例外處理的幕後真相
電腦程式可能不會犯錯，但人類會，而且總是犯錯。有些是故意的，有些是無心的，有些則是無法預期的狀況。不管是哪種情況，我們都需要一個機制來處理這些問題，這就是例外處理（Exception Handling）的用途。
大部份程式語言都有類似的設計，在 Python 是使用 try...except... 關鍵字來處理例外，如果對於在 Python 怎麼使用 try...except... 有興趣，可以參考「為你自己學 Python」的錯誤處理章節介紹。這個章節我們要來看看例外處理的幕後真相，也就是在 CPython 裡面例外處理是怎麼實作的。
例外處理
我們先來個簡單的：
try:
1 / 0 # 這行會出錯
print("Hello World")
except Exception as e:
print(f"出事了阿伯！ {e}")
執行上面這段程式，因為 1/0 會得到 ZeroDivisionError 例外，然後被 except 捕捉、處理。這是怎麼做到的？我們來看看這段程式碼編譯出來的 Bytecode 長什麼樣子，因為行數有點多，我就分段來說明：
2 4 LOAD_CONST 0 (1)
6 LOAD_CONST 1 (0)
8 BINARY_OP 11 (/)
12 POP_TOP
3 14 PUSH_NULL
16 LOAD_NAME 0 (print)
18 LOAD_CONST 2 ('Hello World')
20 CALL 1
28 POP_TOP
30 RETURN_CONST 4 (None)
>> 32 PUSH_EXC_INFO
// ... 略 ...
這段看起來滿簡單的，除了最後一行的 PUSH_EXC_INFO 之外沒有什麼新指令，不難看出就是在 try 區塊裡的那兩行程式碼。雖然我們知道在 BINARY_OP 指令做除法運算的時候應該要出錯，但那是執行時候的事，編譯 Bytecode 階段只是把這個指令編譯進去而已。除非是語法錯誤造成編譯失敗，不然編譯階段不會知道執行時候會不會或該不該出錯，直到 Python 的 VM 執行這段 Bytecode 才會知道。
堆堆堆堆疊
那麼 PUSH_EXC_INFO 指令在做什麼事？從名字看起來有點像是要把例外的資訊推到堆疊上，追一下原始碼：
inst(PUSH_EXC_INFO, (new_exc -- prev_exc, new_exc)) {
_PyErr_StackItem *exc_info = tstate->exc_info;
if (exc_info->exc_value != NULL) {
prev_exc = exc_info->exc_value;
}
else {
prev_exc = Py_None;
}
assert(PyExceptionInstance_Check(new_exc));
exc_info->exc_value = Py_NewRef(new_exc);
}
這個指令是把新的例外 new_exc 保存到當前執行緒的例外堆疊中 exc_info->exc_value。如果本來就有異常還沒處理就先把它拿出來放到 prev_exc 以備將來使用。
為什麼會有例外堆疊這種東西？因為在例外處理不是百分百都能把問題解決，萬一在 except 區塊處理到一半也是可以繼續出包，然後丟給下一個例外處理區塊，萬一又出包就繼續這樣一路疊下去，所以有這個堆疊好像也是合理。這個 _PyErr_StackItem 是什麼？我們來看看這個結構：
typedef struct _err_stackitem {
PyObject *exc_value;
struct _err_stackitem *previous_item;
} _PyErr_StackItem;
這裡可以看到除了剛才看到的 exc_value 成員之外，還有另一個成員 previous_item 指向前一個例外堆疊，這樣就可以把例外堆疊串起來，讓我們可以在例外處理的時候一層一層的處理。
例外表
原本應該是繼續往下看，不過這裡有一些「變化」，我先拉到 Bytecode 最下面，看一個之前沒看過的 ExceptionTable：
ExceptionTable:
4 to 28 -> 32 [0]
32 to 40 -> 84 [1] lasti
42 to 62 -> 74 [1] lasti
74 to 82 -> 84 [1] lasti
雖然沒看過，不過意思還算滿容易理解的，4 to 28 -> 32 [0] 表示從 Bytecode 的第 4 行到第 28 行之間的指令出錯的話，就跳到第 32 行指令。同理，其它三行也都是差不多的意思。而在 32 [0]、74 [1] 以及 84[1] 後面看起來像是索引值的是指不同的例外處理，例如在同一個 try 可能會接好幾種 except，這樣就可以知道是哪一個例外處理區塊要處理這個例外。
傳送門
而在第 32 行的 PUSH_EXC_INFO、第 74 行的 LOAD_CONST 以及第 84 行的 COPY 指令前面都有個 >> 標記，其實 82 行的 RERAISE 也有，但這個晚點再說。這個 >> 標記的意思是指這是一個「傳送門」，以我們上面的範例來說是一個例外處理區塊的開始。不只是只有 try...except... 會有 >> 標記，一般的 if...else... 也會有，例如：
a = 100
if a > 0:
print("正數")
else:
print("負數")
編譯出來的 Bytecode 會像這樣：
// ... 略 ...
2 6 LOAD_NAME 0 (a)
8 LOAD_CONST 1 (0)
10 COMPARE_OP 68 (>)
14 POP_JUMP_IF_FALSE 9 (to 34)
// ... 略 ...
5 >> 34 PUSH_NULL
36 LOAD_NAME 1 (print)
38 LOAD_CONST 3 ('負數')
40 CALL 1
// ... 略 ...
會根據計算結果「跳轉」到不同的指令。有點離題了，回來原本的主題。
比對例外種類
我們現在知道 BINARY_OP 指令在執行的時候會出錯，根據 ExceptionTable 知道該跳轉到第 32 行，然後把例外堆到例外堆疊裡後，就會繼續往下執行：
4 34 LOAD_NAME 1 (Exception)
36 CHECK_EXC_MATCH
38 POP_JUMP_IF_FALSE 21 (to 82)
40 STORE_NAME 2 (e)
這時候已經進到 except 區塊了，先看看這個沒看過的 CHECK_EXC_MATCH 指令：
inst(CHECK_EXC_MATCH, (left, right -- left, b)) {
assert(PyExceptionInstance_Check(left));
if (check_except_type_valid(tstate, right) < 0) {
DECREF_INPUTS();
ERROR_IF(true, error);
}
int res = PyErr_GivenExceptionMatches(left, right);
DECREF_INPUTS();
b = res ? Py_True : Py_False;
}
在這裡的 left 指的是捕獲的例外實體，以這個例子來說是會是 ZeroDivisionError 類別的實體。right 指的是想要捕獲的例外，以我們的範例來說就是 Exception。在這個指令裡會比對 left 是不是一種 right，如果是就會回傳 Py_True，否則回傳 Py_False，這剛好就對應到 Python 的 True 跟 False。另外，left 還是留在堆疊上，等下一個指令使用。
通常教課書上（包括我寫的書也是）都會教你處理例外應該要精準的抓到是什麼類型的例外，應該要寫成 except ZeroDivisionError as e: 比較好，但我在這個範例偷懶沒這麼做，所以這裡的 left 會是當前的例外值也就是 ZeroDivisionError，right 是 e，這兩個比對之後
，經過判斷之後，b 應該會是 Py_True，也就是 Python 裡的 True
是說，算這個真假值可以做什麼？下一個指令 POP_JUMP_IF_FALSE 21 光看名字不用看實作大概就能猜到是什麼意思了：
inst(POP_JUMP_IF_FALSE, (cond -- )) {
if (Py_IsFalse(cond)) {
JUMPBY(oparg);
}
else if (!Py_IsTrue(cond)) {
int err = PyObject_IsTrue(cond);
DECREF_INPUTS();
if (err == 0) {
JUMPBY(oparg);
}
else {
ERROR_IF(err < 0, error);
}
}
}
因為剛才我們算出來的是 False，所以會跳到指定的指令，以這裡的範例是 RERAISE 0。這個指令是用來重新拋出例外的，這樣就可以讓下一個例外處理區塊繼續處理這個例外。不過因為我們算出來 True，所以繼續往下走，把剛才的 CHECK_EXC_MATCH 指令裡的 left 存在變數 e 裡。
面對它、處理它
繼續往下：
5 42 PUSH_NULL
44 LOAD_NAME 0 (print)
46 LOAD_CONST 3 ('出事了阿伯！ ')
48 LOAD_NAME 2 (e)
50 FORMAT_VALUE 0
52 BUILD_STRING 2
54 CALL 1
62 POP_TOP
64 POP_EXCEPT
66 LOAD_CONST 4 (None)
68 STORE_NAME 2 (e)
70 DELETE_NAME 2 (e)
72 RETURN_CONST 4 (None)
>> 74 LOAD_CONST 4 (None)
這段指令上半部是在組裝字串，這裡有個我們沒看過的指令 POP_EXCEPT：
inst(POP_EXCEPT, (exc_value -- )) {
_PyErr_StackItem *exc_info = tstate->exc_info;
Py_XSETREF(exc_info->exc_value, exc_value);
}
這兩行還滿單純的，就是取得目前執行緒的例外堆疊，然後把 exc_value 定為剛剛處理完的例外值。Py_XSETREF 這個巨集會把新的 exc_value 設定給 exc_info->exc_value，然後放掉原本的 exc_value。以結果來說，就是把例外堆疊裡面的例外值換成剛剛處理完的例外值，等於是把最上層的例外拿掉，讓下一個例外處理區塊可以處理（如果有的話）。
一個 try...except... 的實作流程差不多大概就是這樣，不算太複雜...吧 :)
終於！
我再把原本的範例再加上一個 finally 區塊：
try:
1 / 0 # 這行會出錯
print("Hello World")
except Exception as e:
print(f"出事了阿伯！ {e}")
finally:
print("鐵人賽完賽啦！就是要為你自己學 Python！")
在 Python 裡的 finally 區塊是一定會執行的，不管有沒有例外都會執行。來看看目前的 Bytecode 有什麼變化。同樣也是因為行數較多，我只列出看起來跟原本差異比較大的部份：
2 4 LOAD_CONST 0 (1)
6 LOAD_CONST 1 (0)
8 BINARY_OP 11 (/)
12 POP_TOP
3 14 PUSH_NULL
16 LOAD_NAME 0 (print)
18 LOAD_CONST 2 ('Hello World')
20 CALL 1
28 POP_TOP
7 >> 30 PUSH_NULL
32 LOAD_NAME 0 (print)
34 LOAD_CONST 5 ('鐵人賽完賽啦！就是要為你自己學 Python！')
36 CALL 1
44 POP_TOP
46 RETURN_CONST 4 (None)
>> 48 PUSH_EXC_INFO
這裡基本上都差不多，連 finally 的區塊也都一起在這裡，不過在第 30 個 Bytecode 前面多了一個 >> 標記，至這個標記的位置並不在 ExceptionTable 裡，這是因為 finally 區塊是一定會執行的，所以不會也不需要在 ExceptionTable 進行跳轉。
繼續往下看：
5 58 PUSH_NULL
60 LOAD_NAME 0 (print)
62 LOAD_CONST 3 ('出事了阿伯！ ')
64 LOAD_NAME 2 (e)
66 FORMAT_VALUE 0
68 BUILD_STRING 2
70 CALL 1
78 POP_TOP
80 POP_EXCEPT
82 LOAD_CONST 4 (None)
84 STORE_NAME 2 (e)
86 DELETE_NAME 2 (e)
88 JUMP_BACKWARD 30 (to 30)
>> 90 LOAD_CONST 4 (None)
這裡只有 JUMP_BACKWARD 指令是新的，這個指令是用來跳回到指定的指令，這裡是跳回到第 30 行，正好也就是 finally 區塊的開始。這樣一來，不管有沒有發生例外，finally 區塊都會執行。