JVM是如何处理异常的

异常处理的组成要素

异常处理的两大组成要素是抛出异常和捕获异常。这两大要素共同实现程序控制流的非正常转移。

抛出异常

抛出异常可分为显示和隐式两种。

显示抛异常的主体是应用程序，指的是在程序中使用”throw”关键字，手动将异常实例抛出。
隐式抛异常的主体则是JVM，指的是JVM在执行过程中，碰到无法继续执行的异常状态，自动抛出异常。

捕获异常

捕获异常涉及三种代码块。

try代码块：用来标记需要进行异常监控的代码。
catch代码块：跟在try代码块之后，用来捕获在try代码块中触发的某种指定类型的异常。除了声明所捕获异常的类型之外，catch代码块还定义了针对该异常类型的异常处理器。在Java中，try代码块后面可以跟着多个catch代码块，来捕获不同类型的异常。JVM会从上至下匹配异常处理器。前面的catch代码块所捕获的异常类型不能覆盖后边的，否则编译器会报错。
finally代码块：跟在try代码块和catch代码块之后，用来声明一段必定运行的代码。它的设计初衷是为了避免跳过某些关键的清理代码，例如关闭已打开的系统资源。

在程序正常执行的情况下，这段代码会在try代码块之后运行。否则try代码块触发异常的情况下，如果该异常没有被捕获，finally代码块会直接运行，并且在运行之后重新抛出该异常。
如果该异常被catch代码块捕获，finally代码块则在catch代码块之后运行。在某些不幸的情况下，catch代码块也触发了异常，那么finally代码块同样会运行，并会抛出catch代码块触发的异常。咋某些极端不幸的情况下，finally代码块也触发了异常，那么只好终端当前finally代码块的执行，并往外抛异常。

异常的基本概念

在Java语言规范中，所有异常都是Throwable类或者其子类的实例。Throwable有两大直接子类。

第一个是Error，涵盖程序不应捕获的异常。当程序触发Error时，它的执行状态已经无法恢复，需要中止线程甚至是中止虚拟机。
第二子类是Exception，涵盖程序可能需要捕获并且处理的异常。

Exception有一个特殊的子类RuntimeException，用来表示”程序虽然无法继续执行，但是还能抢救一下”的情况。

RuntimeException和Error属于Java里的非检查异常(unchecked exception)。在Java语法中，所有的检查异常都需要程序显式的捕获，或者在方法声明中用throws关键字标注。通常情况下，程序中自定义的异常应为检查异常，以便最大化利用Java编译器的编译时检查。

异常实例的构造十分昂贵。这是由于在构造异常实例时，JVM需要生成该异常的栈轨迹(stack trace)。该操作会逐一访问当前线程的Java栈帧，并记录下各种调试信息，包括栈帧所指向方法的名字，方法所在的类名、文件名，以及在代码中的第几行触发该异常。

实践中，抛出新建异常实例。而不是缓存异常实例，因为栈轨迹不一致。

在生成栈轨迹时，JVM会忽略掉异常构造器以及填充栈帧的Java方法(Throwable.fillnStackTrace)，直接从新建异常位置开始算起。持外，JVM虚拟机还会忽略标记为不可见的Java方法栈帧。

Java虚拟机是如何捕获异常的

在编译生成的字节码中，每个方法都附带一个异常表。异常表中的每一个条目代表一个异常处理器，并且由from指针、to指针、target指针以及所捕获的异常类型构成。这些指针的值是字节码索引(bytecode index, bci)，用以定位字节码。

javap -c Foo


public class Foo {
    private int tryBlock;
    private int catchBlock;
    private int finallyBlock;
    private int methodExit;

    public void test() {
        try {
            tryBlock = 0;
        } catch (Exception e) {
            catchBlock = 1;
        } finally {
            finallyBlock = 2;
        }
        methodExit = 3;
    }
}


$ javap -c Foo
...
public void test();
    Code:
       0: aload_0
       1: iconst_0
       2: putfield      #20      // Field tryBlock:I
       5: goto          30
       8: astore_1
       9: aload_0
      10: iconst_1
      11: putfield      #22      // Field catchBlock:I
      14: aload_0
      15: iconst_2
      16: putfield      #24      // Field finallyBlock:I
      19: goto          35
      22: astore_2
      23: aload_0
      24: iconst_2
      25: putfield      #24      // Field finallyBlock:I
      28: aload_2
      29: athrow
      30: aload_0
      31: iconst_2
      32: putfield      #24      // Field finallyBlock:I
      35: aload_0
      36: iconst_3
      37: putfield      #26      // Field methodExit:I
      40: return
    Exception table:
        from    to  target type
           0     5     8   Class java/lang/Exception
           0    14    22   any
...

其中from指针和to指针标识了该异常处理器所监控的范围，try代码块索覆盖的范围。target指针则指向异常处理器的起始位置，catch代码块的起始位置。

当程序触发异常时，JVM会从上到下遍历异常表中的所有条目。当触发异常的字节码的索引值在某个异常表条目的监控范围内，JVM会判断所抛出的异常和该条目想要捕获的异常是否匹配。如果匹配，JVM会将控制流转移至该条目target指针指向的字节码。

如果遍历完所有异常条目，JVM仍未匹配到异常处理器，那么它会弹出当前方法对应的Java栈帧，并且在调用者(caller)中重复上述操作。在最坏情况下，JVM需要遍历当前线程Java栈上所有方法的异常表。

finally代码块的编译比较复杂。当前版本Java编译器的做法，是复制finally代码块的内容，分别放在try-catch代码块所有正常执行路径以及异常执行路径的出口中。

针对异常执行路径，Java编译器会生成一个或多个异常表条目，监控整个try-catch代码块，并且捕获所有种类的异常(在javap中以any指代)。这些异常表条目的target指针将各自指向另一份复制的finally代码块。并且，在这个finally代码块的最后，若触发新异常，Java编译器会重新抛出所捕获的异常。

最后一份finally代码块作为异常处理器，监控try代码块以及catch代码块。它将捕获try代码块触发的、未被catch代码块捕获的异常，以及catch代码块触发的异常。(如果catch代码块捕获了异常，并且触发了另一个异常，那么finally捕获并且重抛的异常是最后的异常，原本的异常便会被忽略掉！)

Java7的Suppressed异常以及语法糖(try-with-resources、多异常捕获)

Java7引入Suppressded异常允许开发人员将一个异常附于另一个异常之上。抛出的异常可以附带多个异常的信息(Java层面的finally代码块缺少指向所捕获异常的引用，使用Suppressed的特性较繁琐)。

Java7构造了名为try-with-resources的语法糖，在字节码层面自动使用Suppressed异常。精简资源打开关闭的用法。

Java7之前，对于打开的资源，需要定义一个finally代码块，来确保资源在正常或者异常执行状况下都能关闭。资源的关闭操作本身容易触发异常。如果同时打开多个资源，那么每一个资源都要对应一个独立的try-finally代码块，以保证每个资源都能够关闭。代码将会变得十分繁琐。

try-with-resources语法糖，简化了上述操作。程序可以在try关键字后声明并实例化实现了AutoCloseable接口的类，编译器将自动添加对应的close()操作。与手工代码相比，try-with-resources还会使用Suppressed异常的功能，来避免原异常”被消失”。

除了try-with-resources语法糖之外，Java7还支持在同一catch代码块中捕获多种异常。生成多个异常表条目，多异常捕获语法糖。