8.异常处理：优雅地处理错误
异常处理：优雅地处理错误
🎯 前言：当程序遇到\"意外\"
想象一下，你正在厨房里做饭，突然发现盐罐子空了、鸡蛋坏了、或者煤气没了。如果你是个新手厨师，可能会手忙脚乱，甚至放弃做饭。但如果你是个经验丰富的厨师，你会优雅地处理这些\"意外\"：没盐就用其他调料、鸡蛋坏了就重新拿一个、煤气没了就改用电磁炉。
编程也是如此！程序在运行时总会遇到各种\"意外\"：文件找不到、网络连接断开、用户输入了奇怪的数据…这些就是我们所说的\"异常\"。今天我们要学习如何像资深厨师一样，优雅地处理这些编程中的\"意外\"。
让我们一起成为处理异常的高手吧！🚀
📚 目录
- 什么是异常？
- 异常的种类
- try-except：异常处理的基本套路
- 多种异常处理
- else和finally：锦上添花的控制
- 主动抛出异常
- 自定义异常
- 异常处理的最佳实践
- 实战项目：健壮的计算器
🧠 什么是异常？
异常就像是程序运行时的\"突发状况\"。当程序遇到无法正常处理的情况时，Python会抛出一个异常对象，告诉我们\"出事了！\"
🎭 没有异常处理的悲剧
# 这个程序看起来很正常，但是...def divide_numbers(): a = int(input(\"请输入第一个数字：\")) b = int(input(\"请输入第二个数字：\")) result = a / b print(f\"结果是：{result}\")# 当用户输入0作为除数时...divide_numbers()# 💥 ZeroDivisionError: division by zero# 程序直接崩溃了！🎪 有异常处理的优雅
# 优雅的版本def divide_numbers_gracefully(): try: a = int(input(\"请输入第一个数字：\")) b = int(input(\"请输入第二个数字：\")) result = a / b print(f\"结果是：{result}\") except ZeroDivisionError: print(\"哎呀！除数不能为0哦，数学老师会生气的！\") except ValueError: print(\"请输入有效的数字，不要调皮输入文字！\")# 现在程序不会崩溃了，而是友好地提示用户divide_numbers_gracefully()🎨 异常的种类
Python中的异常就像是不同类型的\"意外事件\"，每种异常都有自己的\"个性\"：
🔢 常见的内置异常
# 1. ValueError：值错误（数据类型对，但值不对）try: age = int(\"abc\") # 想把字母转换成数字？门都没有！except ValueError as e: print(f\"数值错误：{e}\")# 2. TypeError：类型错误（数据类型不对）try: result = \"hello\" + 5 # 字符串和数字谈恋爱？不可能！except TypeError as e: print(f\"类型错误：{e}\")# 3. IndexError：索引错误（数组越界）try: my_list = [1, 2, 3] print(my_list[10]) # 想访问不存在的位置？超出范围了！except IndexError as e: print(f\"索引错误：{e}\")# 4. KeyError：键错误（字典中不存在的键）try: my_dict = {\"name\": \"张三\", \"age\": 25} print(my_dict[\"salary\"]) # 想要不存在的键？没有这个字段！except KeyError as e: print(f\"键错误：{e}\")# 5. FileNotFoundError：文件未找到try: with open(\"不存在的文件.txt\", \"r\") as file: content = file.read()except FileNotFoundError as e: print(f\"文件未找到：{e}\")🎯 异常的\"家族谱\"
# 所有异常都有一个共同的祖先：BaseException# 我们通常处理的是Exception及其子类print(\"异常家族谱：\")print(\"BaseException（所有异常的祖宗）\")print(\"├── Exception（我们主要处理的异常）\")print(\"│ ├── ValueError（值错误）\")print(\"│ ├── TypeError（类型错误）\")print(\"│ ├── IndexError（索引错误）\")print(\"│ ├── KeyError（键错误）\")print(\"│ ├── FileNotFoundError（文件未找到）\")print(\"│ └── ... 还有很多其他异常\")🛡️ try-except：异常处理的基本套路
try-except就像是给程序穿上了\"防护服\"，让它在遇到危险时不会受伤。
🎪 基本语法
# 基本模式try: # 可能出错的代码放这里 risky_code()except 异常类型: # 出错时的处理方案 handle_error()🎭 实际例子
# 例子1：安全的数字输入def safe_input_number(): while True: # 一直循环直到用户输入正确 try: num = int(input(\"请输入一个整数：\")) return num # 成功了就返回 except ValueError: print(\"这不是一个有效的整数！请重新输入。\") # 不返回，继续循环# 例子2：安全的列表访问def safe_list_access(my_list, index): try: return my_list[index] except IndexError: print(f\"索引{index}超出了列表范围！\") return None# 测试numbers = [1, 2, 3, 4, 5]print(safe_list_access(numbers, 2)) # 正常访问print(safe_list_access(numbers, 10)) # 越界访问🎨 多种异常处理
有时候一段代码可能产生多种异常，我们需要分别处理：
🎯 方法1：多个except块
def comprehensive_calculator(): try: # 获取用户输入 expression = input(\"请输入计算表达式（如：10 / 2）：\") # 分割表达式 parts = expression.split() num1 = float(parts[0]) operator = parts[1] num2 = float(parts[2]) # 执行计算 if operator == \'+\': result = num1 + num2 elif operator == \'-\': result = num1 - num2 elif operator == \'*\': result = num1 * num2 elif operator == \'/\': result = num1 / num2 else: raise ValueError(\"不支持的运算符\") print(f\"结果：{result}\") except IndexError: print(\"输入格式不正确！请按照\'数字 运算符 数字\'的格式输入\") except ValueError as e: print(f\"数值错误：{e}\") except ZeroDivisionError: print(\"除数不能为0！数学老师说了算！\") except Exception as e: print(f\"发生了未知错误：{e}\")# 测试不同的异常情况comprehensive_calculator()🎪 方法2：捕获多种异常
# 把相似的异常放在一个tuple里def process_data(data): try: # 尝试处理数据 result = int(data) * 2 return result except (ValueError, TypeError) as e: print(f\"数据处理错误：{e}\") return None except Exception as e: print(f\"其他错误：{e}\") return None# 测试print(process_data(\"123\")) # 正常print(process_data(\"abc\")) # ValueErrorprint(process_data(None)) # TypeError🎭 else和finally：锦上添花的控制
else和finally是异常处理的高级技巧，让我们的代码更加精细：
🎯 else：没有异常时执行
def read_file_safely(filename): try: file = open(filename, \'r\', encoding=\'utf-8\') content = file.read() except FileNotFoundError: print(f\"文件{filename}不存在！\") return None except PermissionError: print(f\"没有权限读取文件{filename}！\") return None else: # 只有当没有异常时才执行 print(f\"成功读取文件{filename}\") file.close() return content finally: # 无论是否有异常都会执行 print(\"文件读取操作完成\")# 测试content = read_file_safely(\"test.txt\")if content: print(f\"文件内容：{content}\")🎪 finally：无论如何都要执行
def database_operation(): \"\"\"模拟数据库操作\"\"\" database_connection = None try: print(\"正在连接数据库...\") database_connection = \"模拟数据库连接\" # 模拟可能出错的操作 risky_operation = int(input(\"输入1执行成功，输入0产生错误：\")) if risky_operation == 0: raise ValueError(\"模拟数据库错误\") print(\"数据库操作成功！\") except ValueError as e: print(f\"数据库操作失败：{e}\") finally: # 无论成功失败都要关闭连接 if database_connection: print(\"正在关闭数据库连接...\") database_connection = None print(\"数据库连接已关闭\")# 测试database_operation()🚀 主动抛出异常
有时候我们需要主动抛出异常，就像是设置\"警报器\"：
🎯 使用raise抛出异常
def check_age(age): \"\"\"检查年龄是否合法\"\"\" if not isinstance(age, (int, float)): raise TypeError(\"年龄必须是数字！\") if age < 0: raise ValueError(\"年龄不能是负数！时光倒流了吗？\") if age > 150: raise ValueError(\"年龄不能超过150岁！你是神仙吗？\") return Truedef register_user(name, age): \"\"\"用户注册\"\"\" try: # 检查年龄 check_age(age) # 其他验证... if not name.strip(): raise ValueError(\"姓名不能为空！\") print(f\"用户{name}（{age}岁）注册成功！\") return True except (TypeError, ValueError) as e: print(f\"注册失败：{e}\") return False# 测试register_user(\"张三\", 25) # 正常register_user(\"李四\", -5) # 年龄负数register_user(\"王五\", \"abc\") # 年龄非数字register_user(\"\", 30) # 姓名为空🎪 重新抛出异常
def divide_with_logging(a, b): \"\"\"带日志的除法运算\"\"\" try: result = a / b print(f\"计算成功：{a} / {b} = {result}\") return result except ZeroDivisionError as e: print(f\"错误日志：尝试除以零 - {e}\") # 记录日志后重新抛出异常 raise # 重新抛出同样的异常def main(): try: result = divide_with_logging(10, 0) except ZeroDivisionError: print(\"主程序：检测到除零错误，使用默认值\") result = 0 print(f\"最终结果：{result}\")# 测试main()🎨 自定义异常
当内置异常不够用时，我们可以创建自己的异常类：
🎯 创建自定义异常
# 自定义异常类class CustomError(Exception): \"\"\"自定义错误基类\"\"\" passclass InvalidPasswordError(CustomError): \"\"\"密码不符合要求的错误\"\"\" def __init__(self, message=\"密码不符合要求\"): self.message = message super().__init__(self.message)class UserNotFoundError(CustomError): \"\"\"用户不存在的错误\"\"\" def __init__(self, username): self.username = username self.message = f\"用户\'{username}\'不存在\" super().__init__(self.message)class InsufficientFundsError(CustomError): \"\"\"余额不足的错误\"\"\" def __init__(self, balance, amount): self.balance = balance self.amount = amount self.message = f\"余额不足！当前余额：{balance}，尝试支付：{amount}\" super().__init__(self.message)# 使用自定义异常class BankAccount: def __init__(self, username, balance=0): self.username = username self.balance = balance def withdraw(self, amount): \"\"\"取款\"\"\" if amount > self.balance: raise InsufficientFundsError(self.balance, amount) self.balance -= amount print(f\"成功取款{amount}元，余额：{self.balance}元\") def deposit(self, amount): \"\"\"存款\"\"\" if amount <= 0: raise ValueError(\"存款金额必须大于0！\") self.balance += amount print(f\"成功存款{amount}元，余额：{self.balance}元\")# 测试自定义异常def test_bank_account(): try: account = BankAccount(\"张三\", 1000) account.withdraw(500) # 正常取款 account.withdraw(600) # 余额不足 except InsufficientFundsError as e: print(f\"取款失败：{e}\") except ValueError as e: print(f\"操作失败：{e}\")test_bank_account()🎭 异常处理的最佳实践
🎯 DO：好的做法
# 1. 具体异常优于通用异常def good_practice_1(): try: data = {\"name\": \"张三\"} print(data[\"age\"]) except KeyError: # 具体的异常 print(\"缺少age字段\")# 2. 不要忽略异常def good_practice_2(): try: risky_operation() except SpecificError as e: logger.error(f\"操作失败：{e}\") # 记录日志 return default_value # 返回默认值# 3. 使用异常链def good_practice_3(): try: process_data() except ValueError as e: raise ProcessingError(\"数据处理失败\") from e # 保留原始异常# 4. 资源管理用with语句def good_practice_4(): # 推荐：自动管理资源 with open(\"file.txt\", \"r\") as f: content = f.read() # 文件会自动关闭🚫 DON’T：不好的做法
# 1. 避免捕获所有异常def bad_practice_1(): try: risky_operation() except: # 🚫 太宽泛了 pass # 🚫 还忽略了异常# 2. 避免异常用于控制流程def bad_practice_2(): try: return my_dict[key] except KeyError: return None # 🚫 应该用 dict.get(key) 代替# 3. 避免在异常处理中抛出新异常def bad_practice_3(): try: risky_operation() except Exception as e: print(f\"Error: {e.invalid_attribute}\") # 🚫 可能再次抛出异常🚀 实战项目：健壮的计算器
让我们创建一个健壮的计算器，展示异常处理的实际应用：
import mathimport operatorclass AdvancedCalculator: \"\"\"高级计算器类\"\"\" def __init__(self): self.operations = { \'+\': operator.add, \'-\': operator.sub, \'*\': operator.mul, \'/\': operator.truediv, \'**\': operator.pow, \'%\': operator.mod, \'//\': operator.floordiv, } self.history = [] def calculate(self, expression): \"\"\"计算表达式\"\"\" try: # 记录历史 self.history.append(expression) # 解析表达式 tokens = self.parse_expression(expression) # 执行计算 result = self.evaluate_tokens(tokens) print(f\"✅ {expression} = {result}\") return result except ZeroDivisionError: error_msg = \"❌ 除零错误：不能除以零！\" print(error_msg) raise CalculationError(error_msg) except ValueError as e: error_msg = f\"❌ 数值错误：{e}\" print(error_msg) raise CalculationError(error_msg) except KeyError as e: error_msg = f\"❌ 不支持的运算符：{e}\" print(error_msg) raise CalculationError(error_msg) except Exception as e: error_msg = f\"❌ 计算错误：{e}\" print(error_msg) raise CalculationError(error_msg) def parse_expression(self, expression): \"\"\"解析表达式\"\"\" # 简单的解析，支持基本运算 expression = expression.replace(\' \', \'\') # 处理特殊函数 if expression.startswith(\'sqrt(\') and expression.endswith(\')\'): value = float(expression[5:-1]) if value < 0: raise ValueError(\"不能计算负数的平方根\") return [\'sqrt\', value] # 处理基本运算 for op in [\'**\', \'//\', \'+\', \'-\', \'*\', \'/\', \'%\']: if op in expression: parts = expression.split(op, 1) if len(parts) == 2: left = float(parts[0]) right = float(parts[1]) return [left, op, right] # 如果没有运算符，可能是单个数字 return [float(expression)] def evaluate_tokens(self, tokens): \"\"\"计算token列表\"\"\" if len(tokens) == 1: return tokens[0] elif len(tokens) == 2 and tokens[0] == \'sqrt\': return math.sqrt(tokens[1]) elif len(tokens) == 3: left, op, right = tokens if op not in self.operations: raise KeyError(op) return self.operations[op](left, right) else: raise ValueError(\"无效的表达式格式\") def show_history(self): \"\"\"显示计算历史\"\"\" if not self.history: print(\"📝 暂无计算历史\") return print(\"📝 计算历史：\") for i, expr in enumerate(self.history, 1): print(f\" {i}. {expr}\") def clear_history(self): \"\"\"清空历史\"\"\" self.history.clear() print(\"🧹 历史记录已清空\")# 自定义异常class CalculationError(Exception): \"\"\"计算错误\"\"\" pass# 主程序def main(): calc = AdvancedCalculator() print(\"🔢 欢迎使用高级计算器！\") print(\"支持的运算：+, -, *, /, **, %, //, sqrt()\") print(\"输入 \'history\' 查看历史，\'clear\' 清空历史，\'quit\' 退出\") print(\"-\" * 50) while True: try: user_input = input(\"\\n请输入表达式：\").strip() if not user_input: continue if user_input.lower() == \'quit\': print(\"👋 再见！\") break elif user_input.lower() == \'history\': calc.show_history() elif user_input.lower() == \'clear\': calc.clear_history() else: result = calc.calculate(user_input) except CalculationError: # 计算错误已经在calculate方法中处理了 continue except KeyboardInterrupt: print(\"\\n\\n👋 程序被中断，再见！\") break except Exception as e: print(f\"😱 发生了意外错误：{e}\") print(\"请检查输入格式或联系开发者\")if __name__ == \"__main__\": main()🎮 使用示例
# 测试计算器def test_calculator(): calc = AdvancedCalculator() # 测试各种情况 test_cases = [ \"10 + 5\", # 正常计算 \"10 / 0\", # 除零错误 \"sqrt(16)\", # 平方根 \"sqrt(-4)\", # 负数平方根 \"2 ** 3\", # 幂运算 \"10 % 3\", # 取模 \"abc + def\", # 无效输入 ] for expression in test_cases: print(f\"\\n测试：{expression}\") try: result = calc.calculate(expression) print(f\"结果：{result}\") except CalculationError as e: print(f\"计算失败：{e}\") except Exception as e: print(f\"其他错误：{e}\")# 运行测试test_calculator()🔧 常见问题与解决方案
❓ Q: 什么时候应该使用异常处理？
A: 当你的程序可能遇到以下情况时：
- 用户输入不合法
- 文件操作失败
- 网络连接问题
- 数据转换错误
- 资源不足
❓ Q: 应该捕获所有异常吗？
A: 不应该！只捕获你知道如何处理的异常：
# 🚫 错误做法try: some_operation()except: # 捕获所有异常 pass # 忽略所有错误# ✅ 正确做法try: some_operation()except SpecificError as e: handle_specific_error(e)except AnotherError as e: handle_another_error(e)❓ Q: 异常处理会影响性能吗？
A: 在正常情况下影响很小，但在异常频繁发生时影响较大。不要用异常来控制程序流程！
# 🚫 错误：用异常控制流程def find_item(items, target): try: return items[target] except KeyError: return None# ✅ 正确：用正常逻辑def find_item(items, target): return items.get(target, None)📖 扩展阅读
📚 推荐资源
- Python官方文档：异常处理
- 《Python编程：从入门到实践》第10章
- Real Python: Python异常处理
🛠️ 相关工具
logging模块：记录异常日志traceback模块：获取异常详细信息warnings模块：处理警告信息
🎯 进阶主题
- 上下文管理器（
with语句） - 异常链（
raise ... from） - 自定义异常层次结构
- 异步编程中的异常处理
🎬 下集预告
恭喜你！🎉 完成了Python基础语法篇的最后一课！现在你已经掌握了：
- ✅ Python基础语法
- ✅ 变量与数据类型
- ✅ 条件判断
- ✅ 循环结构
- ✅ 函数定义与使用
- ✅ 列表与字典
- ✅ 文件操作
- ✅ 异常处理
接下来，我们将进入Python进阶特性篇，第一站是\"面向对象编程：给代码穿上西装\"。我们将学习如何：
- 创建类和对象
- 理解封装、继承、多态
- 设计优雅的代码结构
- 构建可重用的代码模块
准备好迎接更高级的Python编程挑战了吗？让我们一起进入面向对象的精彩世界！🚀
📝 总结与思考题
🎯 关键知识点总结
- 异常处理的重要性：让程序更加健壮和用户友好
- try-except语法：捕获和处理异常的基本方法
- 异常类型：了解常见异常并针对性处理
- else和finally：精细控制异常处理流程
- 自定义异常：创建符合业务需求的异常类
- 最佳实践：写出优雅的异常处理代码
🤔 思考题
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基础题：写一个函数，安全地将字符串转换为整数，如果转换失败返回默认值。
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进阶题：设计一个文件处理类，能够安全地读写文件，并在出错时提供详细的错误信息。
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挑战题：创建一个网络爬虫的错误处理系统，能够处理各种网络异常并自动重试。
🎯 实践作业
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改进计算器：在我们的计算器基础上，添加更多数学函数（如三角函数、对数等）的支持。
-
配置文件读取器：编写一个配置文件读取器，能够优雅地处理文件不存在、格式错误等各种异常。
-
用户输入验证器：创建一个通用的用户输入验证系统，能够处理各种输入错误并给出友好提示。
记住，优秀的程序员不仅要会写能运行的代码，更要会写能优雅处理错误的代码！异常处理是你迈向高级程序员的重要一步。🎓
“在编程的世界里，异常不是敌人，而是程序健壮性的守护者。学会与异常共舞，你的代码将更加优雅和可靠。” 💫
