C++異常機(jī)制概述

時間：2020-11-20 10:50:57

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[導(dǎo)讀]我們在對 vector 做 push 操作的時候，或者對某個指針做 new 操作的時候，如果沒有做異常處理，一旦系統(tǒng)內(nèi)存不夠用了，程序是會被 terminate 掉的。這就要求我們熟悉 C++ 異常，保證日常開發(fā)中能正確處理它。本文主要介紹C++ 異常機(jī)制的底層原理與實(shí)際應(yīng)用，通俗易懂，快來讀一讀吧。

(給C語言與CPP編程加星標(biāo)，提升C/C++技能)

作者：melonstreet ?整理：cpp開發(fā)者

出處：https://www.cnblogs.com/QG-whz/

【導(dǎo)讀】：我們在對 vector 做 push 操作的時候，或者對某個指針做 new 操作的時候，如果沒有做異常處理，一旦系統(tǒng)內(nèi)存不夠用了，程序是會被 terminate 掉的。這就要求我們熟悉 C++ 異常，保證日常開發(fā)中能正確處理它。本文主要介紹C++ 異常機(jī)制的底層原理與實(shí)際應(yīng)用，通俗易懂，快來讀一讀吧。

以下是正文

C++異常機(jī)制概述

異常處理是C++的一項(xiàng)語言機(jī)制，用于在程序中處理異常事件。異常事件在 C++ 中表示為 異常對象 。

異常事件發(fā)生時，程序使用throw關(guān)鍵字拋出異常表達(dá)式，拋出點(diǎn)稱為異常出現(xiàn)點(diǎn)，由操作系統(tǒng)為程序設(shè)置當(dāng)前異常對象，然后執(zhí)行程序的當(dāng)前異常處理代碼塊，在包含了異常出現(xiàn)點(diǎn)的最內(nèi)層的? try? 塊，依次匹配catch語句中的異常對象（只進(jìn)行類型匹配，catch參數(shù)有時在 catch 語句中并不會使用到）。若匹配成功，則執(zhí)行 catch 塊內(nèi)的異常處理語句，然后接著執(zhí)行? try...catch...? 塊之后的代碼。如果在當(dāng)前的 try...catch... 塊內(nèi)找不到匹配該異常對象的catch語句,則由更外層的 try...catch... 塊來處理該異常；如果當(dāng)前函數(shù)內(nèi)所有的 try...catch... 塊都不能匹配該異常，則遞歸回退到調(diào)用棧的上一層去處理該異常。如果一直退到主函數(shù) main() 都不能處理該異常，則調(diào)用系統(tǒng)函數(shù) terminate() 終止程序。

一個最簡單的 try...catch... 的例子如下所示。我們有個程序用來記班級學(xué)生考試成績，考試成績分?jǐn)?shù)的范圍在 0-100 之間，不在此范圍內(nèi)視為數(shù)據(jù)異常：

int main(){ int score=0; while (cin >> score) { try { if (score > 100 || score < 0) { throw score; } //將分?jǐn)?shù)寫入文件或進(jìn)行其他操作 } catch (int score) { cerr << "你輸入的分?jǐn)?shù)數(shù)值有問題，請重新輸入！"; continue; } }}

throw 關(guān)鍵字

在上面這個示例中， throw? 是個關(guān)鍵字，與拋出表達(dá)式構(gòu)成了 throw 語句。其語法為：

throw 表達(dá)式;

throw 語句必須包含在 try 塊中，也可以是被包含在調(diào)用棧的外層函數(shù)的 try 塊中，如：

//示例代碼：throw包含在外層函數(shù)的try塊中void registerScore(int score){ if (score > 100 || score < 0) throw score; //throw語句被包含在外層main的try語句塊中 //將分?jǐn)?shù)寫入文件或進(jìn)行其他操作}int main(){ int score=0; while (cin >> score) { try { registerScore(score); } catch (int score) { cerr << "你輸入的分?jǐn)?shù)數(shù)值有問題，請重新輸入！"; continue; } }}

執(zhí)行 throw 語句時，throw 表達(dá)式將作為對象被復(fù)制構(gòu)造為一個新的對象，稱為異常對象。異常對象放在內(nèi)存的特殊位置，該位置既不是棧也不是堆，在 window 上是放在線程信息塊 TIB 中。這個構(gòu)造出來的新對象與本級的 try 所對應(yīng)的 catch 語句進(jìn)行 類型匹配 ，類型匹配的原則在下面介紹。

在本例中，依據(jù) score 構(gòu)造出來的對象類型為 int，與 catch(int score) 匹配上，程序控制權(quán)轉(zhuǎn)交到 catch 的語句塊，進(jìn)行異常處理代碼的執(zhí)行。如果在本函數(shù)內(nèi)與 catch 語句的類型匹配不成功，則在調(diào)用棧的外層函數(shù)繼續(xù)匹配，如此遞歸執(zhí)行直到匹配上 catch 語句，或者直到 main 函數(shù)都沒匹配上而調(diào)用系統(tǒng)函數(shù) terminate() 終止程序。

當(dāng)執(zhí)行一個 throw 語句時，跟在 throw 語句之后的語句將不再被執(zhí)行，throw 語句的語法有點(diǎn)類似于 return，因此導(dǎo)致在調(diào)用棧上的函數(shù)可能提早退出。

異常對象

異常對象是一種特殊的對象，編譯器依據(jù)異常拋出表達(dá)式復(fù)制構(gòu)造異常對象，這要求拋出異常表達(dá)式不能是一個不完全類型（一個類型在聲明之后定義之前為一個不完全類型。不完全類型意味著該類型沒有完整的數(shù)據(jù)與操作描述），而且可以進(jìn)行復(fù)制構(gòu)造，這就要求異常拋出表達(dá)式的復(fù)制構(gòu)造函數(shù)（或移動構(gòu)造函數(shù)）、析構(gòu)函數(shù)不能是私有的。

異常對象不同于函數(shù)的局部對象，局部對象在函數(shù)調(diào)用結(jié)束后就被自動銷毀，而異常對象將駐留在所有可能被激活的 catch 語句都能訪問到的內(nèi)存空間中，也即上文所說的 TIB。當(dāng)異常對象與 catch 語句成功匹配上后，在該 catch 語句的結(jié)束處被自動析構(gòu)。

在函數(shù)中返回局部變量的引用或指針幾乎肯定會造成錯誤，同樣的道理，在 throw 語句中拋出局部變量的指針或引用也幾乎是錯誤的行為。如果指針?biāo)赶虻淖兞吭趫?zhí)行 catch 語句時已經(jīng)被銷毀，對指針進(jìn)行解引用將發(fā)生意想不到的后果。

throw 出一個表達(dá)式時，該表達(dá)式的靜態(tài)編譯類型將決定異常對象的類型。所以當(dāng) throw 出的是基類指針的解引用，而該指針?biāo)赶虻膶?shí)際對象是派生類對象，此時將發(fā)生派生類對象切割。

除了拋出用戶自定義的類型外，C++ 標(biāo)準(zhǔn)庫定義了一組類，用戶報告標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)遇到的問題。這些標(biāo)準(zhǔn)庫異常類只定義了幾種運(yùn)算，包括創(chuàng)建或拷貝異常類型對象，以及為異常類型的對象賦值。

標(biāo)準(zhǔn)異常類	描述	頭文件
exception	最通用的異常類，只報告異常的發(fā)生而不提供任何額外的信息	exception
runtime_error	只有在運(yùn)行時才能檢測出的錯誤	stdexcept
rang_error	運(yùn)行時錯誤：產(chǎn)生了超出有意義值域范圍的結(jié)果	stdexcept
overflow_error	運(yùn)行時錯誤：計(jì)算上溢	stdexcept
underflow_error	運(yùn)行時錯誤：計(jì)算下溢	stdexcept
logic_error	程序邏輯錯誤	stdexcept
domain_error	邏輯錯誤：參數(shù)對應(yīng)的結(jié)果值不存在	stdexcept
invalid_argument	邏輯錯誤：無效參數(shù)	stdexcept
length_error	邏輯錯誤：試圖創(chuàng)建一個超出該類型最大長度的對象	stdexcept
out_of_range	邏輯錯誤：使用一個超出有效范圍的值	stdexcept
bad_alloc	內(nèi)存動態(tài)分配錯誤	new
bad_cast	dynamic_cast類型轉(zhuǎn)換出錯	type_info

catch 關(guān)鍵字

catch語句匹配被拋出的異常對象。如果 catch 語句的參數(shù)是引用類型，則該參數(shù)可直接作用于異常對象，即參數(shù)的改變也會改變異常對象，而且在 catch 中重新拋出異常時會繼續(xù)傳遞這種改變。如果 catch 參數(shù)是傳值的，則復(fù)制構(gòu)函數(shù)將依據(jù)異常對象來構(gòu)造catch 參數(shù)對象。在該 catch 語句結(jié)束的時候，先析構(gòu) catch 參數(shù)對象，然后再析構(gòu)異常對象。

在進(jìn)行異常對象的匹配時，編譯器不會做任何的隱式類型轉(zhuǎn)換或類型提升。除了以下幾種情況外，異常對象的類型必須與 catch 語句的聲明類型完全匹配：

允許從非常量到常量的類型轉(zhuǎn)換。
允許派生類到基類的類型轉(zhuǎn)換。
數(shù)組被轉(zhuǎn)換成指向數(shù)組（元素）類型的指針。
函數(shù)被轉(zhuǎn)換成指向函數(shù)類型的指針。

尋找 catch 語句的過程中，匹配上的未必是類型完全匹配那項(xiàng)，而在是最靠前的第一個匹配上的 catch 語句（我稱它為最先匹配原則）。所以，派生類的處理代碼 catch 語句應(yīng)該放在基類的處理 catch 語句之前，否則先匹配上的總是參數(shù)類型為基類的 catch 語句，而能夠精確匹配的 catch 語句卻不能夠被匹配上。

在 catch 塊中，如果在當(dāng)前函數(shù)內(nèi)無法解決異常，可以繼續(xù)向外層拋出異常，讓外層catch 異常處理塊接著處理。此時可以使用不帶表達(dá)式的 throw 語句將捕獲的異常重新拋出：

catch(type x){ //做了一部分處理 throw;}

被重新拋出的異常對象為保存在 TIB 中的那個異常對象，與 catch 的參數(shù)對象沒有關(guān)系，若 catch 參數(shù)對象是引用類型，可能在 catch 語句內(nèi)已經(jīng)對異常對象進(jìn)行了修改，那么重新拋出的是修改后的異常對象；若catch參數(shù)對象是非引用類型，則重新拋出的異常對象并沒有受到修改。

使用 catch(...){} 可以捕獲所有類型的異常，根據(jù)最先匹配原則，catch(...){} 應(yīng)該放在所有 catch 語句的最后面，否則無法讓其他可以精確匹配的 catch 語句得到匹配。通常在catch(...){} 語句中執(zhí)行當(dāng)前可以做的處理，然后再重新拋出異常。注意，catch 中重新拋出的異常只能被外層的 catch 語句捕獲。

棧展開、RAII

其實(shí)棧展開已經(jīng)在前面說過，就是從異常拋出點(diǎn)一路向外層函數(shù)尋找匹配的 catch 語句的過程，尋找結(jié)束于某個匹配的 catch 語句或標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù) terminate。這里重點(diǎn)要說的是棧展開過程中對局部變量的銷毀問題。我們知道，在函數(shù)調(diào)用結(jié)束時，函數(shù)的局部變量會被系統(tǒng)自動銷毀，類似的，throw 可能會導(dǎo)致調(diào)用鏈上的語句塊提前退出，此時，語句塊中的局部變量將按照構(gòu)成生成順序的逆序，依次調(diào)用析構(gòu)函數(shù)進(jìn)行對象的銷毀。例如下面這個例子：

//一個沒有任何意義的類class A{public: A() :a(0){ cout << "A默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)" << endl; } A(const A& rsh){ cout << "A復(fù)制構(gòu)造函數(shù)" << endl; } ~A(){ cout << "A析構(gòu)函數(shù)" << endl; }private: int a;};int main(){ try { A a ; throw a; } catch (A a) { ; } return 0;}

程序?qū)⑤敵觯?/p>

定義變量 a 時調(diào)用了默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，使用 a 初始化異常變量時調(diào)用了復(fù)制構(gòu)造函數(shù)，使用異常變量復(fù)制構(gòu)造 catch 參數(shù)對象時同樣調(diào)用了復(fù)制構(gòu)造函數(shù)。三個構(gòu)造對應(yīng)三個析構(gòu)，也即 try 語句塊中局部變量 a 自動被析構(gòu)了。然而，如果 a 是在自由存儲區(qū)上分配的內(nèi)存時：

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

程序運(yùn)行結(jié)果：

同樣的三次構(gòu)造，卻只調(diào)用了兩次的析構(gòu)函數(shù)！說明 a 的內(nèi)存在發(fā)生異常時并沒有被釋放掉，發(fā)生了內(nèi)存泄漏。

RAII機(jī)制有助于解決這個問題，RAII（Resource acquisition is initialization，資源獲取即初始化）。它的思想是以對象管理資源。為了更為方便、魯棒地釋放已獲取的資源，避免資源死鎖，一個辦法是把資源數(shù)據(jù)用對象封裝起來。程序發(fā)生異常，執(zhí)行棧展開時，封裝了資源的對象會被自動調(diào)用其析構(gòu)函數(shù)以釋放資源。C++ 中的智能指針便符合RAII。關(guān)于這個問題詳細(xì)可以看《Effective C++》條款13.

異常機(jī)制與構(gòu)造函數(shù)

異常機(jī)制的一個合理的使用是在構(gòu)造函數(shù)中。構(gòu)造函數(shù)沒有返回值，所以應(yīng)該使用異常機(jī)制來報告發(fā)生的問題。更重要的是，構(gòu)造函數(shù)拋出異常表明構(gòu)造函數(shù)還沒有執(zhí)行完，其對應(yīng)的析構(gòu)函數(shù)不會自動被調(diào)用，因此析構(gòu)函數(shù)應(yīng)該先析構(gòu)所有所有已初始化的基對象，成員對象，再拋出異常。

C++ 類構(gòu)造函數(shù)初始化列表的異常機(jī)制，稱為 function-try block。一般形式為：

myClass::myClass(type1 pa1) try: _myClass_val (初始化值){ /*構(gòu)造函數(shù)的函數(shù)體 */} catch ( exception& err ){ /* 構(gòu)造函數(shù)的異常處理部分 */};

異常機(jī)制與析構(gòu)函數(shù)

C++ 不禁止析構(gòu)函數(shù)向外界拋出異常，但析構(gòu)函數(shù)被期望不向外界函數(shù)拋出異常。析構(gòu)函數(shù)中向函數(shù)外拋出異常，將直接調(diào)用 terminator() 系統(tǒng)函數(shù)終止程序。如果一個析構(gòu)函數(shù)內(nèi)部拋出了異常，就應(yīng)該在析構(gòu)函數(shù)的內(nèi)部捕獲并處理該異常，不能讓異常被拋出析構(gòu)函數(shù)之外?？梢匀绱颂幚恚?/span>

若析構(gòu)函數(shù)拋出異常，調(diào)用 std::abort() 來終止程序。
在析構(gòu)函數(shù)中 catch 捕獲異常并作處理。

關(guān)于具體細(xì)節(jié)，有興趣可以看《Effective C++》條款08：別讓異常逃離析構(gòu)函數(shù)。

noexcept修飾符與noexcept操作符

noexcept 修飾符是 C++11 新提供的異常說明符，用于聲明一個函數(shù)不會拋出異常。編譯器能夠針對不拋出異常的函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，另一個顯而易見的好處是你明確了某個函數(shù)不會拋出異常，別人調(diào)用你的函數(shù)時就知道不用針對這個函數(shù)進(jìn)行異常捕獲。在 C++98中關(guān)于異常處理的程序中你可能會看到這樣的代碼：

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

這是 throw 作為函數(shù)異常說明，前者表示 func（）這個函數(shù)可能會拋出 int 或 double 類型的異常，后者表示 func() 函數(shù)不會拋出異常。事實(shí)上前者很少被使用，在 C++11 這種做法已經(jīng)被摒棄，而后者則被 C++11 的 noexcept 異常聲明所代替：

void func() noexcept {...}//等價于void func() throw(){...}

在 C++11 中，編譯器并不會在編譯期檢查函數(shù)的 noexcept 聲明，因此，被聲明為noexcept 的函數(shù)若攜帶異常拋出語句還是可以通過編譯的。在函數(shù)運(yùn)行時若拋出了異常，編譯器可以選擇直接調(diào)用 terminate() 函數(shù)來終結(jié)程序的運(yùn)行，因此，noexcept 的一個作用是 阻止異常的傳播,提高安全性 .

上面一點(diǎn)提到了，我們不能讓異常逃出析構(gòu)函數(shù)，因?yàn)槟菍?dǎo)致程序的不明確行為或直接終止程序。實(shí)際上出于安全的考慮，C++11 標(biāo)準(zhǔn)中讓類的析構(gòu)函數(shù)默認(rèn)也是 noexcept 的。同樣是為了安全性的考慮，經(jīng)常被析構(gòu)函數(shù)用于釋放資源的 delete 函數(shù)，C++11 也默認(rèn)將其設(shè)置為 noexcept。

noexcept也可以接受一個常量表達(dá)式作為參數(shù)，例如：

void func() noexcept(常量表達(dá)式);

常量表達(dá)式的結(jié)果會被轉(zhuǎn)換成 bool 類型，noexcept(bool) 表示函數(shù)不會拋出異常，noexcept(false) 則表示函數(shù)有可能會拋出異常。故若你想更改析構(gòu)函數(shù)默認(rèn)的 noexcept聲明，可以顯式地加上 noexcept(false) 聲明，但這并不會帶給你什么好處。

異常處理的性能分析

異常處理機(jī)制的主要環(huán)節(jié)是運(yùn)行期類型檢查。當(dāng)拋出一個異常時，必須確定異常是不是從 try 塊中拋出。異常處理機(jī)制為了完善異常和它的處理器之間的匹配，需要存儲每個異常對象的類型信息以及 catch 語句的額外信息。由于異常對象可以是任何類型（如用戶自定義類型），并且也可以是多態(tài)的，獲取其動態(tài)類型必須要使用運(yùn)行時類型檢查（RTTI），此外還需要運(yùn)行期代碼信息和關(guān)于每個函數(shù)的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)異常拋出點(diǎn)所在函數(shù)無法解決異常時，異常對象沿著調(diào)用鏈被傳遞出去，程序的控制權(quán)也發(fā)生了轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移的過程中為了將異常對象的信息攜帶到程序執(zhí)行處（如對異常對象的復(fù)制構(gòu)造或者 catch 參數(shù)的析構(gòu)），在時間和空間上都要付出一定的代價，本身也有不安全性，特別是異常對象是個復(fù)雜的類的時候。

異常處理技術(shù)在不同平臺以及編譯器下的實(shí)現(xiàn)方式都不同，但都會給程序增加額外的負(fù)擔(dān)，當(dāng)異常處理被關(guān)閉時，額外的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、查找表、一些附加的代碼都不會被生成，正是因?yàn)槿绱?，對于明確不拋出異常的函數(shù)，我們需要使用 noexcept 進(jìn)行聲明。

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