Java基础-异常

hulingF

2023-08-14

Java

Java基础-异常

1.Java中的异常

异常处理方式

程序处理过程中会遇到各种各样的意外，例如打开的文件不存在、用户输入的数据格式不正确等，因此我们必须想办法保证程序的健壮性，你想到的 Java 都想到了，不然怎么说 Java 是一门健壮性强的编程语言呢。

调用方如何获知调用失败的信息？有两种方法：

==方法一：约定返回错误码。==

例如，处理一个文件，如果返回0，表示成功，返回其他整数，表示约定的错误码：

int code = processFile("C:\\test.txt");
if (code == 0) {
    // ok:
} else {
    // error:
    switch (code) {
    case 1:
        // file not found:
    case 2:
        // no read permission:
    default:
        // unknown error:
    }
}

因为使用int类型的错误码，想要处理就非常麻烦。这种方式常见于底层 C 函数。

==方法二：在语言层面上提供一个异常处理机制。==

Java内置了一套异常处理机制，总是使用异常来表示错误。

异常是一种class，因此它本身带有类型信息。异常可以在任何地方抛出，但只需要在上层捕获，这样就和方法调用分离了：

try {
    String s = processFile(“C:\\test.txt”);
    // ok:
} catch (FileNotFoundException e) {
    // file not found:
} catch (SecurityException e) {
    // no read permission:
} catch (IOException e) {
    // io error:
} catch (Exception e) {
    // other error:
}

Java的异常类

因为Java的异常是class，它的继承关系如下：

                     ┌───────────┐
                     │  Object   │
                     └───────────┘
                           ▲
                           │
                     ┌───────────┐
                     │ Throwable │
                     └───────────┘
                           ▲
                 ┌─────────┴─────────┐
                 │                   │
           ┌───────────┐       ┌───────────┐
           │   Error   │       │ Exception │
           └───────────┘       └───────────┘
                 ▲                   ▲
         ┌───────┘              ┌────┴──────────┐
         │                      │               │
┌─────────────────┐    ┌─────────────────┐┌───────────┐
│OutOfMemoryError │... │RuntimeException ││IOException│...
└─────────────────┘    └─────────────────┘└───────────┘
                                ▲
                    ┌───────────┴─────────────┐
                    │                         │
         ┌─────────────────────┐ ┌─────────────────────────┐
         │NullPointerException │ │IllegalArgumentException │...
         └─────────────────────┘ └─────────────────────────┘

从继承关系可知：Throwable是异常体系的根，它继承自Object。Throwable有两个体系：Error和Exception，Error表示严重的错误，程序对此一般无能为力，例如：

OutOfMemoryError：内存耗尽
NoClassDefFoundError：无法加载某个Class
StackOverflowError：栈溢出

而Exception则是运行时的错误，它可以被捕获并处理。

某些异常是应用程序逻辑处理的一部分，应该捕获并处理。例如：

NumberFormatException：数值类型的格式错误
FileNotFoundException：未找到文件
SocketException：读取网络失败

还有一些异常是程序逻辑编写不对造成的，应该修复程序本身。例如：

NullPointerException：对某个null的对象调用方法或字段
IndexOutOfBoundsException：数组索引越界

Exception又分为两大类：

RuntimeException以及它的子类；
非RuntimeException（包括IOException、ReflectiveOperationException等等）

Java规定：

必须捕获的异常，包括Exception及其子类，但不包括RuntimeException及其子类，这种类型的异常称为Checked Exception。
不需要捕获的异常，包括Error及其子类，RuntimeException及其子类。

注意：编译器对RuntimeException及其子类不做强制捕获要求，不是指应用程序本身不应该捕获并处理RuntimeException。是否需要捕获，具体问题具体分析。

如何捕获异常

捕获异常使用try...catch语句，把可能发生异常的代码放到try {...}中，然后使用catch捕获对应的Exception及其子类：

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;

public class ExceptionTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] bs = toGBK("中文");
        System.out.println(Arrays.toString(bs));
    }

    static byte[] toGBK(String s) {
        try {
            // 用指定编码转换String为byte[]:
            return s.getBytes("GBK");
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            // 如果系统不支持GBK编码，会捕获到UnsupportedEncodingException:
            System.out.println(e); // 打印异常信息
            return s.getBytes(); // 尝试使用用默认编码
        }
    }
}

如果我们不捕获UnsupportedEncodingException，会出现编译失败的问题。

编译器会报错，错误信息类似：unreported exception UnsupportedEncodingException; must be caught or declared to be thrown，并且准确地指出需要捕获的语句是return s.getBytes("GBK");。意思是说，像UnsupportedEncodingException这样的Checked Exception，必须被捕获。

这是因为String.getBytes(String)方法定义是：

1
2
3

public byte[] getBytes(String charsetName) throws UnsupportedEncodingException {
    ...
}

在方法定义的时候，使用throws Xxx表示该方法可能抛出的异常类型。调用方在调用的时候，必须强制捕获这些异常，否则编译器会报错。

在toGBK()方法中，因为调用了String.getBytes(String)方法，就必须捕获UnsupportedEncodingException。我们也可以不捕获它，而是在方法定义处用throws表示toGBK()方法可能会抛出UnsupportedEncodingException，就可以让toGBK()方法通过编译器检查：

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] bs = toGBK("中文");
        System.out.println(Arrays.toString(bs));
    }

    static byte[] toGBK(String s) throws UnsupportedEncodingException {
        return s.getBytes("GBK");
    }
}

上述代码仍然会得到编译错误，但这一次，编译器提示的不是调用return s.getBytes("GBK");的问题，而是byte[] bs = toGBK("中文");。因为在main()方法中，调用toGBK()，没有捕获它声明的可能抛出的UnsupportedEncodingException。

修复方法是在main()方法中捕获异常并处理：

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            byte[] bs = toGBK("中文");
            System.out.println(Arrays.toString(bs));
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            System.out.println(e);
        }
    }

    static byte[] toGBK(String s) throws UnsupportedEncodingException {
        // 用指定编码转换String为byte[]:
        return s.getBytes("GBK");
    }
}

可见，只要是方法声明的Checked Exception，不在调用层捕获，也必须在更高的调用层捕获。所有未捕获的异常，最终也必须在main()方法中捕获，不会出现漏写try的情况。这是由编译器保证的。main()方法也是最后捕获Exception的机会。

如果是测试代码，上面的写法就略显麻烦。如果不想写任何try代码，可以直接把main()方法定义为throws Exception：

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] bs = toGBK("中文");
        System.out.println(Arrays.toString(bs));
    }

    static byte[] toGBK(String s) throws UnsupportedEncodingException {
        // 用指定编码转换String为byte[]:
        return s.getBytes("GBK");
    }
}

因为main()方法声明了可能抛出Exception，也就声明了可能抛出所有的Exception，因此在内部就无需捕获了。代价就是一旦发生异常，程序会立刻退出。

2.捕获异常

在Java中，凡是可能抛出异常的语句，都可以用try ... catch捕获。把可能发生异常的语句放在try { ... }中，然后使用catch捕获对应的Exception及其子类。

多catch语句

可以使用多个catch语句，每个catch分别捕获对应的Exception及其子类。JVM 在捕获到异常后，会从上到下匹配catch语句，匹配到某个catch后，执行catch代码块，然后不再继续匹配。

简单地说就是：多个catch语句只有一个能被执行。例如：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (IOException e) {
        System.out.println(e);
    } catch (NumberFormatException e) {
        System.out.println(e);
    }
}

存在多个catch的时候，catch的顺序非常重要：子类必须写在前面。例如：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (IOException e) {
        System.out.println("IO error");
    } catch (UnsupportedEncodingException e) { // 永远捕获不到
        System.out.println("Bad encoding");
    }
}

对于上面的代码，UnsupportedEncodingException异常是永远捕获不到的，因为它是IOException的子类。当抛出UnsupportedEncodingException异常时，会被catch (IOException e) { ... }捕获并执行。

因此，正确的写法是把子类放到前面：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (UnsupportedEncodingException e) {
        System.out.println("Bad encoding");
    } catch (IOException e) {
        System.out.println("IO error");
    }
}

finally语句

无论是否有异常发生，如果我们都希望执行一些语句，例如清理工作，怎么写？

可以把执行语句写若干遍：正常执行的放到try中，每个catch再写一遍。例如：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
        System.out.println("END");
    } catch (UnsupportedEncodingException e) {
        System.out.println("Bad encoding");
        System.out.println("END");
    } catch (IOException e) {
        System.out.println("IO error");
        System.out.println("END");
    }
}

上述代码无论是否发生异常，都会执行System.out.println("END");这条语句。

那么如何消除这些重复的代码？Java的try ... catch机制还提供了finally语句，finally语句块保证有无错误都会执行。上述代码可以改写如下：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (UnsupportedEncodingException e) {
        System.out.println("Bad encoding");
    } catch (IOException e) {
        System.out.println("IO error");
    } finally {
        System.out.println("END");
    }
}

注意finally有几个特点：

finally语句不是必须的，可写可不写；
finally总是最后执行。

如果没有发生异常，就正常执行try { ... }语句块，然后执行finally。如果发生了异常，就中断执行try { ... }语句块，然后跳转执行匹配的catch语句块，最后执行finally。

可见，finally是用来保证一些代码必须执行的。

某些情况下，可以没有catch，只使用try ... finally结构。例如：

void process(String file) throws IOException {
    try {
        ...
    } finally {
        System.out.println("END");
    }
}

因为方法声明了可能抛出的异常，所以可以不写catch。

捕获多种异常

如果某些异常的处理逻辑相同，但是异常本身不存在继承关系，那么就得编写多条catch子句：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (IOException e) {
        System.out.println("Bad input");
    } catch (NumberFormatException e) {
        System.out.println("Bad input");
    } catch (Exception e) {
        System.out.println("Unknown error");
    }
}

因为处理IOException和NumberFormatException的代码是相同的，所以我们可以把它两用|合并到一起：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (IOException | NumberFormatException e) { // IOException或NumberFormatException
        System.out.println("Bad input");
    } catch (Exception e) {
        System.out.println("Unknown error");
    }
}

3.抛出异常

异常的传播

当某个方法抛出了异常时，如果当前方法没有捕获异常，异常就会被抛到上层调用方法，直到遇到某个try ... catch被捕获为止：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            process1();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static void process1() {
        process2();
    }

    static void process2() {
        // 会抛出NumberFormatException
        // 但是该异常属于RuntimeException的子类，编程规范不强制要求捕获，因此可以既不进行try...catch捕获，也		           不使用throws抛出异常
        Integer.parseInt(null);
    }
}

printStackTrace()对于调试错误非常有用，上述信息表示：NumberFormatException是在java.lang.Integer.parseInt方法中被抛出的，从下往上看，调用层次依次是：

main()调用process1()；
process1()调用process2()；
process2()调用Integer.parseInt(String)；
Integer.parseInt(String)调用Integer.parseInt(String, int)。

查看Integer.java源码可知，抛出异常的方法代码如下：

public static int parseInt(String s, int radix) throws NumberFormatException {
    if (s == null) {
        throw new NumberFormatException("null");
    }
    ...
}

在IDEA中直接点击行号链接便可以跳转到异常发生位置。

抛出异常

当发生错误时，例如，用户输入了非法的字符，我们就可以抛出异常。

如何抛出异常？参考Integer.parseInt()方法，抛出异常分两步：

创建某个Exception的实例；
用throw语句抛出。

void process2(String s) {
    if (s==null) {
        NullPointerException e = new NullPointerException();
        throw e;
    }
}

实际上，绝大部分抛出异常的代码都会合并写成一行：

void process2(String s) {
    if (s==null) {
        throw new NullPointerException();
    }
}

如果一个方法捕获了某个异常后，又在catch子句中抛出新的异常，就相当于把抛出的异常类型“转换”了：

void process1(String s) {
    try {
        process2();
    } catch (NullPointerException e) {
        throw new IllegalArgumentException();
    }
}

void process2(String s) {
    if (s==null) {
        throw new NullPointerException();
    }
}

当process2()抛出NullPointerException后，被process1()捕获，然后抛出IllegalArgumentException()。

如果在main()中捕获IllegalArgumentException，我们看看打印的异常栈：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            process1();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static void process1() {
        try {
            process2();
        } catch (NullPointerException e) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
    }

    static void process2() {
        throw new NullPointerException();
    }
}

这说明新的异常丢失了原始异常信息，我们已经看不到原始异常NullPointerException的信息了。

为了能追踪到完整的异常栈，在构造异常的时候，把原始的Exception实例传进去，新的Exception就可以持有原始Exception信息。对上述代码改进如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            process1();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static void process1() {
        try {
            process2();
        } catch (NullPointerException e) {
            throw new IllegalArgumentException(e);
        }
    }

    static void process2() {
        throw new NullPointerException();
    }
}

注意到Caused by: Xxx，说明捕获的IllegalArgumentException并不是造成问题的根源，根源在于NullPointerException，是在Main.process2()方法抛出的。

在代码中获取原始异常可以使用Throwable.getCause()方法。如果返回null，说明已经是“根异常”了。有了完整的异常栈的信息，我们才能快速定位并修复代码的问题。

捕获到异常并再次抛出时，一定要留住原始异常，否则很难定位第一案发现场！

如果我们在try或者catch语句块中抛出异常，finally语句是否会执行？例如：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Integer.parseInt("abc");
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("catched");
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            System.out.println("finally");
        }
    }
}

第一行打印了catched，说明进入了catch语句块。第二行打印了finally，说明执行了finally语句块。

因此，在catch中抛出异常，不会影响finally的执行。JVM会先执行finally，然后抛出异常。

异常屏蔽

如果在执行finally语句时抛出异常，那么，catch语句的异常还能否继续抛出？例如：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Integer.parseInt("abc");
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("catched");
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            System.out.println("finally");
            throw new IllegalArgumentException();
        }
    }
}

这说明finally抛出异常后，原来在catch中准备抛出的异常就“消失”了，因为只能抛出一个异常。没有被抛出的异常称为“被屏蔽”的异常（Suppressed Exception）。

在极少数的情况下，我们需要获知所有的异常。如何保存所有的异常信息？方法是先用origin变量保存原始异常，然后调用Throwable.addSuppressed()，把原始异常添加进来，最后在finally抛出：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Exception origin = null;
        try {
            System.out.println(Integer.parseInt("abc"));
        } catch (Exception e) {
            origin = e;
            throw e;
        } finally {
            Exception e = new IllegalArgumentException();
            if (origin != null) {
                e.addSuppressed(origin);
            }
            throw e;
        }
    }
}

当catch和finally都抛出了异常时，虽然catch的异常被屏蔽了，但是，finally抛出的异常仍然包含了它：

通过Throwable.getSuppressed()可以获取所有的Suppressed Exception。绝大多数情况下，在finally中不要抛出异常。因此，我们通常不需要关心Suppressed Exception。

4.自定义异常

Java标准库定义的常用异常包括：

Exception
│
├─ RuntimeException
│  │
│  ├─ NullPointerException
│  │
│  ├─ IndexOutOfBoundsException
│  │
│  ├─ SecurityException
│  │
│  └─ IllegalArgumentException
│     │
│     └─ NumberFormatException
│
├─ IOException
│  │
│  ├─ UnsupportedCharsetException
│  │
│  ├─ FileNotFoundException
│  │
│  └─ SocketException
│
├─ ParseException
│
├─ GeneralSecurityException
│
├─ SQLException
│
└─ TimeoutException

当我们在代码中需要抛出异常时，尽量使用JDK已定义的异常类型。例如，参数检查不合法，应该抛出IllegalArgumentException：

static void process1(int age) {
    if (age <= 0) {
        throw new IllegalArgumentException();
    }
}

在一个大型项目中，可以自定义新的异常类型，但是，保持一个合理的异常继承体系是非常重要的。

一个常见的做法是自定义一个BaseException作为“根异常”，然后，派生出各种业务类型的异常。

BaseException需要从一个适合的Exception派生，通常建议从RuntimeException派生：

1 2	public class BaseException extends RuntimeException { }

其他业务类型的异常就可以从BaseException派生：

public class UserNotFoundException extends BaseException {
}

public class LoginFailedException extends BaseException {
}

...

自定义的BaseException应该提供多个构造方法：

public class BaseException extends RuntimeException {
    public BaseException() {
        super();
    }

    public BaseException(String message, Throwable cause) {
        super(message, cause);
    }

    public BaseException(String message) {
        super(message);
    }

    public BaseException(Throwable cause) {
        super(cause);
    }
}

上述构造方法实际上都是原样照抄RuntimeException。这样，抛出异常的时候，就可以选择合适的构造方法。通过IDE可以根据父类快速生成子类的构造方法。

5.NullPointerException

在所有的RuntimeException异常中，Java程序员最熟悉的恐怕就是NullPointerException了。

NullPointerException即空指针异常，俗称NPE。如果一个对象为null，调用其方法或访问其字段就会产生NullPointerException，这个异常通常是由JVM抛出的，例如：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String s = null;
        System.out.println(s.toLowerCase());
    }
}

指针这个概念实际上源自C语言，Java语言中并无指针。我们定义的变量实际上是引用，Null Pointer更确切地说是Null Reference，不过两者区别不大。

处理NullPointerException

如果遇到NullPointerException，我们应该如何处理？首先，必须明确，NullPointerException是一种代码逻辑错误，遇到NullPointerException，遵循原则是早暴露，早修复，严禁使用catch来隐藏这种编码错误：

// 错误示例: 捕获NullPointerException
try {
    transferMoney(from, to, amount);
} catch (NullPointerException e) {
}

好的编码习惯可以极大地降低NullPointerException的产生，例如：

成员变量在定义时初始化：

1
2
3

public class Person {
    private String name = "";
}

使用空字符串""而不是默认的null可避免很多NullPointerException，编写业务逻辑时，用空字符串""表示未填写比null安全得多。

返回空字符串""、空数组而不是null：

public String[] readLinesFromFile(String file) {
    if (getFileSize(file) == 0) {
        // 返回空数组而不是null:
        return new String[0];
    }
    ...
}

这样可以使得调用方无需检查结果是否为null。

如果调用方一定要根据null判断，比如返回null表示文件不存在，那么考虑返回Optional<T>：

public Optional<String> readFromFile(String file) {
    if (!fileExist(file)) {
        return Optional.empty();
    }
    ...
}

这样调用方必须通过Optional.isPresent()判断是否有结果。

定位NullPointerException

如果产生了NullPointerException，例如，调用a.b.c.x()时产生了NullPointerException，原因可能是：

a是null；
a.b是null；
a.b.c是null；

确定到底是哪个对象是null以前只能打印这样的日志：

1
2
3

System.out.println(a);
System.out.println(a.b);
System.out.println(a.b.c);

从Java 14开始，如果产生了NullPointerException，JVM可以给出详细的信息告诉我们null对象到底是谁。我们来看例子：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person p = new Person();
        System.out.println(p.address.city.toLowerCase());
    }
}

class Person {
    String[] name = new String[2];
    Address address = new Address();
}

class Address {
    String city;
    String street;
    String zipcode;
}

可以在NullPointerException的详细信息中看到类似... because "<local1>.address.city" is null，意思是city字段为null，这样我们就能快速定位问题所在。

这种增强的NullPointerException详细信息是Java 14新增的功能，但默认是关闭的，我们可以给JVM添加一个-XX:+ShowCodeDetailsInExceptionMessages参数启用它：

1	java -XX:+ShowCodeDetailsInExceptionMessages Main.java

6.使用断言

断言（Assertion）是一种调试程序的方式。在Java中，使用assert关键字来实现断言。

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3

double x = Math.abs(-123.45);
assert x < 0;
System.out.println(x);

语句assert x >= 0;即为断言，断言条件x >= 0预期为true。如果计算结果为false，则断言失败，抛出AssertionError。

使用assert语句时，还可以添加一个可选的断言消息：

1	assert x >= 0 : "x must >= 0";

这样，断言失败的时候，AssertionError会带上消息x must >= 0，更加便于调试。

Java断言的特点是：断言失败时会抛出AssertionError，导致程序结束退出。因此，断言不能用于可恢复的程序错误，只应该用于开发和测试阶段。

对于可恢复的程序错误，不应该使用断言。例如：

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3

void sort(int[] arr) {
    assert arr != null;
}

应该抛出异常并在上层捕获：

void sort(int[] arr) {
    if (arr == null) {
        throw new IllegalArgumentException("array cannot be null");
    }
}

当我们在程序中使用assert时，例如，一个简单的断言：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int x = -1;
        assert x > 0;
        System.out.println(x);
    }
}

断言x必须大于0，实际上x为-1，断言肯定失败。执行上述代码，发现程序并未抛出AssertionError，而是正常打印了x的值。

这是怎么肥四？为什么assert语句不起作用？

这是因为JVM默认关闭断言指令，即遇到assert语句就自动忽略了，不执行。

要执行assert语句，必须给Java虚拟机传递-enableassertions（可简写为-ea）参数启用断言。所以，上述程序必须在命令行下运行才有效果：

还可以有选择地对特定地类启用断言，命令行参数是：-ea:com.itranswarp.sample.Main，表示只对com.itranswarp.sample.Main这个类启用断言。或者对特定地包启用断言，命令行参数是：-ea:com.itranswarp.sample...（注意结尾有3个.），表示对com.itranswarp.sample这个包启动断言。

实际开发中，很少使用断言。更好的方法是编写单元测试，后续我们会讲解JUnit的使用。

7.JDK Logging

在编写程序的过程中，发现程序运行结果与预期不符，怎么办？当然是用System.out.println()打印出执行过程中的某些变量，观察每一步的结果与代码逻辑是否符合，然后有针对性地修改代码。

代码改好了怎么办？当然是删除没有用的System.out.println()语句了。如果改代码又改出问题怎么办？再加上System.out.println()。

反复这么搞几次，很快大家就发现使用System.out.println()非常麻烦。怎么办？

解决方法是使用日志。

那什么是日志？日志就是Logging，它的目的是为了取代System.out.println()。

输出日志，而不是用System.out.println()，有以下几个好处：

可以设置输出样式，避免自己每次都写"ERROR: " + var；
可以设置输出级别，禁止某些级别输出。例如，只输出错误日志；
可以被重定向到文件，这样可以在程序运行结束后查看日志；
可以按包名控制日志级别，只输出某些包打的日志；
可以……

总之就是好处很多啦。那如何使用日志？

因为Java标准库内置了日志包java.util.logging，我们可以直接用。先看一个简单的例子：

import java.util.logging.Logger;

public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        Logger logger = Logger.getGlobal();
        logger.info("start process...");
        logger.warning("memory is running out...");
        logger.fine("ignored.");
        logger.severe("process will be terminated...");
    }
}

对比可见，使用日志最大的好处是，它自动打印了时间、调用类、调用方法等很多有用的信息。

再仔细观察发现，4条日志，只打印了3条，logger.fine()没有打印。这是因为，日志的输出可以设定级别。JDK的Logging定义了7个日志级别，从严重到普通：

SEVERE
WARNING
INFO
CONFIG
FINE
FINER
FINEST

因为默认级别是INFO，因此，INFO级别以下的日志，不会被打印出来。使用日志级别的好处在于，调整级别，就可以屏蔽掉很多调试相关的日志输出。使用Java标准库内置的Logging有以下局限：

Logging系统在JVM启动时读取配置文件并完成初始化，一旦开始运行main()方法，就无法修改配置；
配置不太方便，需要在JVM启动时传递参数-Djava.util.logging.config.file=<config-file-name>。

因此，Java标准库内置的Logging使用并不是非常广泛。更方便的日志系统我们稍后介绍。

8.Commons Logging

和Java标准库提供的日志不同，Commons Logging是一个第三方日志库，它是由Apache创建的日志模块。

Commons Logging的特色是，它可以挂接不同的日志系统，并通过配置文件指定挂接的日志系统。默认情况下，Commons Loggin自动搜索并使用Log4j（Log4j是另一个流行的日志系统），如果没有找到Log4j，再使用JDK Logging。

使用Commons Logging只需要和两个类打交道，并且只有两步：

第一步，通过LogFactory获取Log类的实例；第二步，使用Log实例的方法打日志。

import org.apache.commons.logging.Log;
import org.apache.commons.logging.LogFactory;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Log log = LogFactory.getLog(CommonsLoggingTest.class);
        log.info("start...");
        log.warn("end.");
    }
}

运行上述代码，肯定会得到编译错误，类似error: package org.apache.commons.logging does not exist（找不到org.apache.commons.logging这个包）。因为Commons Logging是一个第三方提供的库，所以，必须先把它下载下来。下载后，解压，找到commons-logging-1.2.jar这个文件，再把Java源码Main.java放到一个目录下，例如work目录：

work
│
├─ commons-logging-1.2.jar
│
└─ Main.java

然后用javac编译Main.java，编译的时候要指定classpath，不然编译器找不到我们引用的org.apache.commons.logging包。编译命令如下：

1	javac -cp commons-logging-1.2.jar Main.java

如果编译成功，那么当前目录下就会多出一个Main.class文件：

work
│
├─ commons-logging-1.2.jar
│
├─ Main.java
│
└─ Main.class

现在可以执行这个Main.class，使用java命令，也必须指定classpath，命令如下：

1	java -cp .;commons-logging-1.2.jar Main

注意到传入的classpath有两部分：一个是.，一个是commons-logging-1.2.jar，用;分割。.表示当前目录，如果没有这个.，JVM不会在当前目录搜索Main.class，就会报错。如果在Linux或macOS下运行，注意classpath的分隔符不是;，而是:：

1	java -cp .:commons-logging-1.2.jar Main

运行结果如下：

Commons Logging定义了6个日志级别：

FATAL
ERROR
WARNING
INFO
DEBUG
TRACE

默认级别是INFO。

使用Commons Logging时，如果在静态方法中引用Log，通常直接定义一个静态类型变量：

// 在静态方法中引用Log:
public class Main {
    static final Log log = LogFactory.getLog(Main.class);

    static void foo() {
        log.info("foo");
    }
}

在实例方法中引用Log，通常定义一个实例变量：

// 在实例方法中引用Log:
public class Person {
    protected final Log log = LogFactory.getLog(getClass());

    void foo() {
        log.info("foo");
    }
}

注意到实例变量log的获取方式是LogFactory.getLog(getClass())，虽然也可以用LogFactory.getLog(Person.class)，但是前一种方式有个非常大的好处，就是子类可以直接使用该log实例。例如：

// 在子类中使用父类实例化的log:
public class Student extends Person {
    void bar() {
        log.info("bar");
    }
}

由于Java类的动态特性，子类获取的log字段实际上相当于LogFactory.getLog(Student.class)，但却是从父类继承而来，并且无需改动代码。

此外，Commons Logging的日志方法，例如info()，除了标准的info(String)外，还提供了一个非常有用的重载方法：info(String, Throwable)，这使得记录异常更加简单：

try {
    ...
} catch (Exception e) {
    log.error("got exception!", e);
}

9.Log4j

前面介绍了Commons Logging，可以作为“日志接口”来使用。而真正的“日志实现”可以使用Log4j。

Log4j是一种非常流行的日志框架，最新版本是2.x。

Log4j是一个组件化设计的日志系统，它的架构大致如下：

log.info("User signed in.");
 │
 │   ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐
 ├──>│ Appender │───>│  Filter  │───>│  Layout  │───>│ Console  │
 │   └──────────┘    └──────────┘    └──────────┘    └──────────┘
 │
 │   ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐
 ├──>│ Appender │───>│  Filter  │───>│  Layout  │───>│   File   │
 │   └──────────┘    └──────────┘    └──────────┘    └──────────┘
 │
 │   ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐
 └──>│ Appender │───>│  Filter  │───>│  Layout  │───>│  Socket  │
     └──────────┘    └──────────┘    └──────────┘    └──────────┘

当我们使用Log4j输出一条日志时，Log4j自动通过不同的Appender把同一条日志输出到不同的目的地。例如：

console：输出到屏幕；
file：输出到文件；
socket：通过网络输出到远程计算机；
jdbc：输出到数据库

在输出日志的过程中，通过Filter来过滤哪些log需要被输出，哪些log不需要被输出。例如，仅输出ERROR级别的日志。最后，通过Layout来格式化日志信息，例如，自动添加日期、时间、方法名称等信息。

上述结构虽然复杂，但我们在实际使用的时候，并不需要关心Log4j的API，而是通过配置文件来配置它。

以XML配置为例，使用Log4j的时候，我们把一个log4j2.xml的文件放到classpath下就可以让Log4j读取配置文件并按照我们的配置来输出日志。下面是一个配置文件的例子：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<Configuration>
    <Properties>
        <!-- 定义日志格式 -->
        <Property name="log.pattern">%d{MM-dd HH:mm:ss.SSS} [%t] %-5level %logger{36}%n%msg%n%n</Property>
        <!-- 定义文件名变量 -->
        <Property name="file.err.filename">log/err.log</Property>
        <Property name="file.err.pattern">log/err.%i.log.gz</Property>
    </Properties>
    <!-- 定义Appender，即目的地 -->
    <Appenders>
        <!-- 定义输出到屏幕 -->
        <Console name="console" target="SYSTEM_OUT">
            <!-- 日志格式引用上面定义的log.pattern -->
            <PatternLayout pattern="${log.pattern}" />
        </Console>
        <!-- 定义输出到文件,文件名引用上面定义的file.err.filename -->
        <RollingFile name="err" bufferedIO="true" fileName="${file.err.filename}" filePattern="${file.err.pattern}">
            <PatternLayout pattern="${log.pattern}" />
            <Policies>
                <!-- 根据文件大小自动切割日志 -->
                <SizeBasedTriggeringPolicy size="1 MB" />
            </Policies>
            <!-- 保留最近10份 -->
            <DefaultRolloverStrategy max="10" />
        </RollingFile>
    </Appenders>
    <Loggers>
        <Root level="info">
            <!-- 对info级别的日志，输出到console -->
            <AppenderRef ref="console" level="info" />
            <!-- 对error级别的日志，输出到err，即上面定义的RollingFile -->
            <AppenderRef ref="err" level="error" />
        </Root>
    </Loggers>
</Configuration>

虽然配置Log4j比较繁琐，但一旦配置完成，使用起来就非常方便。对上面的配置文件，凡是INFO级别的日志，会自动输出到屏幕，而ERROR级别的日志，不但会输出到屏幕，还会同时输出到文件。并且，一旦日志文件达到指定大小（1MB），Log4j就会自动切割新的日志文件，并最多保留10份。

IDEA中把上面的log4j2.xml文件放入classpath中：

有了配置文件还不够，因为Log4j也是一个第三方库，我们需要从这里下载Log4j，解压后，把以下3个jar包放到classpath中：

log4j-api-2.x.jar
log4j-core-2.x.jar
log4j-jcl-2.x.jar

因为Commons Logging会自动发现并使用Log4j，所以，把上一节下载的commons-logging-1.2.jar也放到classpath中。

要打印日志，只需要按Commons Logging的写法写，不需要改动任何代码，就可以得到Log4j的日志输出，类似：

import org.apache.commons.logging.Log;
import org.apache.commons.logging.LogFactory;
public class CommonsLoggingTest {
    public static void main(String[] args) {
        Log log = LogFactory.getLog(CommonsLoggingTest.class);
        log.info("start...");
        log.error("end...");
    }
}

最佳实践

在开发阶段，始终使用Commons Logging接口来写入日志，并且开发阶段无需引入Log4j。如果需要把日志写入文件，只需要把正确的配置文件和Log4j相关的jar包放入classpath，就可以自动把日志切换成使用Log4j写入，无需修改任何代码。