
}
}
}
}
複製程式碼
將其編譯為 ByteCode 位元組碼：
public int inc(); Code: 0: iconst_1 1: istore_1 2: iload_1 3: istore_2 4: iconst_3 5: istore_1 6: goto12 9: astore_3 10: iconst_4 11: istore_1 12: iload_2 13: ireturn 14: astore_2 15: iconst_2 16: istore_1 17: iload_1 18: istore_3 19: iconst_3 20: istore_1 21: goto28 24: astore4 26: iconst_4 27: istore_1 28: iload_3 29: ireturn 30: astore5 32: iconst_3 33: istore_1 34: goto41 37: astore6 39: iconst_4 40: istore_1 41: aload5 43: athrow Exception table: fromtotarget type 469Class java/lang/Exception 0414Class java/lang/Exception 192124Class java/lang/Exception 0430any 141930any 323437Class java/lang/Exception 303230any 複製程式碼
和上面一樣，0-3行為try內語句，儲存x=1並準備返回，如果發生異常則查詢異常表，跳轉執行14行；14-18行為catch部分語句，儲存x=2並準備返回；4-6行、19-21行、32-34行為finally中語句，首先設定x=3，如果沒有發生異常，則之後進行跳轉，否則往下執行，即執行astore
，iconst
，istore
，即保留之前的棧頂位置，對x賦值為4。
最後總結一下，Java通過異常表來捕捉異常，在表中針對發生的異常能夠獲取接下來執行到哪裡（從try跳轉到catch），除了指定的異常外，還會自動追加any異常，用來捕獲程式中沒有捕獲的異常。而finally會自動的追加到try、catch以及未捕獲到的異常後面執行。對於多層次的try{}catch{}
，同理。
ps. 最後有一個彩蛋，就是異常表後面會追加一個指向自己start_pc的條目，這裡有一些討論可以看看。