C++でのカスタム例外クラス作成方法を徹底解説【初心者向け】

C++プログラミングにおいて、例外処理はコードの信頼性とメンテナンス性を高めるために重要な要素です。標準の例外クラスだけでは対応できない特殊なエラー処理を行いたい場合、カスタム例外クラスを作成する必要があります。本記事では、C++でカスタム例外クラスを作成する方法をステップバイステップで解説し、応用例や演習問題を通じて理解を深めます。

例外処理の基礎

C++における例外処理は、プログラムの実行中に発生するエラーを管理し、プログラムが予期しない終了を避けるためのメカニズムです。例外処理を適切に実装することで、プログラムの信頼性とメンテナンス性を向上させることができます。

例外処理の基本概念

例外処理は、通常のプログラムの流れを中断し、エラーハンドラに制御を移すことで行われます。C++では、try、catch、throwキーワードを使用して例外処理を実装します。

tryブロック

tryブロックは、例外が発生する可能性のあるコードを囲みます。例外が発生した場合、tryブロック内の残りのコードはスキップされます。

try {
    // 例外が発生する可能性のあるコード
}

catchブロック

catchブロックは、発生した例外を捕捉し、適切な処理を行います。複数のcatchブロックを使用して、異なる型の例外を捕捉することができます。

catch (const std::exception& e) {
    // 例外を処理するコード
}

throw式

throw式は、例外を発生させるために使用されます。例外は通常、例外オブジェクト（標準の例外クラスやカスタム例外クラスのインスタンス）として投げられます。

throw std::runtime_error("エラーメッセージ");

標準の例外クラス

C++には、標準ライブラリによって提供されるいくつかの例外クラスがあります。これらのクラスは、一般的なエラー状況を処理するために設計されています。

std::exception

std::exceptionは、すべての標準例外クラスの基底クラスです。このクラスは、基本的なエラーメッセージを取得するためのwhat()メンバ関数を提供します。

try {
    throw std::exception();
} catch (const std::exception& e) {
    std::cerr << "例外が発生: " << e.what() << std::endl;
}

std::runtime_error

std::runtime_errorは、実行時エラーを表す例外クラスです。このクラスは、プログラムの実行中に発生する予期しない状況を表現するために使用されます。

try {
    throw std::runtime_error("実行時エラー");
} catch (const std::runtime_error& e) {
    std::cerr << "実行時エラーが発生: " << e.what() << std::endl;
}

std::logic_error

std::logic_errorは、プログラムの論理エラーを表す例外クラスです。これらのエラーは通常、コードのバグや不適切なロジックの結果として発生します。

try {
    throw std::logic_error("論理エラー");
} catch (const std::logic_error& e) {
    std::cerr << "論理エラーが発生: " << e.what() << std::endl;
}

その他の標準例外クラス

標準ライブラリには、他にも多くの例外クラスがあります。例えば、std::out_of_range、std::invalid_argument、std::overflow_errorなどがあります。これらのクラスは、それぞれ異なる種類のエラーを表現するために使用されます。

カスタム例外クラスの基本構造

カスタム例外クラスを作成することで、特定のエラー状況に対する詳細なエラーメッセージや追加情報を提供できます。カスタム例外クラスは標準の例外クラスを継承し、独自の機能を追加することが可能です。

基本的なカスタム例外クラスの作成

カスタム例外クラスは、通常std::exceptionまたはその派生クラスを基底クラスとして継承します。次に、独自のメンバ変数やメンバ関数を追加します。

#include <iostream>
#include <exception>

// カスタム例外クラスの定義
class MyException : public std::exception {
public:
    // コンストラクタ
    MyException(const std::string& message) : msg_(message) {}

    // what()メソッドのオーバーライド
    const char* what() const noexcept override {
        return msg_.c_str();
    }

private:
    std::string msg_;
};

int main() {
    try {
        throw MyException("カスタム例外が発生しました");
    } catch (const MyException& e) {
        std::cerr << "エラー: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

基本的な要素の説明

コンストラクタ

カスタム例外クラスのコンストラクタでは、エラーメッセージや他の必要な情報を初期化します。この例では、エラーメッセージをstd::stringとしてメンバ変数msg_に格納しています。

what()メソッドのオーバーライド

std::exceptionクラスのwhat()メソッドをオーバーライドして、カスタムのエラーメッセージを返すようにします。このメソッドはconst char*型のポインタを返す必要があります。

コンストラクタとメンバ関数

カスタム例外クラスでは、エラーメッセージだけでなく、エラーコードやエラー発生箇所などの追加情報を持つことができます。ここでは、コンストラクタとメンバ関数の実装方法を詳しく見ていきます。

コンストラクタの実装

カスタム例外クラスのコンストラクタは、エラーメッセージやその他の情報を初期化するために使用されます。複数のコンストラクタを定義することも可能です。

#include <iostream>
#include <exception>

// カスタム例外クラスの定義
class MyException : public std::exception {
public:
    // コンストラクタ1：エラーメッセージのみ
    MyException(const std::string& message) : msg_(message) {}

    // コンストラクタ2：エラーメッセージとエラーコード
    MyException(const std::string& message, int code) : msg_(message), code_(code) {}

    // what()メソッドのオーバーライド
    const char* what() const noexcept override {
        return msg_.c_str();
    }

    // エラーコードを取得するメソッド
    int code() const noexcept {
        return code_;
    }

private:
    std::string msg_;
    int code_;
};

int main() {
    try {
        throw MyException("カスタム例外が発生しました", 404);
    } catch (const MyException& e) {
        std::cerr << "エラー: " << e.what() << " (コード: " << e.code() << ")" << std::endl;
    }
    return 0;
}

メンバ関数の実装

カスタム例外クラスには、追加情報を提供するためのメンバ関数を定義することができます。この例では、エラーコードを返すcode()メソッドを実装しています。

エラーメッセージの取得

what()メソッドは、標準のstd::exceptionクラスからオーバーライドされ、エラーメッセージを返します。

エラーコードの取得

カスタム例外クラスの特有のメンバ関数として、code()メソッドを実装しています。このメソッドは、例外のエラーコードを返します。

例外情報の表示

例外を捕捉した際には、what()メソッドでエラーメッセージを、code()メソッドでエラーコードを取得し、適切に表示します。

カスタム例外クラスの使用例

カスタム例外クラスを作成したら、それを実際にどのように使用するかを理解することが重要です。ここでは、カスタム例外クラスを使用した具体的な例を示します。

ファイル操作におけるカスタム例外

以下の例では、ファイルの読み込み時にエラーが発生した場合にカスタム例外を投げるコードを示します。

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

// カスタム例外クラスの定義
class FileException : public std::exception {
public:
    FileException(const std::string& message) : msg_(message) {}
    const char* what() const noexcept override {
        return msg_.c_str();
    }
private:
    std::string msg_;
};

void readFile(const std::string& filename) {
    std::ifstream file(filename);
    if (!file.is_open()) {
        throw FileException("ファイルを開くことができません: " + filename);
    }
    // ファイルの読み込み処理
    file.close();
}

int main() {
    try {
        readFile("nonexistent_file.txt");
    } catch (const FileException& e) {
        std::cerr << "エラー: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

ネットワーク接続におけるカスタム例外

次の例では、ネットワーク接続時にエラーが発生した場合にカスタム例外を投げるコードを示します。

#include <iostream>
#include <exception>

// カスタム例外クラスの定義
class NetworkException : public std::exception {
public:
    NetworkException(const std::string& message) : msg_(message) {}
    const char* what() const noexcept override {
        return msg_.c_str();
    }
private:
    std::string msg_;
};

void connectToServer(const std::string& server) {
    // ネットワーク接続処理
    bool connectionSuccessful = false; // 仮定: 接続失敗
    if (!connectionSuccessful) {
        throw NetworkException("サーバーに接続できません: " + server);
    }
    // 接続成功時の処理
}

int main() {
    try {
        connectToServer("example.com");
    } catch (const NetworkException& e) {
        std::cerr << "エラー: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

データベース操作におけるカスタム例外

データベース操作時にエラーが発生した場合にカスタム例外を投げるコードを示します。

#include <iostream>
#include <exception>

// カスタム例外クラスの定義
class DatabaseException : public std::exception {
public:
    DatabaseException(const std::string& message) : msg_(message) {}
    const char* what() const noexcept override {
        return msg_.c_str();
    }
private:
    std::string msg_;
};

void queryDatabase(const std::string& query) {
    // データベースクエリ処理
    bool querySuccessful = false; // 仮定: クエリ失敗
    if (!querySuccessful) {
        throw DatabaseException("データベースクエリに失敗しました: " + query);
    }
    // クエリ成功時の処理
}

int main() {
    try {
        queryDatabase("SELECT * FROM users");
    } catch (const DatabaseException& e) {
        std::cerr << "エラー: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

応用例：詳細なエラーメッセージ

カスタム例外クラスは、詳細なエラーメッセージを提供するためにさらに拡張できます。これにより、エラーの原因を迅速に特定し、デバッグを効率的に行うことができます。

詳細なエラーメッセージを提供するカスタム例外クラス

以下の例では、エラーメッセージに加えて、エラー発生時のファイル名や行番号を含むカスタム例外クラスを作成します。

#include <iostream>
#include <exception>
#include <sstream>

// カスタム例外クラスの定義
class DetailedException : public std::exception {
public:
    DetailedException(const std::string& message, const std::string& file, int line)
        : msg_(message), file_(file), line_(line) {}

    const char* what() const noexcept override {
        std::ostringstream oss;
        oss << msg_ << " (ファイル: " << file_ << ", 行: " << line_ << ")";
        fullMsg_ = oss.str();
        return fullMsg_.c_str();
    }

private:
    std::string msg_;
    std::string file_;
    int line_;
    mutable std::string fullMsg_;
};

#define THROW_DETAILED_EXCEPTION(msg) throw DetailedException((msg), __FILE__, __LINE__)

int main() {
    try {
        THROW_DETAILED_EXCEPTION("詳細なエラーメッセージの例外が発生しました");
    } catch (const DetailedException& e) {
        std::cerr << "エラー: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

詳細なエラーメッセージの利点

詳細なエラーメッセージを提供することで、以下のような利点があります。

デバッグの効率化

エラーメッセージにファイル名や行番号を含めることで、エラー発生箇所を迅速に特定できます。これにより、デバッグ作業が効率化されます。

エラーの原因特定

エラーメッセージが詳細であれば、エラーの原因を特定するための情報が増え、問題の早期解決に役立ちます。

コードのメンテナンス性向上

詳細なエラーメッセージは、将来的にコードをメンテナンスする際にも有用です。エラーの内容が明確であれば、新しい開発者もコードを理解しやすくなります。

応用例：エラーログの記録

カスタム例外クラスを使用して、エラーが発生した際にエラーログを記録する機能を追加することができます。これにより、エラーの履歴を追跡し、後で分析することが可能になります。

エラーログを記録するカスタム例外クラス

以下の例では、エラーログをファイルに記録するカスタム例外クラスを作成します。このクラスはエラー発生時にログファイルにエラーメッセージを記録します。

#include <iostream>
#include <exception>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <ctime>

// カスタム例外クラスの定義
class LoggingException : public std::exception {
public:
    LoggingException(const std::string& message, const std::string& file, int line)
        : msg_(message), file_(file), line_(line) {
        logError();
    }

    const char* what() const noexcept override {
        std::ostringstream oss;
        oss << msg_ << " (ファイル: " << file_ << ", 行: " << line_ << ")";
        fullMsg_ = oss.str();
        return fullMsg_.c_str();
    }

private:
    std::string msg_;
    std::string file_;
    int line_;
    mutable std::string fullMsg_;

    void logError() const {
        std::ofstream logFile("error_log.txt", std::ios_base::app);
        if (logFile.is_open()) {
            std::time_t now = std::time(nullptr);
            logFile << std::ctime(&now) << ": " << msg_ << " (ファイル: " << file_ << ", 行: " << line_ << ")\n";
            logFile.close();
        }
    }
};

#define THROW_LOGGING_EXCEPTION(msg) throw LoggingException((msg), __FILE__, __LINE__)

int main() {
    try {
        THROW_LOGGING_EXCEPTION("エラーログ記録の例外が発生しました");
    } catch (const LoggingException& e) {
        std::cerr << "エラー: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

エラーログ記録の利点

エラーログを記録することには、以下のような利点があります。

エラーの追跡

エラーログを記録することで、過去に発生したエラーを追跡し、パターンを分析することができます。これにより、再発防止策を講じることが可能です。

監査とデバッグ

エラーログは、監査やデバッグの際に重要な情報源となります。エラーの履歴が残るため、問題の原因を突き止めやすくなります。

システムの安定性向上

エラーログを定期的に確認することで、システムの安定性を向上させるための改善点を見つけやすくなります。エラーが頻発する箇所を特定し、対策を講じることができます。

演習問題：カスタム例外クラスの作成

ここでは、カスタム例外クラスを作成する演習問題を通じて、実際に手を動かして学ぶ機会を提供します。この演習を通じて、カスタム例外クラスの基本的な設計と実装を理解しましょう。

演習1: 基本的なカスタム例外クラスの作成

まずは、基本的なカスタム例外クラスを作成し、例外処理の流れを確認します。

課題

標準のstd::exceptionを基底クラスとするカスタム例外クラスBasicExceptionを作成してください。
コンストラクタでエラーメッセージを受け取り、what()メソッドをオーバーライドしてそのメッセージを返すようにしてください。
main関数内でこのカスタム例外を投げ、捕捉してエラーメッセージを表示してください。

サンプルコード

#include <iostream>
#include <exception>

class BasicException : public std::exception {
public:
    BasicException(const std::string& message) : msg_(message) {}
    const char* what() const noexcept override {
        return msg_.c_str();
    }
private:
    std::string msg_;
};

int main() {
    try {
        throw BasicException("基本的なカスタム例外が発生しました");
    } catch (const BasicException& e) {
        std::cerr << "エラー: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

演習2: 詳細なエラーメッセージを含むカスタム例外クラスの作成

次に、詳細なエラーメッセージを提供するカスタム例外クラスを作成します。

課題

ファイル名や行番号などの詳細な情報を含むDetailedExceptionクラスを作成してください。
コンストラクタでエラーメッセージ、ファイル名、行番号を受け取り、それらを使って詳細なエラーメッセージを生成するようにしてください。
マクロを使って現在のファイル名と行番号を簡単に渡せるようにしてください。

サンプルコード

#include <iostream>
#include <exception>
#include <sstream>

class DetailedException : public std::exception {
public:
    DetailedException(const std::string& message, const std::string& file, int line)
        : msg_(message), file_(file), line_(line) {}

    const char* what() const noexcept override {
        std::ostringstream oss;
        oss << msg_ << " (ファイル: " << file_ << ", 行: " << line_ << ")";
        fullMsg_ = oss.str();
        return fullMsg_.c_str();
    }

private:
    std::string msg_;
    std::string file_;
    int line_;
    mutable std::string fullMsg_;
};

#define THROW_DETAILED_EXCEPTION(msg) throw DetailedException((msg), __FILE__, __LINE__)

int main() {
    try {
        THROW_DETAILED_EXCEPTION("詳細なエラーメッセージの例外が発生しました");
    } catch (const DetailedException& e) {
        std::cerr << "エラー: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

演習3: ログ記録を含むカスタム例外クラスの作成

最後に、エラーログを記録するカスタム例外クラスを作成します。

課題

エラーメッセージをログファイルに記録するLoggingExceptionクラスを作成してください。
コンストラクタでエラーメッセージ、ファイル名、行番号を受け取り、ログファイルに記録する機能を実装してください。
マクロを使って例外を簡単に投げられるようにしてください。

サンプルコード

#include <iostream>
#include <exception>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <ctime>

class LoggingException : public std::exception {
public:
    LoggingException(const std::string& message, const std::string& file, int line)
        : msg_(message), file_(file), line_(line) {
        logError();
    }

    const char* what() const noexcept override {
        std::ostringstream oss;
        oss << msg_ << " (ファイル: " << file_ << ", 行: " << line_ << ")";
        fullMsg_ = oss.str();
        return fullMsg_.c_str();
    }

private:
    std::string msg_;
    std::string file_;
    int line_;
    mutable std::string fullMsg_;

    void logError() const {
        std::ofstream logFile("error_log.txt", std::ios_base::app);
        if (logFile.is_open()) {
            std::time_t now = std::time(nullptr);
            logFile << std::ctime(&now) << ": " << msg_ << " (ファイル: " << file_ << ", 行: " << line_ << ")\n";
            logFile.close();
        }
    }
};

#define THROW_LOGGING_EXCEPTION(msg) throw LoggingException((msg), __FILE__, __LINE__)

int main() {
    try {
        THROW_LOGGING_EXCEPTION("エラーログ記録の例外が発生しました");
    } catch (const LoggingException& e) {
        std::cerr << "エラー: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

まとめ

本記事では、C++におけるカスタム例外クラスの作成方法を詳しく解説しました。標準の例外クラスを拡張し、特定のエラー状況に対応するためのカスタム例外クラスの基本構造や、詳細なエラーメッセージの提供、エラーログの記録など、応用例も紹介しました。これらの知識を活用することで、エラー処理の効率が向上し、プログラムの信頼性とメンテナンス性が大幅に向上します。ぜひ、実際のプロジェクトでカスタム例外クラスを活用してみてください。

C++でのカスタム例外クラス作成方法を徹底解説【初心者向け】

例外処理の基礎

例外処理の基本概念

tryブロック

catchブロック

throw式

標準の例外クラス

std::exception

std::runtime_error

std::logic_error

その他の標準例外クラス

カスタム例外クラスの基本構造

基本的なカスタム例外クラスの作成

基本的な要素の説明

コンストラクタ

what()メソッドのオーバーライド

コンストラクタとメンバ関数

コンストラクタの実装

メンバ関数の実装

エラーメッセージの取得

エラーコードの取得

例外情報の表示

カスタム例外クラスの使用例

ファイル操作におけるカスタム例外

ネットワーク接続におけるカスタム例外

データベース操作におけるカスタム例外

応用例：詳細なエラーメッセージ

詳細なエラーメッセージを提供するカスタム例外クラス

詳細なエラーメッセージの利点

デバッグの効率化

エラーの原因特定

コードのメンテナンス性向上

応用例：エラーログの記録

エラーログを記録するカスタム例外クラス

エラーログ記録の利点

エラーの追跡

監査とデバッグ

システムの安定性向上

演習問題：カスタム例外クラスの作成

演習1: 基本的なカスタム例外クラスの作成

課題

サンプルコード

演習2: 詳細なエラーメッセージを含むカスタム例外クラスの作成

課題

サンプルコード

演習3: ログ記録を含むカスタム例外クラスの作成

課題

サンプルコード

まとめ

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