本章將介紹Python的異常處理。Python標準庫的每個模組都使用了異常，異常在Python中除了可以捕獲錯誤，還有一些其他用途。當程式中出現異常或錯誤時，最後的解決辦法就是偵錯工具。Python的IDE工具提供了不同程度的程式調試。PyCharm的程式調試功能比較強大，本章將結合具體的例子講解程式的調試，包括中斷點、單步等調試方法。
本章的知識點：
·try…except語句
·raise語句
·assert語句
·自訂異常
·程式調試
異常是任何語言必不可少的一部分。Python提供了強大的異常處理機制，通過捕獲異常可以提高程式的健壯性。異常處理還具有釋放物件、中止迴圈的運行等作用。
9.1.1 Python中的異常
異常（Exception）是指程式中的例外、違例情況。異常機制是指當程式出現錯誤後，程式的處理方法。異常機制提供了程式正常退出的秘密頻道。當出現錯誤後，程式執行的流程發生改變，程式的控制權轉移到異常處理器，如序列的下標越界、打開不存在的文件、空引用異常等。當異常被引發時，如果沒有代碼處理該異常，異常將被Python接收處理。當異常發生時，Python解譯器將輸出一些相關的資訊並終止程式的運行。
在Python3中，BaseException是所有異常類的基類，所有的內置異常都是它的派生類。Exception是除了SystemExit、GeneratorExit和KeyboardInterrupt之外的所有內置異常的基類，用戶自訂的異常也應該繼承它。它包括以下異常：
·StopItertion，當反覆運算器中沒有資料項目時觸發，由內置函數next()和反覆運算器的__next__()方法觸發。
·ArithmeticError，演算法異常的基類，包括OverflowError（溢出異常）、ZeroDivisionError（零除異常）和FloatingPointError（失敗的浮點數操作）。
·AssertionError，assert語句失敗時觸發。
·AttributeError，屬性引用和屬性賦值異常。
·BufferError，緩存異常，當一個緩存相關的操作不能進行時觸發。
·EOFError，檔末尾，使用內置函數input()時生成，表示到達檔末尾。但是如read()和readline()等大多數I/O操作將返回一個空字串來表示EOF，而不是引發異常。
·ImportError，導入異常，當import語句或者from語句無法在模組中找到相應檔案名稱時觸發。
·LookupError，當使用映射或者序列時，如果鍵值或者索引無法找到的時候觸發。它是KeyError（映射中未找到鍵值）和IndexError（序列下標超出範圍）的基類。
·MemoryError，記憶體錯誤，當操作超出記憶體範圍時觸發。
·NameError，名稱異常，在局部或者全域空間中無法找到檔案名稱時觸發。
·OSError，當一個系統函數返回一個系統相關的錯誤時觸發。在Python3.3中，Environment-Error、IOError、WindowsError、VMSError、socket.error、select.error和mmap.error也整合進了OSError。
·ReferenceError，引用異常，當底層的物件被銷毀後訪問弱引用時觸發。
·RuntimeError，包含其他分類中沒有被包括進去的一般錯誤。
·SyntaxError，語法錯誤，在import時也可能觸發。
·SystemError，編譯器的內部錯誤。
·TypeError，類型異常，當操作或者函數應用到不合適的類型時觸發。
·ValueError，值異常，當操作或者函數的類型正確，但是值不正確時觸發。
·Warning，警告，Python中有一個warnings模組，用來通知程式師不支持的功能。
Python內的異常使用繼承結構創建，這種設計方式非常靈活。可以在例外處理常式中捕獲基類異常，也可以捕獲各種子類異常。Python使用try…except語句捕獲異常，異常類型定義在try子句的後面。
注意 如果在except子句後將異常類型設置為Exception，例外處理常式將捕獲除程式中斷外的所有異常。因為Exception類是其他異常類的基類。Python3中移除了StandardError，使用Exception代替。
9.1.2 try…except的使用
try…except語句用於處理問題語句，捕獲可能出現的異常。try子句中的代碼塊放置可能出現異常的語句，except子句中的代碼塊處理異常。當異常出現時，Python會自動生成1個異常物件。該物件包括異常的具體資訊，以及異常的種類和錯誤位置。例如，當以下代碼讀取1個不存在的檔時，解譯器將提示異常。
open("hello.txt",
"r")
異常資訊如下所示。
FileNotFoundError: [Errno 2] No such
file or directory: 'hello.txt'
當hello.txt不存在時，程式出現了例外，解譯器提示FileNotFoundError異常。為了使程式更友好，可以添加try…except語句捕獲FileNotFoundError異常。修改後的程式碼如下所示。
01
try:
02 open("hello.txt",
"r") # 嘗試讀取一個不存在的檔
03 print ("讀文件")
04
except FileNotFoundErrorr:
# 捕獲FileNotFoundError異常
05 print ("文件不存在")
06
except:
# 其他異常情況
07 print ("程式異常")
【代碼說明】
·第1行代碼使用try語句，open("hello.txt","r")是可能出現問題的語句。
·第2行代碼，由於檔hello.txt不存在，Python引發異常，程式直接跳轉到第4行代碼。
·第3行代碼，此行代碼將不會執行。
·第4行代碼，文件不存在，觸發了FileNotFoundError異常。
·第5行代碼輸出結果為“檔不存在”。
·第6行代碼，如果try語句中出現了其他異常，將跳轉到此處。由於引發了IOError異常，所以except下面的代碼塊也不會執行。
try…except語句後還可以添加1個else子句。當try子句中的代碼發生異常時，程式直接跳轉到except子句；反之，程式將執行else子句。例如，執行除法運算時，當除數為0，將拋出ZeroDivisionError異常。
01
try:
02 result = 10/0
03
except ZeroDivisionError:
# 捕獲除數為0的異常
04 print ("0不能被整除")
05
else:
# 若沒有觸發異常則執行以下代碼
06 print (result)
【代碼說明】
·第2行代碼執行運算式10/0。
·第3行代碼，捕獲除數為0的異常。
·第4行代碼，由於除數為0，輸出結果：“0不能被整除”。
·第5行代碼，else子句中的代碼塊將不會被執行。如果第2行代碼的運算式為10/2，則異常不會發生，else子句將被執行。
Python與Java處理異常的模式相似，異常處理語句也可以嵌套。
01
try:
02 s = "hello"
03 try: # 嵌套異常
04 print (s[0] + s[1])
05 print (s[0] - s[1])
06 except TypeError:
07 print ("字串不支援減法運算")
08
except:
09 print ("異常")
【代碼說明】
·第3行代碼嵌套了1個try子句。
·第5行代碼，字串s的元素執行減法運算。由於字串物件不支援減法運算，所以該語句將引發異常。
·第6行代碼，捕獲類型錯誤異常，輸出結果：“字串不支援減法運算”。
注意 如果外層try子句中的代碼塊引發異常，程式將直接跳轉到外層try對應的excpet子句，而內部的try子句的代碼塊將不會被執行。
try…except嵌套語句通常用於釋放已經創建的系統資源。
9.1.3 try…finally的使用
try…except語句後還可以添加1個finally子句，finally子句的作用與Java中的finally子句類似。無論異常是否發生，finally子句都會被執行。所有finally子句通常用於關閉因異常而不能釋放的系統資源。9.1.2一節中的第1段代碼捕獲了打開不存在檔的異常，但是並沒有顯示的關閉打開的檔資源。在這段代碼中添加finally子句，修改後的代碼如下所示。
01
# finally錯誤的用法
02
try:
03 f = open("hello.txt",
"r")
04 print ("讀文件")
05
except FileNotFoundError: # 捕獲FileNotFoundError異常
06 print ("文件不存在")
07
finally: # 其他異常情況
08 f.close()
【代碼說明】
·第3行代碼，在try子句中打開文件hello.txt，並返回引用f。變數f只在try語句內有效，屬於區域變數。
·第5行代碼捕獲到IOError異常，輸出結果：“文件不存在”。
·第8行代碼，在finally子句中關閉打開的資源。該語句中的變數f並不是try語句中的f，因此解譯器認為變數f沒有定義。Python提示如下異常：
NameError: name 'f' is not defined
因此需要把檔的打開操作置於try語句的外層，使變數f具有全域性，同時也要捕獲檔打開的異常。這種情況就可以使用異常嵌套的語句，每個try子句都必須有1個except子句或finally子句與之對應。修改後的代碼如下所示。
01
try:
02 f = open("hello.txt",
"r")
03 try:
04 print (f.read(5))
05 except:
06 print ("讀取檔錯誤")
07 finally: # finally子句一般用於釋放資源
08 print ("釋放資源")
09
f.close()
10
except FileNotFoundError:
11 print ("文件不存在")
【代碼說明】
·第2行代碼在外層的try子句中打開文件hello.txt。
·第4行代碼，讀取檔hello.txt，並放置在內層try子句中。
·第5行代碼，如果讀取檔出現例外，將輸出“讀取檔錯誤”。
·第7行代碼，釋放資源。由於變數f定義在外層的try子句中，因此內層的finally子句可以使用變數f。無論檔讀取的異常是否發生，f.close()語句都將被執行。
注意 由於Python動態語言的特殊性，如果要在某個代碼塊中使用同一級其他代碼塊中定義的變數，可以考慮嵌套的方式或全域變數來實現。
9.1.4 使用raise拋出異常
當程式中出現錯誤時，Python會自動引發異常，也可以通過raise語句顯示的引發異常。一旦執行了raise語句，raise語句後的代碼將不能被執行。下面這段代碼演示了raise語句的使用方法。
01
try:
02 s = None
03 if s is None:
04 print ("s是空對象")
05 raise NameError
06 print (len(s))
07
except TypeError:
08 print ("空物件沒有長度")
【代碼說明】
·第2行代碼創建了變數s，該變數的值為空。
·第3行代碼判斷變數s的值是否為空。如果為空，則拋出異常NameError。
·第6行代碼，由於引發了NameError異常，所以該行代碼以及後面的代碼將不會被執行。
如果去掉第5行代碼，程式執行到第6行代碼時將引發TypeError異常。None物件不能使用函數len()調用。Raise語句通常用於拋出自訂異常。因為自訂異常並不在Python的控制範圍內，不會被Python自動拋出，應使用raise語句手工拋出。
9.1.5 自訂異常
Python允許程式師自訂異常類型，用於描述Python異常體系中沒有涉及的異常情況。自訂異常必須繼承Exception類。自訂異常按照命名規範以Error結尾，顯式地告訴程式師該類是異常類。自訂異常使用raise語句引發，而且只能通過手工方式觸發。下面這段代碼演示了自訂異常的使用。
01
from __future__ import division
02
03
class DivisionException(Exception):
# 自訂異常
04 def __init__(self, x, y):
05 Exception.__init__(self, x, y)
06 self.x = x
07 self.y = y
08
09
if __name__ ==
"__main__":
10 try:
11 x = 3
12 y = 2
13 if x % y > 0:
14 print (x / y)
15
raise
DivisionException(x, y) # 拋出異常
16 except DivisionException, div:
17 print ("DivisionException: x
/ y = %.2f" % (div.x / div.y))
【代碼說明】
·第3行代碼定義了自訂異常DivisionException，該異常繼承自Exception。
·第4行代碼在構造函數__init__()中調用基類的__init__()初始化。
·第6、7行代碼定義兩個屬性，x表示被除數，y表示除數。
·第13行代碼判斷x除以y的餘數是否大於0。如果大於0，則表示x不能整除y，將手工拋出自訂異常DivisionException。
·第15行代碼，由於引發了DivisionException異常，所以except子句也將被執行。
·第16行代碼，div表示DivisionException類的實例物件。
·第17行代碼調用div的屬性x除以屬性y。輸出結果：
DivisionException: x / y = 1.50
如果注釋了第15行代碼，DivisionException異常將不會被觸發。
9.1.6 assert語句的使用
assert語句用於檢測某個條件運算式是否為真。assert語句又稱為斷言語句，即assert認為檢測的運算式永遠為真。if語句中的條件判斷都可以使用assert語句檢測。例如，檢測某個元組中元素的個數是否大於1。如果assert語句斷言失敗，會引發AssertionError異常。
01
t = ("hello",)
02
assert len(t) >= 1
03
t = ("hello")
04
assert len(t) == 1
【代碼說明】
·第1行代碼定義了包含元素“hello”的元組t。
·第2行代碼檢測元組t的元素個數是否大於或等於1。該行代碼斷言成功。
·第3行代碼定義了1個序列t。由於圓括號中唯一的元素後沒有逗號，Python把該序列作為字串處理。
·第4行代碼檢測序列t的元素個數是否等於1。該行代碼斷言失敗，序列t的長度應為5。assert引發的異常資訊如下所示。
Traceback (most recent call last):
File "assert.py", line 8, in <module>
assert len(t) == 1
AssertionError
assert語句還可以傳遞提示資訊給AssertionError異常。當assert語句斷言失敗時，提示資訊將列印到控制台。下面這段代碼檢測月份的輸入範圍。
01
# 帶message的assert語句
02
month = 13
03
assert 1 <= month <= 12, "month errors"
【代碼說明】
·第2行代碼定義變數month，並賦值為13。
·第3行代碼，當assert語句斷言失敗，則傳遞字串“month
errors”給AssertionError異常。assert引發的異常資訊如下所示。
Traceback (most recent call last):
File "assert.py", line 12, in <module>
assert 1 <= month <= 12, "month errors"
AssertionError: month errors
注意 Python支持形如“m<=x<=n”的運算式，等價於運算式“x>=m
and x<=n”。新的表達方式更符合習慣用法。
9.1.7 異常資訊
當程式出現錯誤時，Python都會輸出相關的異常資訊，並指出錯誤的行號和錯誤的程式碼。例如，執行除數為0的除法運算，將拋出ZeroDivisionError異常。
01
def fun():
# 除法運算
02 a = 10
03 b = 0
04 return a / b
05
06
def format():
# 格式化輸出
07 print ("a / b = " +
str(fun()))
08
09
if __name__ == "__main__":
10
format()
上述代碼先在主程序中調用format()，然後在format()中調用fun()。這段代碼將輸出如下所示的異常資訊。
Traceback (most recent call last):
File "traceback.py", line 13, in <module>
format()
File "traceback.py", line 10, in format
print "a / b = " + str(fun())
File "traceback.py", line 7, in fun
return a / b
ZeroDivisionError: integer division or
modulo by zero
程式執行時，Python將產生traceback物件，記錄異常資訊和當前程式的狀態。traceback物件先記錄主程序的狀態，然後記錄format()中的狀態，最後記錄fun()中的狀態。當fun()出現異常時，traceback物件將輸出記錄的資訊。因此，異常資訊應從下往上閱讀，最後1次出現的行號通常就是錯誤的發生處。從上述輸出資訊可以發現第7行代碼出現了異常。圖9-1說明了程式的執行順序和異常的輸出順序。
由於程式中沒有使用try…except捕獲異常，程式將中斷執行。可參考9.1.2節捕獲ZeroDivisionError異常。異常捕獲後，程式不會輸出任何資訊。為了便於程式師偵錯工具，需要輸出相關的異常資訊。在Python中可以直接輸出異常實例的內容。
01
import sys
02
03
try:
04 x = 10 / 0
05
except Exception as ex:
06 print (ex)
07 print (sys.exc_info())
【代碼說明】
·第4行代碼將出現異常，程式跳轉到第6行代碼。
·第6行代碼直接輸出Exception類的實例ex。輸出結果為division
by zero。
·第7行代碼調用sys模組的exc_info()輸出異常的類型、traceback物件等資訊。輸出結果：
division by zero
(<class 'ZeroDivisionError'>, ZeroDivisionError('division by zero',), <traceback object at 0x102ba2e60>)
9.2 使用自帶IDLE偵錯工具
IDLE是Python自帶的一個簡易的IDE，具有程式調試的功能，並且提供交互環境和指令檔調試兩種模式。打開IDLE後默認是一個交互環境，可以直接編寫Python代碼並且能即時查看輸出，如圖9-2所示。按一下【Debug】|【Debugger】會彈出Debug Control調試介面，如圖9-3所示。介面上有5個按鈕，分別為Go（運行）、Step（單步調試）、Over（跳過）、Out（跳出）和Quit（退出）。4個可選項，用於顯示調試時的Stack（堆疊）、Source（源碼）、Locals（區域變數）和Globals（全域變數）。
在按一下Debug打開時，交互介面會顯示DEBUG
ON，表示此時在調試狀態下，當關閉Debugger時，交互介面會顯示DEBUG
OFF表示此時已經關閉調試狀態。
下面以9.1.7節的除法程式為例，分別從交互環境和腳本兩種情況介紹IDLE的調試功能。
首先打開IDLE，然後在交互環境中輸入以下代碼：
01 def fun():
02
a = 10
03
b = 0
04
return a / b
05
def format():
06
print (“a / b = “ + str(fun()))
輸入完成後，打開Debugger，並作相應的設置，主要是勾選想要查看的內容。這裡將4個選項全部勾選。在交互環境Python Shell中運行想要執行的代碼，此時會發現Debug Control中有了相應的變化，第一塊源碼區顯示的是當前執行到的源碼，區域變數Locals此時還沒有資料，顯示None，全域變數Globals顯示當前載入進的所有全域變數。此時便可以根據需要來進行程式調試了。按一下Go會執行完整個程式並輸出最後的結果。按一下Step可以一步步地執行代碼，並在Debug Control中查看各步驟的執行過程，包括當前執行的內部源碼、各個變數的當前值等。Over和Out在調試迴圈時很有用，分別用於進入和跳出迴圈，此處不作介紹。當調試完成時可以在交互環境中看到最終的結果。
注意 如果不按一下Quit退出，該程式一直在執行中。
而通常我們需要調試的是Python指令檔，IDLE同樣支持，並且支持設置中斷點等。按一下【File】|【New
File】或者按快速鍵Ctrl+N打開新檔，在新檔中編寫代碼，然後保存。此處保存為traceback.py，如圖9-4所示。
在檔中想要設置中斷點的地方右擊，然後選擇【Set
Breakpoint】便可以再次設置中斷點，該行將會變為黃色背景。設置好中斷點之後，回到交互環境，首先使用import語句將該檔導入，該檔被視為一個Python模組，注意不需要帶上尾碼名。
import traceback
同樣的，打開Debugger，此時指令檔中的所有內容都被引入了。之後的操作與前面所述相同。
PythonWin偵錯工具的操作與常用開發工具的使用習慣不同。在Dug命令列中才能查看程式中變數的值，使用起來不夠方便。Eclipse作為“萬能”開發工具支援多種語言，包括C、Java、PHP、Python等。可喜的是在Eclipse開發環境中可以調試Python程式。下麵將以前面講解的traceback.py程式為例，說明Eclipse中程式的調試功能。
9.3.1 新建工程
Eclipse安裝後第一次運行將提示工作空間的路徑設置，工作空間就是存放Eclipse新建工程的目錄，如圖9-5所示。筆者在Easy Eclipse for Python的根目錄下創建了一個目錄Workspace，該目錄即為Eclipse的工程目錄。
在偵錯工具之前需要新建一個工程。按一下【File】|【New】|【Project】功能表選項，彈出【New
Project】對話方塊，選中Pydev項目中的Pydev Project，如圖9-6所示。
然後按一下【Next】按鈕，顯示如圖9-7所示的對話方塊。在該對話方塊中可以設置工程屬性，包括工程名、存儲位置、使用的Python標準庫等資訊。在【Project name】文字方塊中輸入工程名稱Debug。Project contents選項用於設置工程的存儲路徑。勾選Use default核取方塊後，按一下【Browse】按鈕可以更改工程的存儲位置。在Project
type選項中選擇python2.5，讀者可根據機器中安裝的Python庫的版本選擇。選中最後的核取方塊表示Debug工程創建後會生成一個src目錄，該目錄即為Python的原始程式碼目錄。
最後按一下【Finish】按鈕，完成Debug工程的創建。在src目錄下新建Pydev
Module，檔命名為trace.py。trace.py中的代碼為9.2節的偵錯工具。
9.3.2 配置調試
在偵錯工具之前，需要設置Python解譯器的路徑，並導入Python環境變數下包含的庫檔。打開【Window】|【Preferences】菜單，彈出如圖9-8所示的【Preferences】對話方塊。【Preferences】對話方塊可以對Eclipse的開發環境和各種外掛程式進行設置，其中節點Pydev就是Python外掛程式的設置項。
展開節點Pydev後選中Interpreter
Python子節點。然後按一下【New…】按鈕，加入python25.exe、pythonw25.exe所在的路徑。最後按一下【Apply】按鈕，Eclipse將自動載入Python環境變數下包含的庫檔。
下麵設置文件trace.py的調試參數，按一下【Run】|【Debug…】命令，彈出如圖9-9所示的【Debug】對話方塊。
選中其中的Python
Run選項，該選項用於調試Python程式。按一下左上角的“新建”圖示，將會在Python
Run下生成一個新的配置項，如圖9-10所示。Name表示調試項的名稱，讀者可以根據需要自訂，這裡填寫為trace。【Main】標籤頁下的Project表示需要調試的工程，這裡填寫前面創建的工程trace。Main Medule選項表示需要調試的Python檔。按一下【Apply】按鈕後，將自動帶出環境變數PYTHONPATH中的路徑。
切換到【Arguments】標籤頁，在Interpreter選項中選擇python25.exe的路徑作為解譯器，pythonw25.exe用於解釋GUI程式，如圖9-11所示。
最後按一下【Debug】按鈕就可以把trace.py切換到調試模式下。程式中沒有設置任何中斷點，此時的調試並不能查看程式運行的狀態，下面將在程式中添加中斷點。
9.3.3 設置中斷點
在文件trace.py的第10行代碼處設置中斷點，然後按一下Eclipse工具列中的Debug按鈕啟動偵錯工具。trace.py的調試模式設置成功後，將在Debug按鈕的下拉式功能表中出現trace子功能表，如圖9-12所示。按一下trace子功能表也可以啟動偵錯工具。
當程式運行到中斷點處時，Eclipse將自動切換到Debug視窗下。【Breakpoints】標籤頁顯示了當前程式中的中斷點資訊，如圖9-13所示。
其中【Debug】標籤頁顯示trace.py的主執行緒。【Outline】標籤頁顯示當前程式中定義的函數，trace.py中定義了fun()和format()這兩個函數。【Console】標籤頁用於顯示控制台的輸出，例如print語句的輸出和異常的顯示。按F5鍵進行單步調試，函數format()將調用函數fun()。切換到【Variables】標籤頁可以查看程式中變數的值。當程式單步運行到第7行時，可以查看到變數a、b此刻的值，如圖9-14所示。
按F8鍵程式將從函數fun()返回函數format()的print語句，此時【Console】標籤頁並沒有任何異常輸出。繼續按F5鍵進行單步調試，【Console】標籤頁將輸出如圖9-15所示的異常。
按一下【Console】標籤頁最後一處的連結，Eclipse將直接定位到異常發生的源點。把變數b的值改為非零值即可修正異常。
9.4 小結
本章介紹了Python中異常的處理，重點講解了Python3.3異常的組織結構以及try…except、try…finally、raise、assert語句的使用。Python中的traceback物件可以記錄異常資訊和當前程式的狀態。當異常發生時，traceback物件將輸出異常資訊。異常資訊應從下往上閱讀，可以快速地定位出錯的行號。最後講解了程式調試的一般步驟以及中斷點設置、單步、跳出等調試方法。結合ZeroDivisionError異常講解了自帶IDLE、Eclipse等IDE工具的調試功能。當程式出現問題後，調試是解決問題的常用手段。熟練使用IDE工具進行調試可以提高程式開發的效率。
9.5 習題
1.選擇自己喜歡的工具，練習調試方法。
2.把前面學習過的例子，都用本章學習的方法增加異常處理。
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