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Java入門

Javaの例外処理(Exception)を完全解説！try-catchの基本から応用まで

トム

・都内自社開発IT企業勤務／javaのバックエンドエンジニア
／java歴10年以上 ・首都圏在住30代
・資格：基本情報技術者／応用情報技術者／Java Silver／Python3エンジニア認定基礎

私が新人プログラマーだった頃、NullPointerException というエラーに何度も遭遇しました。当時は原因が分からず、デバッグに多くの時間を費やしたものです。この経験から、安定したアプリケーション開発には Javaの例外処理 の深い理解が不可欠だと痛感しました。

10年以上Javaでの開発に携わる中で、数多くのエラーと向き合ってきた経験を基に、この記事を執筆しています。

この記事を読めば、Javaの例外処理 の基本から、try-catch 文の使い方、さらにはカスタム例外の作成やベストプラクティスまで網羅的に学べます。例外処理に自信が持てない方や、より堅牢なプログラムを目指す方の悩みを解決できる内容です。

Javaの例外処理：基本と実践

Javaにおけるプログラミングでは、エラーの発生を避けて通れません。Javaの例外処理 は、そのような予期せぬ事態に対応し、プログラムが突然停止するのを防ぐための重要な仕組みです。まずは、その基本的な考え方から見ていきましょう。

例外とは？なぜ必要なのか？

例外とは、プログラムの実行中に発生する「予期せぬ出来事」や「エラー」を指します。例えば、存在しないファイルを開こうとしたり、数値をゼロで割り算しようとしたりする場合に発生します。

もし例外処理がなければ、プログラムはエラーが発生した時点で強制的に終了してしまいます。これでは、ユーザーが入力していたデータが失われたり、システム全体が不安定になったりするかもしれません。

Javaの例外処理 を適切に行うことで、以下のことが可能になります。

  • プログラムの強制終了を防ぐ: エラーが発生しても、それを検知して代替処理を行い、プログラムの実行を継続させます。
  • エラーの原因を特定する: 発生した例外の種類やメッセージから、どこで何が問題だったのかを特定しやすくなります。
  • 安全な状態に復旧する: ファイルを閉じる、データベースの接続を元に戻すなど、エラー発生後もリソースを安全に解放できます。

システムの安定性と信頼性を高める上で、例外処理は不可欠な技術なのです。

例外の種類：Checked ExceptionとUnchecked Exception

Javaの例外は、大きく分けて2つの種類があります。それぞれの特徴を理解することが、適切な Javaの例外処理 を行う第一歩です。

Checked Exception

コンパイル時にJavaコンパイラがチェックする例外です。プログラマーに対して、try-catch 文で処理するか、throws 句で呼び出し元に処理を委ねることを強制します。

主に、プログラムの外部要因（ネットワーク、ファイルシステムなど）によって発生しうる、回復可能なエラーが該当します。

  • 代表的な例: IOException, SQLException, ClassNotFoundException

例えば、ファイルの読み込み処理を書く場合、そのファイルが存在しない可能性は常にあります。そのため、Javaは IOException に対する処理をコンパイルの段階で要求するのです。

Unchecked Exception (実行時例外)

コンパイル時にはチェックされず、プログラムの実行時に発生する例外です。RuntimeException クラスとそのサブクラスがこれに該当します。

主に、プログラマーのコーディングミスや設計上の問題といった、プログラム内部の論理的な誤りが原因で発生します。

  • 代表的な例: NullPointerException, ArrayIndexOutOfBoundsException, IllegalArgumentException

例えば、null のオブジェクトのメソッドを呼び出そうとすると NullPointerException が発生します。これは、例外処理で対応するよりも、コードを修正して null にならないように制御すべき問題です。そのため、コンパイラはこれらの例外処理を強制しません。

try-catch文の基本構文

Javaの例外処理 の最も基本的な構文が try-catch 文です。例外が発生する可能性のある処理を try ブロックで囲み、発生した例外を catch ブロックで捕捉して対応します。

try {
    // 例外が発生する可能性のある処理
    int[] numbers = {1, 2, 3};
    System.out.println(numbers[5]); // ArrayIndexOutOfBoundsExceptionが発生
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
    // 例外を捕捉したときの処理
    System.out.println("配列の範囲外にアクセスしました。");
    System.out.println("エラー詳細: " + e.getMessage());
}

System.out.println("プログラムは正常に処理を続けました。");

この例では、存在しない配列の5番目の要素にアクセスしようとして ArrayIndexOutOfBoundsException が発生します。しかし、catch ブロックでこの例外を捕捉しているため、プログラムは強制終了しません。代わりに、エラーメッセージを出力した後、後続の処理が実行されます。

例外処理の実践：try-catch-finally

try-catch 文に finally ブロックを追加することで、より柔軟で安全な Javaの例外処理 を実装できます。ここでは、各ブロックの役割を詳しく解説します。

tryブロック：例外が発生する可能性のあるコード

try ブロックには、例外を発生させる可能性のあるコードを記述します。ファイル操作、ネットワーク通信、データベース接続など、外部リソースを扱う処理が典型例です。

try {
    // データベースへの接続や、ファイルの読み込み処理など
    // この中で例外が発生すると、即座に実行が中断される
    int result = 100 / 0; // ArithmeticExceptionが発生
    System.out.println("この行は実行されません。");
} catch (ArithmeticException e) {
    // ... catchブロックの処理 ...
}

try ブロック内で例外が発生した瞬間、それ以降の処理は実行されません。Javaの実行環境は、発生した例外に対応する catch ブロックを探し始めます。

catchブロック：例外を捕捉して処理する

catch ブロックは、try ブロックで発生した例外を捕捉し、その後の対応を記述する場所です。catch の後の括弧 () には、捕捉したい例外のクラスを指定します。

複数の種類の例外に対応するために、catch ブロックを複数記述することも可能です。その際は、より具体的な例外クラス（サブクラス）から順に記述する必要があります。

try {
    // ... 例外が発生する可能性のある処理 ...
} catch (FileNotFoundException e) {
    System.out.println("指定されたファイルが見つかりません。");
} catch (IOException e) {
    System.out.println("ファイルの入出力エラーが発生しました。");
} catch (Exception e) {
    System.out.println("予期せぬエラーが発生しました。");
    e.printStackTrace(); // 開発時にエラーの詳細を確認するのに便利
}

catch ブロックの引数で受け取った例外オブジェクト (e) からは、getMessage() でエラーメッセージを、printStackTrace() でスタックトレース（メソッドの呼び出し履歴）を取得でき、デバッグに役立ちます。

注意点として、catch ブロックを空にすることは絶対に避けてください。 エラーが検知されずに見過ごされ、後の工程でより深刻な問題を引き起こす原因となります。

finallyブロック：必ず実行される処理

finally ブロックは、try ブロックで例外が発生したかどうかにかかわらず、必ず最後に実行される処理を記述する場所です。

この特性は、ファイルハンドルやデータベース接続といった、使用後に必ず解放しなければならないリソースの後処理に非常に役立ちます。

FileReader reader = null;
try {
    reader = new FileReader("sample.txt");
    // ... ファイルの読み込み処理 ...
} catch (IOException e) {
    System.out.println("ファイル処理中にエラーが発生しました。");
} finally {
    if (reader != null) {
        try {
            reader.close(); // ファイルを閉じる
            System.out.println("リソースを解放しました。");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

この例では、try ブロックで処理が成功しても、catch ブロックでエラーが捕捉されても、finally ブロックは必ず実行されます。これにより、reader オブジェクトが確実にクローズされ、リソースの解放漏れを防げます。

例外のスロー：throwとthrows

Javaの例外処理 は、例外を捕捉するだけではありません。自ら例外を発生させたり、メソッドの呼び出し元に処理を委ねたりすることも重要なテクニックです。

例外を意図的に発生させる：throw文

throw 文を使用すると、プログラマーが意図的に例外インスタンスを投げることができます。これは、メソッドの引数が不正である場合など、特定の条件を満たしたときにプログラムをエラー状態にしたい場合に使用します。

public void setAge(int age) {
    if (age < 0) {
        // 不正な値が設定されようとしたため、例外をスローする
        throw new IllegalArgumentException("年齢に負の値は設定できません。");
    }
    this.age = age;
}

このメソッドは、引数 age が負の値の場合に IllegalArgumentException をスローします。これにより、不正なデータが設定されるのを防ぎ、呼び出し元に問題を通知できます。

メソッドがスローする可能性のある例外：throws句

throws 句は、メソッドのシグネチャ（定義部分）に記述し、そのメソッドが処理せずに呼び出し元へ投げる可能性のある Checked Exception を宣言するものです。

// このメソッドはIOExceptionをスローする可能性があることを宣言
public void readFile(String filePath) throws IOException {
    FileReader reader = new FileReader(filePath);
    // ... 読み込み処理 ...
    reader.close();
}

readFile メソッドを呼び出す側は、IOException がスローされる可能性があることを認識しなければなりません。そのため、呼び出し側は try-catch で IOException を処理するか、さらに throws 句を使って自身の呼び出し元へ処理を委譲する必要があります。

このように throws 句は、例外処理の責任を呼び出し元に明示的に伝える役割を果たします。

例外の再スロー

catch ブロックで例外を一度捕捉した後、ログ出力などの処理を行い、再び同じ例外や別の例外を throw することを「例外の再スロー」と呼びます。

public void processData() throws MySystemException {
    try {
        // ... 何らかの処理 ...
    } catch (SQLException e) {
        // エラーログを記録する
        log.error("データベースアクセス中にエラーが発生しました。", e);
        
        // より上位のアプリケーション例外に変換して再スローする
        throw new MySystemException("システムエラーが発生しました。管理者に連絡してください。", e);
    }
}

このテクニックにより、下位レイヤーで発生した具体的な技術的例外（SQLException など）を、上位レイヤーで扱うための抽象的なアプリケーション例外（MySystemException など）に変換できます。これにより、システムの各層で関心事を分離し、コードの保守性を高める効果があります。

カスタム例外の作成

Javaが提供する既存の例外クラスだけでは、アプリケーション固有のエラー状況を十分に表現できない場合があります。そのような場合に、独自の例外クラス（カスタム例外）を作成します。

なぜカスタム例外が必要なのか？

カスタム例外を作成する主な理由は、エラーの原因をより明確に伝えるためです。

例えば、銀行システムで「残高不足」が発生した場合、IllegalArgumentException のような汎用的な例外で表現するよりも、InsufficientBalanceException という名前の独自の例外を定義した方が、コードを読む人にとってエラーの意味が格段に分かりやすくなります。

これにより、以下のようなメリットが生まれます。

  • 可読性の向上: 例外クラス名だけで、どのようなエラーかが直感的に理解できます。
  • 詳細なエラー情報: 独自のフィールドを追加して、残高や不足額などの詳細情報を例外に含められます。
  • 柔軟なエラーハンドリング: 例外の種類ごとに catch ブロックを分け、それぞれに特化したエラー処理を実装できます。

カスタム例外クラスの作成方法

カスタム例外クラスの作成は非常に簡単です。Exception クラス（Checked Exceptionの場合）または RuntimeException クラス（Unchecked Exceptionの場合）を継承するだけです。

一般的に、エラーメッセージを受け取るコンストラクタと、原因となった例外を受け取るコンストラクタを定義します。

// Checked Exceptionとしてカスタム例外を作成する例
public class InsufficientBalanceException extends Exception {
    
    // エラーメッセージを受け取るコンストラクタ
    public InsufficientBalanceException(String message) {
        super(message);
    }
    
    // エラーメッセージと原因となった例外を受け取るコンストラクタ
    public InsufficientBalanceException(String message, Throwable cause) {
        super(message, cause);
    }
}

アプリケーションのルールとして回復を試みるべきエラー（例：一時的なネットワークエラー）は Checked Exception、修正すべきバグに起因するエラー（例：不正なデータ）は Unchecked Exception として作成するのが一般的な設計指針です。

カスタム例外の利用例

作成したカスタム例外は、throw 文を使ってスローします。

public void withdraw(double amount) throws InsufficientBalanceException {
    if (this.balance < amount) {
        // 残高が足りない場合、カスタム例外をスローする
        throw new InsufficientBalanceException("残高が " + (amount - this.balance) + " 円不足しています。");
    }
    this.balance -= amount;
    System.out.println(amount + " 円を出金しました。");
}

// 呼び出し元の処理
try {
    account.withdraw(50,000);
} catch (InsufficientBalanceException e) {
    System.out.println("出金エラー: " + e.getMessage());
}

このようにカスタム例外を利用することで、アプリケーションの業務ロジックに沿った、分かりやすい Javaの例外処理 を実現できます。

例外処理のベストプラクティス

最後に、品質の高いコードを書くための Javaの例外処理 に関するベストプラクティスをいくつか紹介します。これらの指針を意識することで、より堅牢で保守性の高いアプリケーションを構築できます。

例外を適切に処理する

  • catch ブロックを空にしない: 前述の通り、エラーを握りつぶす行為は問題の発見を遅らせる最大の原因です。最低でもログに出力するなど、何らかの対応を必ず行います。
  • Exception で安易に捕捉しない: catch (Exception e) は、予期しない実行時例外まで捕捉してしまう可能性があります。可能な限り、IOException や SQLException のような、より具体的な例外クラスで捕捉するべきです。
  • 回復処理を検討する: 例外が発生したら、単にエラーメッセージを表示して終了するだけでなく、処理をリトライする、デフォルト値を返す、ユーザーに再入力を促すなど、アプリケーションを継続させるための回復処理を検討しましょう。

例外をログに出力する

エラーが発生した原因を調査する上で、ログは最も重要な情報源です。

  • ロギングフレームワークを利用する: e.printStackTrace() は、開発中のデバッグには便利ですが、コンソールに直接出力されるため、本番環境のログ管理には不向きです。SLF4JやLog4j2といった、標準的なロギングフレームワークの利用を強く推奨します。
  • 十分な情報を記録する: ログには、タイムスタンプ、エラーレベル（ERROR, WARNなど）、エラーメッセージ、そしてスタックトレースを含めるのが基本です。これにより、いつ、どこで、なぜエラーが発生したのかを後から追跡できます。
catch (SQLException e) {
    // ログレベルERRORで、スタックトレースを含めて例外情報を記録
    log.error("顧客データの取得に失敗しました。userID: {}", userID, e);
}

独自の例外処理戦略を立てる

プロジェクトやアプリケーション全体で、例外処理に関する一貫したルール（戦略）を立てることが重要です。

  • 例外の変換ルール: どの層で技術的例外（SQLException など）を捕捉し、どの層で業務的例外（カスタム例外）に変換するのかを決めます。
  • ログ出力のレベル: どのようなエラーを ERROR レベルで記録し、どのようなものを WARN レベルで記録するのか、基準を明確にします。
  • ユーザーへの通知方法: 例外が発生した際に、ユーザーにどのようなメッセージを表示するのか、画面遷移をどうするのか、といったUI/UXに関わる部分も設計に含めます。

これらの戦略をチームで共有し、コーディング規約として定めておくことで、アプリケーション全体の品質を均一に保ち、メンテナンス性を向上させられます。

Javaの例外処理 は、単なるエラー対応の技術ではありません。それは、予期せぬ事態に備え、システムの安定性と信頼性を確保するための、ソフトウェア設計における中心的な要素です。

try-catch-finally の基本構造をしっかりと理解し、throw や throws を用いて例外処理の責任を適切に分担します。そして、カスタム例外を活用してアプリケーション固有のエラーを明確に表現し、ログ出力や回復処理といったベストプラクティスを実践することが求められます。

これらの知識とテクニックを日々のコーディングで活用することで、あらゆる状況に耐えうる、高品質で堅牢なJavaアプリケーションを開発できるようになるでしょう。

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