第十三天：進階 Python：錯誤處理與例外管理

內容概述：

今天我們將探討 Python 中的錯誤處理機制。即便是最優秀的程式，在執行過程中仍可能遇到錯誤。學習如何有效處理這些錯誤，能夠讓程式更加健壯，並提供良好的用戶體驗。

一、什麼是錯誤與例外？

1. 錯誤類型

   • 語法錯誤（Syntax Errors）：當 Python 解析器無法理解程式時，會引發語法錯誤。

     • 例如，忘記了閉合括號或拼錯關鍵字。

     • print("Hello World"  # 少了右括號
       

   • 邏輯錯誤（Logical Errors）：程式語法正確，但邏輯不正確，導致結果不符合預期。

   • 例外（Exceptions）：例外是在程式執行過程中發生的錯誤，比如文件不存在、除以零等。

     • 例外可被程式捕捉並處理，避免程式崩潰。

二、常見的例外類型

1. 常見例外類型

   • ZeroDivisionError: 嘗試將數字除以 0 時發生。
   • TypeError: 當操作或函數應用於不適當的類型時發生。
   • ValueError: 函數接收到正確類型，但值不正確時發生。
   • FileNotFoundError: 當程式嘗試打開不存在的文件時發生。

   # ZeroDivisionError 例子
   try:
       result = 10 / 0
   except ZeroDivisionError:
       print("Cannot divide by zero!")
   

三、使用 try 與 except 進行錯誤處理

1. 基礎語法

   • 使用 try 來編寫可能會引發例外的程式碼，並使用 except 來處理這些例外。
   • 語法格式：

     try:
         # 可能發生例外的程式碼
     except SomeException:
         # 當例外發生時的處理
     

2. 範例：處理使用者輸入錯誤

   try:
       user_input = int(input("Please enter a number: "))
   except ValueError:
       print("That's not a valid number!")
   

四、else 與 finally 的使用

1. else 子句

   • 當 try 區塊中的程式碼沒有拋出任何例外時，else 區塊會執行：

     try:
         result = 10 / 2
     except ZeroDivisionError:
         print("Cannot divide by zero!")
     else:
         print(f"The result is {result}")
     

2. finally 子句

   • finally 區塊中的程式碼無論是否發生例外都會執行，常用於釋放資源或清理操作。

     try:
         file = open("sample.txt", "r")
     except FileNotFoundError:
         print("File not found!")
     finally:
         file.close()  # 確保文件關閉
     

五、捕捉多個例外

1. 捕捉多種類型的例外

   • 可以使用多個 except 來針對不同的例外類型進行處理：

     try:
         num = int(input("Enter a number: "))
         result = 100 / num
     except ValueError:
         print("That's not a number!")
     except ZeroDivisionError:
         print("You cannot divide by zero!")
     

2. 捕捉所有例外

   • 使用 Exception 可以捕捉所有類型的例外，這樣可以避免漏掉任何潛在的錯誤：

     try:
         # 某些程式碼
     except Exception as e:
         print(f"An error occurred: {e}")
     

六、自定義例外

1. 定義自己的例外類別

   • 可以創建自定義的例外類別來處理特殊情況。所有自定義例外都應繼承自 Exception 類別：

     class CustomError(Exception):
         pass
     
     def divide(a, b):
         if b == 0:
             raise CustomError("Cannot divide by zero")
         return a / b
     
     try:
         result = divide(10, 0)
     except CustomError as e:
         print(e)
     

2. 使用自定義例外進行特殊處理

   • 自定義例外有助於處理特定情境下的錯誤，並提供更多上下文訊息。

七、實作範例

1. 範例 1：計算器的錯誤處理

   • 我們可以使用錯誤處理來擴展簡單的計算器應用，防止用戶輸入不合法的數據或進行不合理的計算。

     def calculator():
         try:
             num1 = int(input("Enter first number: "))
             num2 = int(input("Enter second number: "))
             operation = input("Choose operation (+, -, *, /): ")
     
             if operation == "+":
                 result = num1 + num2
             elif operation == "-":
                 result = num1 - num2
             elif operation == "*":
                 result = num1 * num2
             elif operation == "/":
                 result = num1 / num2
             else:
                 raise ValueError("Invalid operation")
     
             print(f"The result is: {result}")
     
         except ValueError as ve:
             print(f"Input error: {ve}")
         except ZeroDivisionError:
             print("Cannot divide by zero")
         finally:
             print("Calculator session ended.")
     
     calculator()
     

2. 範例 2：文件處理中的錯誤管理

   • 當處理文件時，錯誤處理非常重要。我們可以防止程序因為找不到文件或其他問題而崩潰。

     def read_file(file_path):
         try:
             with open(file_path, 'r') as file:
                 content = file.read()
                 print(content)
         except FileNotFoundError:
             print(f"File {file_path} not found.")
         except Exception as e:
             print(f"An error occurred: {e}")
     
     read_file("nonexistent_file.txt")
     

八、練習與實作

練習 1：捕捉錯誤

• 寫一個簡單的數學計算器，要求使用者輸入兩個數字，並處理輸入的例外（如非數字輸入或除以零的情況）。

練習 2：文件讀取錯誤處理

• 撰寫一個函數來讀取用戶指定的文件，如果文件不存在，提示用戶並捕捉 FileNotFoundError。

練習 3：自定義例外處理

• 創建一個自定義例外類別，並設計一個函數，在遇到某些特定情況（如非法輸入）時，拋出自定義例外。

解答

這些練習重點在於處理例外狀況，包括 Python 的內建例外和自定義例外處理。下面是各個練習的範例解答。

練習 1：捕捉錯誤

目標：寫一個簡單的數學計算器，要求使用者輸入兩個數字，並處理輸入的例外（如非數字輸入或除以零的情況）。

def calculator():
    try:
        num1 = float(input("請輸入第一個數字: "))
        num2 = float(input("請輸入第二個數字: "))
        operation = input("請選擇運算符號 (+, -, *, /): ")
        
        if operation == '+':
            result = num1 + num2
        elif operation == '-':
            result = num1 - num2
        elif operation == '*':
            result = num1 * num2
        elif operation == '/':
            result = num1 / num2
        else:
            print("無效的運算符號。")
            return

        print(f"計算結果: {result}")

    except ValueError:
        print("請輸入有效的數字。")
    except ZeroDivisionError:
        print("除數不能為零。")

# 測試程式
calculator()

解釋：

• try 和 except：用來捕捉使用者輸入的錯誤，例如非數字輸入（捕捉 ValueError）和除以零（捕捉 ZeroDivisionError）。
• float()：將使用者輸入轉換為浮點數，若輸入非數字會引發 ValueError。

練習 2：文件讀取錯誤處理

目標：撰寫一個函數來讀取用戶指定的文件，如果文件不存在，提示用戶並捕捉 FileNotFoundError。

def read_file(filename):
    try:
        with open(filename, 'r', encoding='utf-8') as file:
            content = file.read()
            print("文件內容如下:")
            print(content)
    except FileNotFoundError:
        print(f"找不到文件: {filename}")
    except Exception as e:
        print(f"讀取文件時發生錯誤: {e}")

# 測試程式
filename = input("請輸入文件名稱: ")
read_file(filename)

解釋：

• FileNotFoundError：當指定的文件不存在時會引發此錯誤，程式將捕捉並提示用戶。
• open()：打開文件，並使用 with 確保在操作結束後自動關閉文件。
• Exception：捕捉任何其他潛在的錯誤。

練習 3：自定義例外處理

目標：創建一個自定義例外類別，並設計一個函數，在遇到某些特定情況（如非法輸入）時，拋出自定義例外。

# 自定義例外類別
class InvalidInputError(Exception):
    pass

def check_positive_number(number):
    if number < 0:
        raise InvalidInputError("輸入的數字不能為負數。")
    else:
        print(f"輸入的數字為: {number}")

# 測試程式
try:
    num = float(input("請輸入一個正數: "))
    check_positive_number(num)
except InvalidInputError as e:
    print(f"自定義錯誤: {e}")
except ValueError:
    print("請輸入有效的數字。")

解釋：

• 自定義例外類別：透過創建一個繼承自 Exception 的類別 InvalidInputError 來定義自定義例外。
• raise：當條件不滿足時，主動引發自定義的例外。
• try 和 except：捕捉自定義例外 InvalidInputError，並顯示對應錯誤訊息。

這三個練習展示了例外處理在不同場景中的應用，包括捕捉內建例外、處理文件讀取錯誤，以及如何設計和使用自定義例外來處理特定的應用情境。

九、學習總結

錯誤處理是讓程式更加健壯與可靠的重要技術。通過合理使用 try-except 機制，我們可以確保程式在遇到問題時不會突然中斷，並且能夠提供清晰的錯誤訊息給用戶。隨著學習的深入，還可以使用自定義例外來更精細地控制錯誤處理邏輯。

下一堂課預告

第十四天：Python 進階：文件處理技巧與最佳實踐