Java 例外処理

Java において、例外処理はプログラムの実行中に発生する可能性のあるエラーや異常な状況に対処するための重要なプログラミング概念です。

例外はプログラム内の何らかのエラーですが、すべてのエラーが例外であるわけではなく、エラーは回避できる場合もあります。

たとえば、コードにセミコロンが1つ欠けていると、実行結果はエラーメッセージが表示されます。java.lang.Error、もしあなたがSystem.out.println(11/0)、それならあなたは0除数にした場合、java.lang.ArithmeticExceptionの例外がスローされます。

例外が発生する原因は多く、通常以下のような大きな分類があります：

• ユーザーが不正なデータを入力した。
• 開こうとするファイルが存在しない。
• ネットワーク通信中に接続が切断された、またはJVMメモリがオーバーフローした。

これらの例外の中には、ユーザーエラーが原因のもの、プログラムエラーが原因のもの、その他物理的なエラーが原因のものもあります。

Java の例外処理がどのように機能するかを理解するには、次の3種類の例外を理解する必要があります：

• 検査例外：最も代表的な検査例外は、ユーザーのエラーや問題によって引き起こされる例外です。これらの例外はコンパイル時にプログラマが処理することを強制されます。例えば、存在しないファイルを開こうとすると例外が発生しますが、これらの例外はコンパイル時に単純に無視することはできません。

  この種の例外は通常、try-catchブロックを使用して例外をキャッチして処理するか、メソッド宣言でthrows句を使用してメソッドがスローする可能性のある例外を宣言します。

  try {
      // 可能会抛出异常的代码
  } catch (IOException e) {
      // 处理异常的代码
  }

  または：

  public void readFile() throws IOException {
      // 可能会抛出IOException的代码
  }

• 実行時例外これらの例外はコンパイル時に処理が強制されず、通常はプログラム内のエラーによって引き起こされます。例えば NullPointerException、ArrayIndexOutOfBoundsException などです。この種の例外は処理するかどうか選択できますが、必須ではありません。

  try {
      // 可能会抛出异常的代码
  } catch (NullPointerException e) {
      // 处理异常的代码
  }

• エラー：エラーは例外ではなく、プログラマの制御を離れた問題であり、コード内では通常無視されます。例えば、スタックオーバーフローが発生するとエラーが発生しますが、これらはコンパイル時にもチェックできません。

Java は例外処理をサポートするために、以下のキーワードとクラスを提供しています：

• try：例外をスローする可能性のあるコードブロックを囲むために使用します。
• catch：例外をキャッチして処理するためのコードブロックです。
• finally：例外が発生するかどうかにかかわらず実行する必要があるコードブロックを含めるために使用します。
• throw：手動で例外をスローするために使用します。
• throws：メソッド宣言でメソッドがスローする可能性のある例外を指定するために使用します。
• Exceptionクラス：すべての例外クラスのスーパークラスであり、例外情報を取得するためのいくつかのメソッドを提供します。例：getMessage()、printStackTrace()など。

Exception クラスの階層

すべての例外クラスは java.lang.Exception クラスから継承されたサブクラスです。

Exception クラスは Throwable クラスのサブクラスです。Exception クラスの他に、Throwable には Error というサブクラスもあります。

Java プログラムは通常、エラーをキャッチしません。エラーは通常、深刻な障害時に発生し、Java プログラムの処理範囲外です。

Error は実行時環境で発生するエラーを示すために使用されます。

例えば、JVM メモリオーバーフローです。一般に、プログラムはエラーから回復することはありません。

例外クラスには2つの主要なサブクラスがあります：IOException クラスと RuntimeException クラスです。

Java 組み込みクラスには(後で説明します)、一般的に使用される検査例外と非検査例外の大部分があります。

Java 組み込み例外クラス

Java 言語は java.lang 標準パッケージ内にいくつかの例外クラスを定義しています。

標準の実行時例外クラスのサブクラスは、最も一般的な例外クラスです。java.lang パッケージはすべての Java プログラムにデフォルトでロードされるため、実行時例外クラスから継承された例外のほとんどは直接使用できます。

Java は各クラスライブラリに基づいて他の例外も定義しています。次の表に Java の非検査例外を示します。

次の表に、Java が java.lang パッケージで定義している検査例外クラスを示します。

例外メソッド

以下のリストは Throwable クラスの主要なメソッドです：

例外のキャッチ

try キーワードと catch キーワードを使用すると例外をキャッチできます。try/catch コードブロックは例外が発生する可能性のある場所に配置します。

try/catch コードブロック内のコードは保護コードと呼ばれます。try/catch の構文は次のとおりです：

try
{
   // 程序代码
}catch(ExceptionName e1)
{
   //Catch 块
}

catch 文は、捕捉する例外型の宣言を含みます。保護されたコードブロックで例外が発生すると、try の後の catch ブロックが検査されます。

発生した例外が catch ブロックに含まれる場合、例外はその catch ブロックに渡されます。これはパラメータを渡す方法と同じです。

例

下の例では、2つの要素を持つ配列を宣言しています。コードが配列の4番目の要素にアクセスしようとすると、例外がスローされます。

上記のコードをコンパイルして実行すると、出力結果は次のようになります。

Exception thrown  :java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 3
Out of the block

多重キャッチブロック

try コードブロックの後に複数の catch コードブロックが続く状況を多重キャッチと呼びます。

多重キャッチブロックの構文は次のとおりです:

上記のコードセグメントには3つの catch ブロックが含まれています。

try 文の後には任意の数の catch ブロックを追加できます。

保護されたコードで例外が発生すると、例外は最初の catch ブロックにスローされます。

スローされた例外のデータ型が ExceptionType1 と一致する場合、ここで捕捉されます。

一致しない場合は、2番目の catch ブロックに渡されます。

このようにして、例外が捕捉されるか、すべての catch ブロックを通過するまで続きます。

例

この例は、多重 try/catch の使用方法を示しています。

複数例外のまとめてキャッチ

Java 7 から、より簡潔な書き方である「複数例外のまとめてキャッチ」が導入されました。1つの catch ブロックで継承関係のない複数の例外を処理できます。

try {
    // 可能抛出多个不同类型异常的代码
} catch (异常类型1 | 异常类型2 | 异常类型3 异常变量) {
    // 统一处理
}

注意すべき点:

• 例外型1、例外型2 などは継承関係を持つことはできません。継承関係があるとコンパイルエラーになります。
• 例外変数名はこれら3つの例外の共通参照変数であるため、catch ブロック内ではそれらに固有のメソッドを呼び出すことはできません。
• コンパイラは、この例外変数の型を、これらの例外の最も近い共通の親クラス（例: Exception や IOException）と推定します。

次のように、相互に継承関係がない例外で、SQLException と IOException の両方がスローされる可能性がある場合:

エラー例（親子関係にある例外はまとめることができません）:

// 错误写法！
catch (FileNotFoundException | IOException e) {
    // 会导致编译错误，因为 FileNotFoundException 是 IOException 的子类
}

FileNotFoundException は IOException のサブクラスであるため、この書き方は実際には無効であり、コンパイルエラーになります。

throws/throw キーワード

Java では、throwとthrowsキーワードは例外を処理するために使用されます。

throwキーワードはコード内で例外をスローするために使用され、一方throwsキーワードはメソッド宣言でスローされる可能性のある例外型を指定するために使用されます。

throw キーワード

throwキーワードは現在のメソッド内で例外をスローするために使用されます。

通常、コードが特定の条件で正常に実行を続けられない場合、次のように使用できます:throwキーワードを使用して例外をスローし、呼び出し元に現在のコードの実行状態を知らせます。

例えば、次のコードでは、メソッド内で num が 0 未満かどうかをチェックし、そうであれば IllegalArgumentException 例外をスローします。

throws キーワード

throwsキーワードは、メソッド宣言でそのメソッドがスローする可能性のある例外を指定するために使用されます。メソッド内で指定された型の例外がスローされると、その例外はメソッドを呼び出したコードに渡され、そのコードで例外が処理されます。

例えば、次のコードでは、readFile メソッド内で IOException 例外が発生した場合、その例外はメソッドを呼び出したコードに渡されます。メソッドを呼び出すコードでは、IOException 例外をキャッチするか、宣言して処理する必要があります。

1つのメソッドは複数の例外をスローすることを宣言でき、複数の例外はカンマで区切ります。

例えば、次のメソッドは RemoteException と InsufficientFundsException をスローすることを宣言しています:

finally キーワード

finally キーワードは、try コードブロックの後に実行されるコードブロックを作成するために使用されます。

例外が発生するかどうかに関係なく、finally コードブロック内のコードは常に実行されます。

finally コードブロック内では、クリーンアップなどの後処理を行うステートメントを実行できます。

finally コードブロックは catch コードブロックの最後に置かれ、構文は次のとおりです:

例

上記の例をコンパイルして実行した結果は次のとおりです:

Exception thrown  :java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 3
First element value: 6
The finally statement is executed

次の点に注意してください:

• catch は try から独立して存在することはできません。
• try/catch の後に finally ブロックを追加することは必須ではありません。
• try コードの後には、catch ブロックも finally ブロックもない状態は許されません。
• try、catch、finally ブロックの間にはコードを追加できません。

try-with-resources

JDK 7 以降、Java に新たに追加されたtry-with-resource構文構造は、リソースを自動管理し、リソースが使用後に適切に閉じられ、リソースリークを防ぐことを目的としています。

try-with-resources は例外処理メカニズムであり、try ブロック内で宣言されたリソースを自動的に閉じるため、finally ブロックで明示的に閉じる必要がありません。

try-with-resources 文では、try キーワードの後にリソースを宣言し、その後にコードブロックを続けるだけです。コードブロック内の操作が成功するかどうかに関係なく、リソースは try コードブロックの実行後に自動的に閉じられます。

try (resource declaration) {
  // 使用的资源
} catch (ExceptionType e1) {
  // 异常块
}

上記の構文では、try はリソースの宣言とインスタンス化に使用され、catch はリソースを閉じるときに発生する可能性のあるすべての例外を処理するために使用されます。

注意:try-with-resources 文は、AutoCloseable インターフェースを実装するすべてのリソースを閉じます。

上記の例の出力結果は次のとおりです:

IOException in try block =>test.txt (No such file or directory)

上記の例では、BufferedReader オブジェクトをインスタンス化して test.txt ファイルからデータを読み取ります。

try-with-resources 文で BufferedReader オブジェクトを宣言およびインスタンス化すると、実行が完了した後、try 文が正常に実行されたか例外をスローしたかを考慮することなく、リソースが自動的に閉じられます。

例外が発生した場合は、catch を使用して例外を処理できます。

では、使わない場合を見てみましょう。try-with-resources代わりにfinallyリソースを閉じると、コード全体の量が大幅に増え、より複雑で煩雑になります:

上記の例の出力結果は次のとおりです:

Entering try block
IOException in try block =>test.txt (No such file or directory)
Entering finally block

try-with-resources による複数リソースの処理

try-with-resources 文では、セミコロンを使用して複数のリソースを宣言できます。;各リソースを区切ります:

上記の例では、Scanner オブジェクトを使用して testRead.txt ファイルから1行を読み取り、新しい testWrite.txt ファイルに書き込みます。

複数のリソースを宣言する場合、try-with-resourcestry-with-resources 文はこれらのリソースを逆の順序で閉じます。この例では、PrintWriter オブジェクトが最初に閉じられ、次に Scanner オブジェクトが閉じられます。

詳細は以下を参照してください:

• try-with-resources：Java try-with-resources 文
• リソース管理:Java Cleaner クラス

カスタム例外の宣言

Java ではカスタム例外を定義できます。独自の例外クラスを作成するときは、次の点に注意してください。

• すべての例外は Throwable のサブクラスである必要があります。
• チェック例外クラスを作成したい場合は、Exception クラスを継承する必要があります。
• 実行時例外クラスを作成したい場合は、RuntimeException クラスを継承する必要があります。

独自の例外クラスは次のように定義できます:

Exception クラスのみを継承して作成された例外クラスは、チェック例外クラスです。

次の InsufficientFundsException クラスは、Exception から継承したユーザー定義の例外クラスです。

例外クラスは他のクラスと同様に、変数とメソッドを含みます。

例

以下のインスタンスは銀行口座のシミュレーションであり、銀行カードの番号によって識別を行い、入金と出金の操作ができます。

カスタム例外クラスの使用方法を示すために、

以下の CheckingAccount クラスには、InsufficientFundsException 例外をスローする withdraw() メソッドが含まれています。

以下の BankDemo プログラムは、CheckingAccount クラスの deposit() メソッドと withdraw() メソッドを呼び出す方法を示しています。

上記の3つのファイルをコンパイルし、プログラム BankDemo を実行すると、結果は次のようになります：

Depositing $500...

Withdrawing $100...

Withdrawing $600...
Sorry, but you are short $200.0
InsufficientFundsException
        at CheckingAccount.withdraw(CheckingAccount.java:25)
        at BankDemo.main(BankDemo.java:13)

一般的な例外

Javaでは、2つのタイプの例外とエラーが定義されています。

• JVM(Java仮想マシン)例外：JVMによってスローされる例外またはエラー。例：NullPointerException クラス、ArrayIndexOutOfBoundsException クラス、ClassCastException クラス。
• プログラムレベルの例外：プログラムまたはAPIプログラムによってスローされる例外。例：IllegalArgumentException クラス、IllegalStateException クラス。

例外処理のベストプラクティス

• 適切な場所で例外をキャッチし、例外に対して適切な処理を行い、プログラムの安定性と信頼性を確保します。
• 過剰に例外をキャッチすることを避け、特定のタイプの例外をできるだけ正確にキャッチする必要があります。
• finallyブロックを使用してリソースを解放します。例えば、ファイルやデータベース接続を閉じるなどして、リソースが正しく解放されることを確保します。
• チェック例外を優先的に処理し、チェック例外を非チェック例外に変換することを避けます。

例外処理は堅牢な Java アプリケーションを作成するための重要な構成要素であり、例外を適切に処理することでプログラムの保守性と信頼性を向上させることができます。