AI人工智能技术之异常

本章学习目标

• 理解异常的概念

• 掌握异常的处理

• 掌握触发异常

• 掌握自定义异常

异常是指程序运行时引发的错误，引发错误的原因有多种，例如语法错误、除数为零、打开不存在文件等。若这些错误没有进行处理，则会导致程序终止运行，而合理地使用异常处理错误可以使程序具有更强的容错性。

13.%2 异常概述

13.1.1 异常的概念

在生活中，使用计算机中的某个应用软件时，由于某种错误，可能会引发异常，如图13.1所示。

图13.1 程序异常

在程序中，当Python检测到一个错误时，解释器就会指出当前流程已无法继续执行下去，这时就出现了异常，例如，使用print()函数输出一个未定义的变量值，具体如下所示：

print(name)

在Python程序中，如果出现异常，而异常对象并未被捕捉或处理，程序就会用自动的回溯，返回一种错误信息，并终止执行，上述语句返回的错误信息如下：

Traceback (most recent call last):

File "D:/1000phone/test.py", line 1, in <module>

print(name)

NameError: name 'name' is not defined

上述信息提示name变量名未定义，NameError为Python的内建异常类。异常是指因为程序出错而在正常控制流以外采取的行为，即异常是一个事件，该事件会在程序执行过程中发生，影响了程序的正常执行。

13.1.2 异常类

Python为了区分不同的异常，其中内置了许多异常类，常见的异常类如表13.1所示。

表13.1 常见的异常类

异常类名称	基类	说明
BaseException	object	所有异常类的直接或间接基类
Exception	BaseException	所有非退出异常的基类
SystemExit	BaseException	程序请求退出时抛出的异常
KeyboardInterrupt	BaseException	用户中断执行(通常是输入Ctrl+C)时抛出
GeneratorExit	BaseException	生成器发生异常，通知退出
ArithmeticError	Exception	所有数值计算错误的基类
FloatingPointError	ArithmeticError	浮点运算错误
OverflowError	ArithmeticError	数值运算超出最大限制
ZeroDivisionError	ArithmeticError	除零导致的异常
AssertionError	Exception	断言语句失败
AttributeError	Exception	对象没有这个属性
EOFError	Exception	读取超过文件结尾
OSError	Exception	I/O相关错误的基类
ImportError	Exception	导入模块/对象失败
LookupError	Exception	查找错误的基类
IndexError	LookupError	序列中没有此索引
KeyError	LookupError	映射中没有这个键
MemoryError	Exception	内存溢出错误
NameError	Exception	未声明、未初始化对象
UnboundLocalError	NameError	访问未初始化的本地变量
ReferenceError	Exception	弱引用试图访问已经垃圾回收了的对象
RuntimeError	Exception	一般的运行时错误
NotImplementedError	RuntimeError	尚未实现的方法
SyntaxError	Exception	语法错误
IndentationError	SyntaxError	缩进错误
TabError	IndentationError	Tab 和空格混用
SystemError	Exception	一般的解释器系统错误
TypeError	Exception	对类型无效的操作
ValueError	Exception	传入无效的参数
Warning	Exception	警告的基类
RuntimeWarning	Warning	可疑的运行时行为警告基类
SyntaxWarning	Warning	可疑的语法警告基类

在表13.1中，BaseException是异常的顶级类，但用户定义的类不能直接继承这个类，而是要继承Exception。Exception类是与应用相关异常的顶层基类，除了系统退出事件类之外（SystemExit、KeyboardInterrupt和GeneratorExit），几乎所有用户定义的类都应该继承自这个类，而不是BaseException类。

13.%2 捕获与处理异常

为了防止程序运行中遇到异常而意外终止，编程时应对可能出现异常进行捕获并处理。在Python程序中，使用try、except、else、finally四个关键字来实现异常的捕捉与处理。

13.2.1 try-except语句

try-except语句可以捕获异常并进行处理，其语法格式如下：

try:

# 可能出现异常的语句

except 异常类名:

# 处理异常的语句

当try语句块中某条语句出现异常时，程序就不再执行try语句块后面的语句，而是直接执行except语句块中的语句，如例13-1所示。

例13-1

1 try:

2 a = float(input('请输入被除数:'))

3 b = float(input('请输入除数:'))

4 print(a, '/', b, '结果为', a / b)

5 print('运算结束')

6 except ZeroDivisionError:

7 print('除数不能为0')

8 print('程序结束')

程序运行时，输入4与2，则运行结果如图13.2所示。

图13.2 运行结果

再次运行程序，输入4与0，则运行结果如图13.3所示。

图13.3 运行结果

从两次运行结果可看出，程序没有触发异常与触发异常执行的流程并不一致。程序中一旦发生异常，就不会执行try语句块中剩余的语句，而是直接执行except语句块。另外，本程序捕捉并处理了异常，因此，当输入的除数为0时，程序可以正常结束，而不是终止运行。

读者需注意，上例程序只能捕捉except后面的异常类，如果发生其他类型异常，程序依然会终止，例如，运行上例程序，输入ab再回车，则程序出现错误，如图13.4所示。

图13.4 错误信息

在图13.4中，错误信息提示字符串类型不能转化为浮点型，为了保证程序正常运行，此时就需要捕获并处理多个异常，其语法格式如下：

try:

# 可能出现异常的语句

except 异常类名1:

# 处理异常1的语句

except 异常类名2:

# 处理异常2的语句

...

接下来演示捕获并处理多种异常，如例13-2所示。

例13-2

1 try:

2 a = float(input('请输入被除数:'))

3 b = float(input('请输入除数:'))

4 print(a, '/', b, '结果为', a / b)

5 print('运算结束')

6 except ZeroDivisionError:

7 print('除数不能为0')

8 except ValueError:

9 print('传入参数无效')

10 print('程序结束')

程序运行时，输入ab并回车，则运行结果如图13.5所示。

图13.5 运行结果

在例13-2中，程序中增加了处理ValueError异常。在程序中，虽然开发者可以编写处理多种异常的代码，但异常是防不胜防的，很有可能再出现其他异常，此时就需要捕捉并处理所有可能发生的异常，其语法格式如下：

try:

# 可能出现异常的语句

except 异常类名:

# 处理异常的语句

except:

# 与上述异常不匹配时,执行此语句块

如果程序发生了异常，但是没有找到匹配的异常类别，则执行不带任何匹配类型的except语句后面的语句块。

接下来演示捕获并处理所有异常，如例13-3所示。

例13-3

1 try:

2 a = float(input('请输入被除数:'))

3 b = float(input('请输入除数:'))

4 print(a, '/', b, '结果为', a / b)

5 print('运算结束')

6 except ZeroDivisionError:

7 print('除数不能为0')

8 except:

9 print('其他错误')

10 print('程序结束')

程序运行时，输入ab并回车，则运行结果如图13.6所示。

图13.6 运行结果

在例13-3中，第8行通过except语句可以处理除ZeroDivisionError异常外的其他所有异常。

13.2.2 使用as获取异常信息

为了区分不同的异常，可以使用as关键字来获取异常信息，其语法格式如下：

try:

# 可能出现异常的语句

except 异常类名 as 异常对象名:

# 处理异常的语句

通过异常对象名便可以访问异常信息，如例13-4所示。

例13-4

1 try:

2 a = float(input('请输入被除数:'))

3 b = float(input('请输入除数:'))

4 print(a, '/', b, '结果为', a / b)

5 print('运算结束')

6 except ZeroDivisionError as e:

7 print(type(e), e)

8 print('程序结束')

运行结果如图13.7所示。

图13.7 运行结果

在例13-4中，第6行通过as关键字可以获取ZeroDivisionError异常类的实例对象e，第7行通过print()函数打印异常信息。

若捕捉并获取多种异常信息，则可以使用如下如法格式：

try:

# 可能出现异常的语句

except (异常类名1, 异常类名2, ...) as 异常对象名:

# 处理异常的语句

接下来演示捕捉并获取多种异常信息，如例13-5所示。

例13-5

1 try:

2 a = float(input('请输入被除数:'))

3 b = float(input('请输入除数:'))

4 print(a, '/', b, '结果为', a / b)

5 print('运算结束')

6 except (ZeroDivisionError, ValueError) as e:

7 print(type(e), e)

8 print('程序结束')

程序运行时，输入4与0，则运行结果如图13.8所示。

图13.8 运行结果

再次运行程序，输入ab，则运行结果如图13.9所示。

图13.9 运行结果

从上述运行结果可看出，当程序出现ZeroDivisionError或ValueError异常时，第6行语句会自动捕捉相应的异常并生成该异常类的实例对象。

若捕捉并获取所有异常信息，则可以使用如下如法格式：

try:

# 可能出现异常的语句

except BaseException as 异常对象名:

# 处理异常的语句

所有的异常类都继承自BaseException类，因此上述语句可以捕捉并获取所有异常信息，如例13-6所示。

例13-6

1 try:

2 a = float(input('请输入被除数:'))

3 b = float(input('请输入除数:'))

4 print(a, '/', b, '结果为', a / b)

5 print('运算结束')

6 except BaseException as e:

7 print(type(e), e)

8 print('程序结束')

运行结果如图13.10所示。

图13.10 运行结果

在例13-6中，第6行语句可以捕捉并获取所有异常，但不建议在程序中直接捕捉所有异常，因为它会隐藏所有程序员未想到并且未做好准备处理的错误。

13.2.3 try-except-else语句

try-except-else语句用于处理未捕捉到异常的情形，其语法格式如下：

try:

# 可能出现异常的语句

except BaseException as 异常对象名:

# 处理异常的语句

else:

# 未捕捉到异常执行的语句

如果try语句内出现了异常，则执行except语句块，否则执行else语句块。

接下来演示try-except-else语句的用法，如例13-7所示。

例13-7

1 try:

2 a = float(input('请输入被除数:'))

3 b = float(input('请输入除数:'))

4 result = a / b

5 except BaseException as e:

6 print(type(e), e)

7 else:

8 print(a, '/', b, '结果为', result)

9 print('程序结束')

程序运行时，输入4与0，则运行结果如图13.11所示。

图13.11 运行结果

再次运行程序，输入4与2，则运行结果如图13.12所示。

图13.12 运行结果

在例13-7中，当未捕捉到异常时，程序执行else语句。

13.2.4 try-finally语句

在try-finally语句中，无论try语句块中是否发生异常，finally语句块中的代码都会执行，其语法格式如下：

try:

# 可能出现异常的语句

finally:

# 无论是否发生异常都会执行的语句

其中，finally语句块用于清理在try块中执行的操作，如释放其占有的资源（如文件对象、数据库连接、图形句柄等）。

接下来演示try-finally语句的用法，如例13-8所示。

例13-8

1 try:

2 f = open('test.txt', 'a+')

3 i = 1

4 while True:

5 str = input('请输入第%d行字符串（按Q结束）：'%i)

6 if str.upper() == 'Q':

7 break

8 f.write(str + '\n')

9 i += 1

10 except KeyboardInterrupt:

11 print('程序中断！（Ctrl+C）')

12 finally:

13 f.close()

14 print('文件关闭')

15 print('程序结束')

打开控制台（window+R打开运行窗口，在输入框中输入cmd并点击确定），在命令行模式下进入D:\1000phone目录中，输入“python 13-8.py”，开始执行程序，如图13.13所示。

图13.13 在命令行模式中执行程序

当提示输入第3行字符串时，在键盘中按下Ctrl+C键，此时引发KeyboardInterrupt异常，程序立即执行except语句，之后再执行finally语句。

另外，with-as语句可作为try-finally语句处理异常的替代，其语法格式如下：

with 表达式 [as 变量名]:

with语句块

该语句用于定义一个有终止或清理行为的情况，如释放线程资源、文件、数据库连接等，在这些场合下使用with语句将使代码更加简洁。

在讲解文件打开与关闭时，本书使用的就是with-as语句。with后面的表达式的结果将生成一个支持环境管理协议的对象，该对象中定义了__enter__() 和__exit__()方法。在with内部的语句块执行之前调用__enter__()方法运行构造代码，如果在as后指定了一个变量，则将返回值和这个变量名绑定。当with内部语句块执行结束后，自动调用__exit__()方法，同时执行必要的清理工作，不管执行过程中有无异常发生。

以上学习了try-except语句、try-except-else语句和try-finally语句，在实际开发中，经常需要将三种语句结合起来使用，具体如下所示：

try:

# 可能出现异常的语句

except 异常类名 as 异常对象名:

# 处理特定异常的语句

except:

# 处理多个异常的语句

else:

# 未捕捉到异常执行的语句

finally:

# 无论是否发生异常都会执行的语句

程序先执行try语句块，若try语句块中的某一语句执行时发生异常，则程序跳转到except语句，从上到下判断抛出的异常是否与except后面的异常类相匹配，并执行第一个匹配该异常的except后面的语句块。

若try语句块中发生了异常，但是没有找到匹配的异常类别，则执行不带任何匹配类型的except语句块。

若没有发生任何异常，则程序在执行完try语句块后直接进入else语句块。

最后，无论程序是否发生异常，都会执行finally语句块。

13.%2 触发异常

触发异常有两种情况：一种是程序执行中因为错误自动触发异常，另一种是显式地使用raise或assert语句手动触发异常。Python捕捉与处理这两种异常的方式是相同的。本节主要介绍手动触发异常。

13.3.1 raise语句

raise语句可以手动触发异常，其使用方法有三种，具体如下所示：

1. 通过类名触发异常

该方法只需指明异常类便可创建异常类的实例对象并触发异常，其语法格式如下：

raise 异常类名

例如，手动触发语法错误异常，则可以使用以下语句：

raise SyntaxError

程序运行时，输出以下信息：

Traceback (most recent call last):

File "D:/1000phone/test.py", line 1, in <module>

raise SyntaxError

SyntaxError: None

2. 通过异常类的实例对象触发异常

该方法只需指明异常类的实例对象便可触发异常，其语法格式如下：

raise 异常类的实例对象

例如，手动触发除零导致的异常，则可以使用以下语句：

raise ZeroDivisionError()

程序运行时，输出以下信息：

Traceback (most recent call last):

File "D:/1000phone/test.py", line 1, in <module>

raise ZeroDivisionError()

ZeroDivisionError

此外，该方法还可以指定异常信息，具体如下所示：

raise ZeroDivisionError('除数为零!')

程序运行时，输出以下信息：

Traceback (most recent call last):

File "D:/1000phone/test.py", line 1, in <module>

raise ZeroDivisionError('除数为零!')

ZeroDivisionError: 除数为零!

3. 重新触发异常

raise语句还可以重新触发异常，具体如下所示：

try:

raise ZeroDivisionError

except:

print('捕捉到异常!')

raise         # 重新触发刚才发生的异常

程序运行时，输出以下信息：

Traceback (most recent call last):

捕捉到异常!

File "D:/1000phone/test.py", line 2, in <module>

raise ZeroDivisionError

从上可以看出，程序执行了except语句块中的代码，其中的raise语句会重新触发ZeroDivisionError异常，但此时异常对象并未被捕捉或处理，因此程序终止运行。

13.3.2 assert语句

assert语句（又称断言）是有条件的触发异常，其语法格式如下：

assert 表达式 [, 参数]

其中，当表达式为真时，则不发生任何事情，当表达式为假时，则触发AssertionError异常。若给定了参数部分，则在AssertionError后将参数部分作为异常信息的一部分给出。

assert语句的主要功能是帮助程序员调试程序，以保证程序运行的正确性，因此它一般在开发调试阶段使用。

接下来演示assert语句的用法，如例13-9所示。

例13-9

1 try:

2 a = float(input('请输入被除数:'))

3 b = float(input('请输入除数:'))

4 assert a >= b, '被除数大于除数'

5 result = a / b

6 except BaseException as e:

7 print(e.__class__.__name__, ':', e)

8 print('程序结束')

程序运行时，输入4与2，则运行结果如图13.14所示。

图13.14 运行结果

再次运行程序，输入2与4，则运行结果如图13.15所示。

图13.15 运行结果

在例13-9中，只有当输入的被除数小于除数时，程序才会触发AssertionError异常。

13.%2 自定义异常

Python中内置的异常类毕竟有限，用户有时根据需求需设置其他异常，如学生成绩不能为负数、限定密码长度等。自定义异常类一般继承于Exception或其子类，其命名一般以Error或Exception为后缀，如例13-10所示。

例13-10

1 class NumberError(Exception):    # 自定义异常类，继承于Exception

2 def __init__(self, data = ''):

3 Exception.__init__(self, data)

4 self.data = data

5 def __str__(self):            # 重载__str__方法

6 return self.__class__.__name__ + ':' + self.data + '非法数值(<= 0)'

7 try:

8 num = input('请输入正数:')

9 if float(num) <= 0:

10 raise NumberError(str(num)) # 触发异常

11 print('输入的正数为:', num)

12 except BaseException as e:

13 print(e)

运行结果如图13.16所示。

图13.16 运行结果

在例13-10中，第1行自定义异常类NumberError，继承于Exception，第10行通过raise语句手动触发NumberError异常。

13.%2 回溯最后的异常

当触发异常时，Python可以回溯异常并给提示许多信息，这可能会给程序员定位异常位置带来不便，因此，Python中可以使用sys模块中exc_info()函数来回溯最后一次异常信息，该函数返回一个元组(type, value/message, traceback)，每个元素的具体含义如下所示：

• type：异常的类型

• value/message：异常的信息或者参数

• traceback：包含调用栈信息的对象

接下来演示该函数的用法，如例13-11所示。

例13-11

1 import sys # 导入sys模块

2 try:

3 4 / 0

4 except:

5 tuple = sys.exc_info()

6 print(tuple)

运行结果如图13.17所示。

图13.17 运行结果

在例13-11中，第6行输出sys.exc_info()函数的返回值。该函数虽然可以获取最后触发异常的信息，但是难以直接确定触发异常的代码位置。

13.%2 小案例

计算test.txt文件中每行数字的总和与平均值，该文件可能不存在或为空，也可能某行不包含数字。程序中需捕获并处理可能发生的异常（不能使用with-as语句），具体实现如例13-12所示。

例13-12

1 sum, num, flag = 0, 0, True

2 try:

3 file = open('test.txt', 'r')

4 except FileNotFoundError as e: # 处理文件不存在的异常

5 print(e.__class__.__name__, ':', e)

6 flag = False

7 if flag:

8 try:

9 for line in file:

10 num += 1

11 sum += float(line)

12 ave = sum / num

13 except ValueError as e: # 处理某行不是数字的异常

14 print(num, '行 ', e.__class__.__name__, ':', e)

15 if num > 1:

16 print(num, '行之前:')

17 print('总和:', sum, ' 平均值:', sum / (num - 1))

18 else:

19 print('无法计算')

20 except ZeroDivisionError: # 处理空文件的异常

21 print('空文件')

22 else:

23 print('总和:', sum, ' 平均值:', ave)

24 finally:

25 file.close()

26 print('程序结束')

若test.txt文件不存在，则程序运行结果如图13.18所示。

图13.18 运行结果

若test.txt文件内容如下所示：

12

76

扣丁学堂

23

则程序运行结果如图13.19所示。

图13.19 运行结果

在例13-12中，程序通过try-except语句和try-except-else-finally语句分别对文件操作或除法操作中可能出现的异常进行捕捉和处理。

13.%2 本章小结

本章主要介绍了异常，包括异常的概念、触发异常、捕获与处理异常、自定义异常、回溯最后的异常。学习完本章知识，读者需理解异常处理的作用，即它使程序能够正常执行，不至于程序因异常导致退出或崩溃。

13.%2 习题

1.填空题

(1) 用户自定义的异常类需继承 。

(2) Exception类的基类是 。

(3) 语句是有条件的触发异常。

(4) sys模块中 函数来回溯最后一次异常信息。

(5) 通过 关键字可以获取异常信息。

2.选择题

(1) 下列选项中，（ ）语句可以手动触发异常。

A．try                                B．except

C．raise                                D．finally

(2) 当try语句块中未触发异常时，（ ）语句块不会执行。

    A．finally                            B．except

    C．else                                D．try

(3) 下列选项中，语句顺序正确的是（ ）。

    A．try-else-except                        B．try-except-finally-else

    C．try-finally-except                    D．try-except-else-finally

(4) 无论try语句块中是否发生异常，（ ）语句块都会被执行。

A．except                            B．except-as

C．finally                            D．else

(5) SyntaxError表示出现（ ）异常。

    A．语法错误                            B．缩进错误

    C．除零错误                            D．断言

3.思考题

(1) 简述异常处理语句的执行流程。

(2) 简述raise语句的使用方法。

4.编程题

输入与输出员工的姓名、年龄、月收入（输出年收入），假设姓名字符串长度在2-18之间，年龄在18-60之间，月收入大于2500，如果不满足上述条件，则手动触发异常并处理。