介绍C++ 异常机制的底层原理与实际应用

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gaosmile 发布时间：2020-11-19 20:47

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【导读】：我们在对 vector 做 push 操作的时候，或者对某个指针做 new 操作的时候，如果没有做异常处理，一旦系统内存不够用了，程序是会被 terminate 掉的。这就要求我们熟悉 C++ 异常，保证日常开发中能正确处理它。本文主要介绍C++ 异常机制的底层原理与实际应用，通俗易懂，快来读一读吧。

以下是正文

C++异常机制概述

异常处理是C++的一项语言机制，用于在程序中处理异常事件。异常事件在 C++ 中表示为异常对象。
异常事件发生时，程序使用throw关键字抛出异常表达式，抛出点称为异常出现点，由操作系统为程序设置当前异常对象，然后执行程序的当前异常处理代码块，在包含了异常出现点的最内层的 try 块，依次匹配catch语句中的异常对象（只进行类型匹配，catch参数有时在 catch 语句中并不会使用到）。若匹配成功，则执行 catch 块内的异常处理语句，然后接着执行 try...catch... 块之后的代码。如果在当前的 try...catch... 块内找不到匹配该异常对象的catch语句,则由更外层的 try...catch... 块来处理该异常；如果当前函数内所有的 try...catch... 块都不能匹配该异常，则递归回退到调用栈的上一层去处理该异常。如果一直退到主函数 main() 都不能处理该异常，则调用系统函数 terminate() 终止程序。

一个最简单的 try...catch... 的例子如下所示。我们有个程序用来记班级学生考试成绩，考试成绩分数的范围在 0-100 之间，不在此范围内视为数据异常：

int main()
{
int score=0;
while (cin >> score)
{
try
{
if (score > 100 || score < 0)
{
throw score;
}
//将分数写入文件或进行其他操作
}
catch (int score)
{
cerr << "你输入的分数数值有问题，请重新输入！";
continue;
}
}
}

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throw 关键字
在上面这个示例中，throw 是个关键字，与抛出表达式构成了 throw 语句。其语法为：

throw 表达式;

throw 语句必须包含在 try 块中，也可以是被包含在调用栈的外层函数的 try 块中，如：

//示例代码：throw包含在外层函数的try块中
void registerScore(int score)
{
if (score > 100 || score < 0)
throw score; //throw语句被包含在外层main的try语句块中
//将分数写入文件或进行其他操作
}
int main()
{
int score=0;
while (cin >> score)
{
try
{
registerScore(score);
}
catch (int score)
{
cerr << "你输入的分数数值有问题，请重新输入！";
continue;
}
}
}

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执行 throw 语句时，throw 表达式将作为对象被复制构造为一个新的对象，称为异常对象。异常对象放在内存的特殊位置，该位置既不是栈也不是堆，在 window 上是放在线程信息块 TIB 中。这个构造出来的新对象与本级的 try 所对应的 catch 语句进行类型匹配，类型匹配的原则在下面介绍。

在本例中，依据 score 构造出来的对象类型为 int，与 catch(int score) 匹配上，程序控制权转交到 catch 的语句块，进行异常处理代码的执行。如果在本函数内与 catch 语句的类型匹配不成功，则在调用栈的外层函数继续匹配，如此递归执行直到匹配上 catch 语句，或者直到 main 函数都没匹配上而调用系统函数 terminate() 终止程序。
当执行一个 throw 语句时，跟在 throw 语句之后的语句将不再被执行，throw 语句的语法有点类似于 return，因此导致在调用栈上的函数可能提早退出。

异常对象
异常对象是一种特殊的对象，编译器依据异常抛出表达式复制构造异常对象，这要求抛出异常表达式不能是一个不完全类型（一个类型在声明之后定义之前为一个不完全类型。不完全类型意味着该类型没有完整的数据与操作描述），而且可以进行复制构造，这就要求异常抛出表达式的复制构造函数（或移动构造函数）、析构函数不能是私有的。
异常对象不同于函数的局部对象，局部对象在函数调用结束后就被自动销毁，而异常对象将驻留在所有可能被激活的 catch 语句都能访问到的内存空间中，也即上文所说的 TIB。当异常对象与 catch 语句成功匹配上后，在该 catch 语句的结束处被自动析构。在函数中返回局部变量的引用或指针几乎肯定会造成错误，同样的道理，在 throw 语句中抛出局部变量的指针或引用也几乎是错误的行为。如果指针所指向的变量在执行 catch 语句时已经被销毁，对指针进行解引用将发生意想不到的后果。throw 出一个表达式时，该表达式的静态编译类型将决定异常对象的类型。所以当 throw 出的是基类指针的解引用，而该指针所指向的实际对象是派生类对象，此时将发生派生类对象切割。除了抛出用户自定义的类型外，C++ 标准库定义了一组类，用户报告标准库函数遇到的问题。这些标准库异常类只定义了几种运算，包括创建或拷贝异常类型对象，以及为异常类型的对象赋值。[td]

标准异常类	描述	头文件
exception	最通用的异常类，只报告异常的发生而不提供任何额外的信息	exception
runtime_error	只有在运行时才能检测出的错误	stdexcept
rang_error	运行时错误：产生了超出有意义值域范围的结果	stdexcept
overflow_error	运行时错误：计算上溢	stdexcept
underflow_error	运行时错误：计算下溢	stdexcept
logic_error	程序逻辑错误	stdexcept
domain_error	逻辑错误：参数对应的结果值不存在	stdexcept
invalid_argument	逻辑错误：无效参数	stdexcept
length_error	逻辑错误：试图创建一个超出该类型最大长度的对象	stdexcept
out_of_range	逻辑错误：使用一个超出有效范围的值	stdexcept
bad_alloc	内存动态分配错误	new
bad_cast	dynamic_cast类型转换出错	type_info

catch 关键字
catch语句匹配被抛出的异常对象。如果 catch 语句的参数是引用类型，则该参数可直接作用于异常对象，即参数的改变也会改变异常对象，而且在 catch 中重新抛出异常时会继续传递这种改变。如果 catch 参数是传值的，则复制构函数将依据异常对象来构造catch 参数对象。在该 catch 语句结束的时候，先析构 catch 参数对象，然后再析构异常对象。
在进行异常对象的匹配时，编译器不会做任何的隐式类型转换或类型提升。除了以下几种情况外，异常对象的类型必须与 catch 语句的声明类型完全匹配：

允许从非常量到常量的类型转换。
允许派生类到基类的类型转换。
数组被转换成指向数组（元素）类型的指针。
函数被转换成指向函数类型的指针。

寻找 catch 语句的过程中，匹配上的未必是类型完全匹配那项，而在是最靠前的第一个匹配上的 catch 语句（我称它为最先匹配原则）。所以，派生类的处理代码 catch 语句应该放在基类的处理 catch 语句之前，否则先匹配上的总是参数类型为基类的 catch 语句，而能够精确匹配的 catch 语句却不能够被匹配上。在 catch 块中，如果在当前函数内无法解决异常，可以继续向外层抛出异常，让外层catch 异常处理块接着处理。此时可以使用不带表达式的 throw 语句将捕获的异常重新抛出：

catch(type x)
{
//做了一部分处理
throw;
}

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被重新抛出的异常对象为保存在 TIB 中的那个异常对象，与 catch 的参数对象没有关系，若 catch 参数对象是引用类型，可能在 catch 语句内已经对异常对象进行了修改，那么重新抛出的是修改后的异常对象；若catch参数对象是非引用类型，则重新抛出的异常对象并没有受到修改。
使用 catch(...){} 可以捕获所有类型的异常，根据最先匹配原则，catch(...){} 应该放在所有 catch 语句的最后面，否则无法让其他可以精确匹配的 catch 语句得到匹配。通常在catch(...){} 语句中执行当前可以做的处理，然后再重新抛出异常。注意，catch 中重新抛出的异常只能被外层的 catch 语句捕获。

栈展开、RAII
其实栈展开已经在前面说过，就是从异常抛出点一路向外层函数寻找匹配的 catch 语句的过程，寻找结束于某个匹配的 catch 语句或标准库函数 terminate。这里重点要说的是栈展开过程中对局部变量的销毁问题。我们知道，在函数调用结束时，函数的局部变量会被系统自动销毁，类似的，throw 可能会导致调用链上的语句块提前退出，此时，语句块中的局部变量将按照构成生成顺序的逆序，依次调用析构函数进行对象的销毁。例如下面这个例子：

//一个没有任何意义的类
class A
{
public:
A() :a(0){ cout << "A默认构造函数" << endl; }
A(const A& rsh){ cout << "A复制构造函数" << endl; }
~A(){ cout << "A析构函数" << endl; }
private:
int a;
};
int main()
{
try
{
A a ;
throw a;
}
catch (A a)
{
;
}
return 0;
}

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程序将输出：

定义变量 a 时调用了默认构造函数，使用 a 初始化异常变量时调用了复制构造函数，使用异常变量复制构造 catch 参数对象时同样调用了复制构造函数。三个构造对应三个析构，也即 try 语句块中局部变量 a 自动被析构了。然而，如果 a 是在自由存储区上分配的内存时：

int main()
{
try
{
A * a= new A;
throw *a;
}
catch (A a)
{
;
}
getchar();
return 0;
}

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程序运行结果：

同样的三次构造，却只调用了两次的析构函数！说明 a 的内存在发生异常时并没有被释放掉，发生了内存泄漏。
RAII机制有助于解决这个问题，RAII（Resource acquisition is initialization，资源获取即初始化）。它的思想是以对象管理资源。为了更为方便、鲁棒地释放已获取的资源，避免资源死锁，一个办法是把资源数据用对象封装起来。程序发生异常，执行栈展开时，封装了资源的对象会被自动调用其析构函数以释放资源。C++ 中的智能指针便符合RAII。关于这个问题详细可以看《Effective C++》条款13.异常机制与构造函数
异常机制的一个合理的使用是在构造函数中。构造函数没有返回值，所以应该使用异常机制来报告发生的问题。更重要的是，构造函数抛出异常表明构造函数还没有执行完，其对应的析构函数不会自动被调用，因此析构函数应该先析构所有所有已初始化的基对象，成员对象，再抛出异常。
C++ 类构造函数初始化列表的异常机制，称为 function-try block。一般形式为：

myClass::myClass(type1 pa1)
try: _myClass_val (初始化值)
{
/*构造函数的函数体 */
}
catch ( exception& err )
{
/* 构造函数的异常处理部分 */
};

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异常机制与析构函数
C++ 不禁止析构函数向外界抛出异常，但析构函数被期望不向外界函数抛出异常。析构函数中向函数外抛出异常，将直接调用 terminator() 系统函数终止程序。如果一个析构函数内部抛出了异常，就应该在析构函数的内部捕获并处理该异常，不能让异常被抛出析构函数之外。可以如此处理：

若析构函数抛出异常，调用 std::abort() 来终止程序。
在析构函数中 catch 捕获异常并作处理。

关于具体细节，有兴趣可以看《Effective C++》条款08：别让异常逃离析构函数。noexcept修饰符与noexcept操作符
noexcept 修饰符是 C++11 新提供的异常说明符，用于声明一个函数不会抛出异常。编译器能够针对不抛出异常的函数进行优化，另一个显而易见的好处是你明确了某个函数不会抛出异常，别人调用你的函数时就知道不用针对这个函数进行异常捕获。在 C++98中关于异常处理的程序中你可能会看到这样的代码：

void func() throw(int ,double ) {...}
void func() throw(){...}

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这是 throw 作为函数异常说明，前者表示 func（）这个函数可能会抛出 int 或 double 类型的异常，后者表示 func() 函数不会抛出异常。事实上前者很少被使用，在 C++11 这种做法已经被摒弃，而后者则被 C++11 的 noexcept 异常声明所代替：

void func() noexcept {...}
//等价于void func() throw(){...}

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在 C++11 中，编译器并不会在编译期检查函数的 noexcept 声明，因此，被声明为noexcept 的函数若携带异常抛出语句还是可以通过编译的。在函数运行时若抛出了异常，编译器可以选择直接调用 terminate() 函数来终结程序的运行，因此，noexcept 的一个作用是阻止异常的传播,提高安全性.
上面一点提到了，我们不能让异常逃出析构函数，因为那将导致程序的不明确行为或直接终止程序。实际上出于安全的考虑，C++11 标准中让类的析构函数默认也是 noexcept 的。同样是为了安全性的考虑，经常被析构函数用于释放资源的 delete 函数，C++11 也默认将其设置为 noexcept。
noexcept也可以接受一个常量表达式作为参数，例如：

void func() noexcept(常量表达式);

常量表达式的结果会被转换成 bool 类型，noexcept(bool) 表示函数不会抛出异常，noexcept(false) 则表示函数有可能会抛出异常。故若你想更改析构函数默认的 noexcept声明，可以显式地加上 noexcept(false) 声明，但这并不会带给你什么好处。
异常处理的性能分析
异常处理机制的主要环节是运行期类型检查。当抛出一个异常时，必须确定异常是不是从 try 块中抛出。异常处理机制为了完善异常和它的处理器之间的匹配，需要存储每个异常对象的类型信息以及 catch 语句的额外信息。由于异常对象可以是任何类型（如用户自定义类型），并且也可以是多态的，获取其动态类型必须要使用运行时类型检查（RTTI），此外还需要运行期代码信息和关于每个函数的结构。
当异常抛出点所在函数无法解决异常时，异常对象沿着调用链被传递出去，程序的控制权也发生了转移。转移的过程中为了将异常对象的信息携带到程序执行处（如对异常对象的复制构造或者 catch 参数的析构），在时间和空间上都要付出一定的代价，本身也有不安全性，特别是异常对象是个复杂的类的时候。
异常处理技术在不同平台以及编译器下的实现方式都不同，但都会给程序增加额外的负担，当异常处理被关闭时，额外的数据结构、查找表、一些附加的代码都不会被生成，正是因为如此，对于明确不抛出异常的函数，我们需要使用 noexcept 进行声明。

关于C++异常机制，欢迎在评论中和我探讨。