Java异常处理与断言：提升程序可靠性的关键技术

# Java 异常处理与断言：提升程序可靠性的关键技术 ## 1. Java 断言概述 Java 断言是一种用于检测程序中逻辑错误的语言特性。虽然在简单的类中使用断言可能看起来帮助不大，但当程序逻辑变得复杂且类的数量增加时，断言的真正优势就会显现出来。 ### 1.1 断言示例：银行账户类 以下是一个包含逻辑错误的银行账户类示例： ```java class BankAccount { private double balance; public BankAccount(double initialBalance) { balance = initialBalance; } public void deposit(double amount) { double oldBalance = balance; balance -= amount; assert balance > oldBalance; } public void withdraw(double amount) { double oldBalance = balance; balance -= amount; assert balance < oldBalance; } public double getBalance() { return balance; } } ``` 在这个类中，`deposit` 和 `withdraw` 方法使用了 `assert` 语句。`assert` 语句的语法为： ```java assert <boolean expression>; ``` 当执行该语句时，`<boolean expression>` 会被求值。如果结果为 `true`，程序将继续正常执行；否则，将抛出一个 `AssertionError`（`Error` 的子类）。 ### 1.2 运行包含断言的程序 要运行包含断言功能的程序，需要在运行时指定 `-ea` 选项，例如： ```bash java -ea Ch8TestAssertMain ``` 如果不提供 `-ea` 选项，程序将在不检查断言的情况下执行。在开发和测试程序时，可以启用断言；而在程序完全开发和测试完成后，可以禁用断言，因为检查所有断言可能会带来一定的性能开销。 ### 1.3 自定义错误消息 可以使用 `assert` 语句的第二种形式来提供自定义错误消息，语法如下： ```java assert <boolean expression> : <expression>; ``` `<expression>` 的值将作为参数传递给 `AssertionError` 类的构造函数，作为抛出错误的详细消息。例如，修改 `deposit` 方法如下： ```java public void deposit(double amount) { double oldBalance = balance; balance -= amount; assert balance > oldBalance : "Serious Error -- balance becomes less after deposit"; } ``` 这样，当断言失败时，将显示自定义的错误消息。 ### 1.4 断言类型 - **后置条件断言**：检查方法执行后必须为真的条件，如上述 `deposit` 和 `withdraw` 方法中的断言。 - **前置条件断言**：检查方法执行前必须为真的条件。 - **控制流不变式**：确保程序在正常运行时控制流始终遵循特定的规则。例如，在以下 `switch` 语句中： ```java switch (residenceType) { case COMMUTER: totalFee = tuition + parkingFee; break; case DORM_RESIDENT: totalFee = tuition + roomAndBoard; break; default: assert false: "Value of residenceType is invalid. Value = " + residenceType; } ``` 这个 `switch` 语句假设每个学生要么是通勤生，要么是宿舍居民。如果 `residenceType` 的值不是 `COMMUTER` 或 `DORM_RESIDENT`，则会抛出断言错误。 ### 1.5 断言与异常的区别 断言和异常机制都旨在提高程序的可靠性，但它们的使用场景不同。断言主要用于检测内部编程错误，而异常用于通知客户端程序员类的使用不当。 例如，以下代码错误地使用了断言来确保参数的有效性： ```java public void withdraw(double amount) { assert amount > 0; double oldBalance = balance; balance -= amount; assert balance < oldBalance; } ``` 正确的做法是使用异常来处理参数的有效性检查： ```java public void withdraw(double amount) throws IllegalArgumentException { if (amount <= 0) { throw new IllegalArgumentException("Amount must be positive"); } double oldBalance = balance; balance -= amount; assert balance < oldBalance; } ``` ## 2. 示例开发：无钥匙进入系统 ### 2.1 问题描述 开发一个模拟宿舍安全无钥匙进入系统的程序。在宿舍入口大厅，居民需要输入姓名、房间号和密码。输入有效数据后，系统将解锁通往宿舍生活区的内门。 ### 2.2 整体计划 为了提供一个完整的系统，需要编写两个独立的程序：一个是用于添加、删除和更新居民信息的管理模块，另一个是与居民交互的用户模块。这里主要实现用户模块。 ### 2.3 涉及的类 - **Resident 类**：维护单个宿舍居民的信息。该类必须实现 `Serializable` 接口，因为居民对象需要保存到文件中。 ```java import java.io.*; class Resident implements Serializable { private String name; private String room; private String password; public Resident() { this("unassigned", "000", "@13&"); } public Resident(String name, String room, String pwd) throws IllegalArgumentException { setName(name); setRoom(room); setPassword(pwd); } public String getName() { return name; } public String getPassword() { return password; } public String getRoom() { return room; } public void setName(String name) { this.name = name; } public void setPassword(String pwd) { int length = pwd.length(); if (length < 4 || length > 8) { throw new IllegalArgumentException(); } else { this.password = pwd; } } public void setRoom(String room) { this.room = room; } } ``` - **Dorm 类**：管理居民对象列表，支持添加、删除、检索居民信息，以及将列表保存到文件或从文件中读取列表。 ```java import java.io.FileNotFoundException; import java.io.IOException; class Dorm { public Dorm() { } public Dorm(String filename) throws FileNotFoundException, IOException { } public void openFile(String filename) throws FileNotFoundException, IOException { } public void saveFile(String filename) throws IOException { } public void add(Resident resident) throws IllegalArgumentException { } public void delete(String name) { } public Resident getResident(String name) { return null; } public String getResidentList() { return ""; } } ``` - **Door 类**：模拟门的打开操作。 ```java import javax.swing.JOptionPane; class Door { public Door() { } public void open() { JOptionPane.showMessageDialog(null, "Door is opened."); } } ``` ### 2.4 用户模块开发步骤 #### 2.4.1 步骤 1：定义 Resident 类并探索 Dorm 类 首先，需要根据规范实现 `Resident` 类。然后，使用一个骨架程序来测试 `Dorm` 类的操作。 ```java import javax.swing.*; import java.io.*; import java.util.Scanner; class Ch8EntranceMonitor { private Dorm ```