【C++】5つのステップで理解するエラー処理

はじめに
●C++エラー処理の基本
●エラー処理の応用例
●エラー処理のカスタマイズ方法
- ○カスタム例外クラスの作成
- ○エラー処理のロギング
●エラー処理における注意点と対処法
- ○一般的なエラーとその回避方法
- ○パフォーマンスへの影響と最適化
まとめ

はじめに

C++では、エラー処理は避けて通れない重要な部分です。

この記事を読めば、C++でのエラー処理の基本から応用、そして実際のコード例までを一通り理解することができます。

これからプログラミングを学ぶ初心者の方から、さらなるスキルアップを目指す上級者まで、全ての方に役立つ情報を詳しく解説していきます。

●C++エラー処理の基本

プログラミングにおけるエラー処理とは、プログラム実行中に予期しない状況やエラーが発生した場合に、適切に対処しプログラムの安定稼働を保証するための手段です。

C++におけるエラー処理では、主に「例外処理」という方法が用いられます。

例外処理を適切に行うことで、エラー発生時にプログラムが突然終了することを防ぎ、ユーザーに適切なメッセージを表示するなどの処理を行うことが可能になります。

○エラー処理の重要性

エラー処理は、プログラムの信頼性と保守性を高める上で非常に重要です。

エラーが適切に処理されない場合、予期しない動作やシステムのクラッシュを引き起こす可能性があります。

特に、大規模なアプリケーションや多くのユーザーが使用するシステムでは、エラー処理の重要性はさらに高まります。

○例外処理とは何か

C++における例外処理は、特定のコードブロック（tryブロック）内で発生する可能性のあるエラー（例外）を捕捉し、それに対する特定の処理（catchブロック）を行うことを指します。

例外処理を使用することで、エラーが発生した際のコードの流れをより明確にし、エラー処理を中央集権化することができます。

○tryとcatchブロックの基本

tryブロックは、例外が発生する可能性のあるコードを囲むために使用されます。

このブロック内でエラー（例外）が発生した場合、プログラムの制御はcatchブロックに移ります。

catchブロックは、特定のタイプの例外を捕捉し、それに対する適切な処理を記述する場所です。

複数の異なるタイプの例外を捕捉するために、複数のcatchブロックを用意することが可能です。

○例外クラスの理解

C++では、例外を表現するために例外クラスを使用します。

標準ライブラリには多くの標準例外クラス（例えばstd::runtime_error）が用意されており、これらを直接使用することも、独自の例外クラスを定義することもできます。

例外クラスを定義する際は、通常は既存の例外クラスを継承して、追加の情報や機能を提供する形になります。

例外オブジェクトにはエラーに関する情報が含まれており、catchブロックでこれを利用して適切なエラー処理を行います。

●エラー処理の応用例

C++におけるエラー処理の応用例を考えるとき、基本的なtry-catchブロックの使用方法を超えて、さらに複雑なシナリオに対処するための技術が必要になります。

ここでは、ユーザー定義の例外の作成、例外安全性の考慮、そしてラムダ式と例外を組み合わせた処理方法について詳しく見ていきます。

○サンプルコード3：ユーザー定義例外の作成

C++では、独自の例外クラスを作成して、特定のエラー状況に適した情報を提供することが可能です。

下記のコードは、独自の例外クラスを定義し、それを使用して例外を投げ、捕捉する方法を表しています。

#include <iostream>
#include <exception>

// ユーザー定義例外クラス
class MyException : public std::exception {
public:
    const char* what() const noexcept override {
        return "カスタムエラーが発生しました";
    }
};

int main() {
    try {
        // ユーザー定義例外を投げる
        throw MyException();
    } catch (const MyException& e) {
        std::cout << "捕捉された例外: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

この例では、std::exceptionクラスを継承したMyExceptionクラスを定義し、what()メソッドをオーバーライドしています。

このメソッドは、例外が捕捉されたときにエラーメッセージを提供します。

○サンプルコード4：例外安全性の考慮

例外安全性とは、例外が投げられた場合でもリソースのリークや状態の不整合を避けることを指します。

下記のコードは、例外安全性を考慮したリソース管理の一例です。

#include <iostream>
#include <memory>

void processResource(int size) {
    if (size > 100) {
        throw std::runtime_error("サイズが大きすぎます");
    }
    // リソース処理のコード
}

int main() {
    try {
        // スマートポインタを使用してリソースを管理
        std::unique_ptr<int[]> resource(new int[100]);
        processResource(101); // 例外を発生させる
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cout << "エラー: " << e.what() << std::endl;
    }
    // スマートポインタが自動的にリソースを解放
    return 0;
}

この例では、std::unique_ptrスマートポインタを使用しています。

このポインタは、スコープを抜けるときに自動的にリソースを解放するため、例外が投げられてもリソースリークが発生しません。

○サンプルコード5：ラムダ式と例外

ラムダ式を使用することで、コードの可読性を高めつつ、例外処理を柔軟に行うことができます。

下記のコードは、ラムダ式内で例外を投げ、それを外側で捕捉する例です。

#include <iostream>
#include <functional>

int main() {
    try {
        // ラムダ式内で例外を投げる
        std::function<void()> func = []() {
            throw std::runtime_error("ラムダ内のエラー");
        };
        func(); // ラムダ式を実行
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cout << "捕捉された例外: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

この例では、ラムダ式内でstd::runtime_errorを投げ、呼び出し元でそれを捕捉しています。

このように、ラムダ式を使うことで、コードの局所性を高めつつ、例外処理を簡潔に記述することが可能です。

●エラー処理のカスタマイズ方法

C++におけるエラー処理をさらに効果的にするためには、カスタマイズが重要です。

特に、独自の例外クラスを作成することや、エラー処理の際のロギングを行うことで、エラー情報をより詳細に把握し、迅速な対処が可能になります。

○カスタム例外クラスの作成

C++では、標準の例外クラスを拡張して、独自の例外クラスを作成することが可能です。

これにより、特定のエラータイプに応じた追加情報を提供することができます。

ここでは、独自の例外クラスを作成するサンプルコードを紹介します。

#include <iostream>
#include <exception>
#include <string>

// 独自の例外クラス
class CustomException : public std::exception {
private:
    std::string message;

public:
    CustomException(const std::string& msg) : message(msg) {}

    const char* what() const noexcept override {
        return message.c_str();
    }
};

void someFunction() {
    // 何らかの理由で例外を投げる
    throw CustomException("カスタムエラーが発生しました");
}

int main() {
    try {
        someFunction();
    } catch (const CustomException& e) {
        std::cout << "捕捉された例外: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

このコードでは、CustomExceptionという独自の例外クラスを定義し、std::exceptionを継承しています。

what()メソッドをオーバーライドすることで、カスタムメッセージを例外として返すことが可能になります。

○エラー処理のロギング

エラーが発生した際に、その詳細な情報をログに記録することは、後のデバッグやシステムの改善に非常に役立ちます。

ここでは、エラー情報をログに出力するサンプルコードを紹介します。

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <exception>

void logError(const std::exception& e) {
    std::ofstream logFile("error.log", std::ios::app);
    logFile << "エラー発生: " << e.what() << std::endl;
}

void someFunction() {
    // 何らかの理由で例外を投げる
    throw std::runtime_error("ランタイムエラーが発生しました");
}

int main() {
    try {
        someFunction();
    } catch (const std::exception& e) {
        logError(e);
        std::cout << "エラーをログに記録しました: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

このコードでは、例外が発生すると、logError関数が呼び出され、エラーメッセージが”log.error”ファイルに追記されます。

ログファイルは、システムのエラー履歴を継続的に追跡するのに役立ちます。