深度剖析C++ 异常机制

传统排错

我们早在 C 程序里面传统的错误处理手段有:

  1. 终止程序,如 assert;缺陷是用户难以接受,说白了就是一种及其粗暴的手法,比如发生内存错误,除0错误时就会终止程序。

  2. 返回错误码。缺陷是需要我们自己去查找错误,如系统的很多库的接口函数都是通过把错误码放到 errno 中,表示错误。

  3. C标准库中 setjmp 和 longjmp 组合(不常用)

实际中 C 语言基本都是使用返回错误码的方式处理错误,部分情况下使用终止程序处理非常严重紧急的错误,因此异常机制就时运而横空出世

概念

异常是面向对象语言常用的一种处理错误的方式,当一个函数发现自己无法处理的错误时就可以抛出异常,让函数直接或间接调用者自己来处理这个错误

  1. throw:当程序出现问题时,可以通过 throw 关键字抛出一个异常

  2. try:try 块中放置的是可能抛出异常的代码,该代码块在执行时将进行异常错误检测,try 块后面通常跟着一个或多个 catch 块。

  3. catch:如果try块中发生错误,则可以在 catch 块中定义对应要执行的代码块。

try-catch 语句的语法实例:

try
{//被保护的代码
}
catch (ExceptionName e1)
{//catch块
}
catch (ExceptionName e2)
{//catch块
}
catch (ExceptionName eN)
{//catch块
}

用法

异常是通过抛出对象而引发的,该对象的类型决定了应该激活哪个 catch 的处理代码,如果抛出的异常对象没有捕获,或是没有匹配类型的捕获,那么程序会终止报错

异常捕获和抛出

被选中的处理代码(catch块)是调用链中与该对象类型匹配且离抛出异常位置最近的那一个

抛出异常对象后,会生成一个异常对象的拷贝,因为抛出的异常对象可能是一个临时对象,所以会生成一个拷贝对象 \color{red} {因为抛出的异常对象可能是一个临时对象,所以会生成一个拷贝对象}因为抛出的异常对象可能是一个临时对象,所以会生成一个拷贝对象,这个拷贝的临时对象会在被 catch 以后销毁(类似于函数的传值返回)

catch(…) 可以捕获任意类型的异常,但捕获后无法知道异常错误是什么,实际异常抛出和捕获的匹配原则有个例外,捕获和抛出的异常类型并不一定要完全匹配,可以抛出派生类对象,使用基类进行捕获,这个在实际中非常有用

在函数调用链中异常栈展开的匹配原则:

当异常被抛出后,首先检查 throw 本身是否在 try 块内部,如果在则查找匹配的 catch 语句,如果有匹配的就跳到 catch 的地方进行处理

如果当前没有匹配的 catch 则退出当前函数栈,继续在上一个调用中进行查找 catch。找到匹配的 catch 子句并处理以后,会沿着 catch 子句后面继续执行,而不会跳回到原来抛异常的地方,如果到达 main 函数的栈,依旧没有找到匹配的 catch 则终止程序

比如下面的代码中调用了 func3,func3 中调用 func2,func2 中调用 func1,func1 中抛出了一个 string 的异常对象:

void func1()
{throw string("这是一个异常");
}
void func2()
{func1();
}
void func3()
{func2();
}
int main()
{try{func3();}catch (const string& s){cout << "错误描述:" << s << endl;}catch (...){cout << "未知异常" << endl;}return 0;
}

首先会检查 throw 本身是否在 try 块内部,这里就会因此退出 func1 所在的函数栈,继续在上一个调用栈中进行查找,即 func2 所在的函数栈,由于 func2 中也没有匹配的 catch,因此会继续复读套娃,最终在 main 函数栈中找到匹配的 catch

这时就会跳到 main 函数中对应的 catch 块中执行对应的代码块,执行完后继续执行该代码块后续的代码:

​当然为了防止还有漏网之鱼,一般此时我们还会搞一个 catch(…) 进行全捕获。

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异常的重新抛出

要知道一个 catch 是无法完全搞定异常的,如果我们对异常进行修正后,希望交付给上层调用链进行异常的异常信息日志记录,此时就需要我们重新对上层函数抛异常:

void func1()
{throw string("这是一个异常");
}
void func2()
{int* array = new int[10];func1();//省略函数对应实现//……delete[] array;
}
int main()
{try{func2();}catch (const string& s){cout << s << endl;}catch (...){cout << "未知异常" << endl;}return 0;
}

这里 func2 最后应该 delete 进行空间释放,但由于 func2 中途调用 func1 ,func1 内部抛出了一个异常,这时会直接跳转到 main 函数中的 catch 块执行对应的异常处理程序,并且在处理完后继续沿着 catch 块往后执行,这时就导致 func2 中内存块没有得到释放,造成了内存泄露!

此时我们应该在 func2 中先对 func1 抛出的异常进行捕获,捕获后先将内存释放再重新抛出异常,就可以避免内存泄露:

void func2()
{int* array = new int[10];try{func1();//省略函数对应实现//……}catch (...){delete[] array;throw; //将捕获到的异常再次重新抛出}delete[] array;
}

try-catch 中 new 和 delete 之间可能还会抛出其他类型的异常,因此在 fun2 中最好再进行 catch(…) ,将申请到的内存 delete 后再通过throw 重新抛出;重新抛出异常对象时,此时 throw 可以不用指明要抛出的异常对象,其实 catch(…) 也不知道自己到底捕了个什么异常对象

安全第一条

还是那句话,道路千万条,抛异常要谨慎:

  1. 构造函数完成对象的构造和初始化,最好不要在构造函数中抛出异常,否则可能导致对象不完整或没有完全初始化

  2. 析构函数完成对象资源的清理,最好不要在析构函数中抛出异常,否则可能导致内存泄露,句柄未关闭等

  3. C++ 中在 new 和 delete 中抛出异常经常是内存泄漏的罪魁祸首,在 lock 和 unlock 之间抛出异常导致死锁,C++ 经常使用 RAII 的方式来解决类似问题

规范使用

站在异常的严谨立场上, C++ 也在尽量提高咱的使用规范:

在函数的后面接throw(type1, type2, …),列出这个函数可能抛掷的所有异常类型 在函数的后面接throw()或noexcept(C++11),表示该函数不抛异常 若无异常接口声明,则此函数可以抛掷任何类型的异常(异常接口声明不是强制的)

//这里可能会抛出A/B/C/D类型的异常
void func() throw(A, B, C, D);
//这里只会抛出 bad_alloc 的异常
void* operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc);
//这里不会抛出异常
void* operator new(std::size_t size, void* ptr) throw();

异常体系

因为异常属实需要严谨与规范的操作,所以在很多公司里面都会制定自己的一套异常的规范管理:

公司中的项目一般会进行模块划分,让不同的人或小组完成不同的模块,如果不对抛异常这件事进行规范,那么在最外层捕获异常的冤种就会问候亲妈了,因为他会来给各位擦屁股,捕获大家抛出的所以异常对象 \color{red} {那么在最外层捕获异常的冤种就会问候亲妈了,因为他会来给各位擦屁股,捕获大家抛出的所以异常对象}那么在最外层捕获异常的冤种就会问候亲妈了,因为他会来给各位擦屁股,捕获大家抛出的所以异常对象

我们之前说过异常语法可以用基类捕获抛出的派生类对象,因此实际中都会先定义一个最基础的异常类,所有人抛出的异常对象都必须是继承于该异常类的派生类对象,,因此最外层就只需捕获基类就行了

​最基础的异常类至少需要包含错误编号和错误描述两个成员变量,甚至还可以包含当前函数栈帧的调用链等信息,该异常类中一般还会提供两个成员函数,分别用来获取错误编号和错误描述

class Exception
{
public:Exception(int errid, const char* errmsg):_errid(errid), _errmsg(errmsg){}int GetErrid() const{return _errid;}virtual string what() const{return _errmsg;}
protected:int _errid;  //错误编号string _errmsg; //错误描述//...
};

其他人如果要对这个异常类进行扩展,必须先继承基础异常类,然后按需添加某些成员变量,或是对虚函数what 进行重写,使其能告知更多的异常信息:

class CacheException : public Exception
{
public:CacheException(int errid, const char* errmsg):Exception(errid, errmsg){}virtual string what() const{string msg = "CacheException: ";msg += _errmsg;return msg;}
protected://...
};
class SqlException : public Exception
{
public:SqlException(int errid, const char* errmsg, const char* sql):Exception(errid, errmsg), _sql(sql){}virtual string what() const{string msg = "CacheException: ";msg += _errmsg;msg += "sql语句: ";msg += _sql;return msg;}
protected:string _sql; //异常的SQL语句//...
};

异常类的成员变量不能设置为私有,因为私有成员在子类中是不可见的。基类 Exception 中 what 成员函数最好定义为虚函数,方便子类对其进行重写,从而达到多态的效果

标准库体系

C++ 标准库当中的异常也是一个基础体系,其中 exception 就是基类,它与其他异常类的继承关系如下:

​其中具体信息如下:

​我们可以去继承这里的 exception 类来实现自己的异常类,但实际上很多公司都会自己定义一套异常继承体系!

优缺点

目前情况来看,异常是利大于弊的,还是鼓励使用异常的,而且前排的语言基本都会使用异常处理错误,这也可以看出这是大势所趋

异常的优点:

相比错误码,异常可以清晰准确的展示出错误的各种信息,甚至可以包含堆栈调用等信息,这样可以帮助更好的定位程序的bug

返回错误码的传统方式有个很大的问题就是,在函数调用链中,深层的函数返回了错误,那么我们得层层返回错误码,最终最外层才能拿到错误

很多的第三方库都会使用异常,比如 boost、gtest、gmock 等常用的库,如果我们不用异常就不能很好的发挥这些库的作用,很多测试框架也都使用异常,因此使用异常能更好的使用单元测试等进行白盒测试

部分函数使用异常更好处理,比如 T& operator 这样的函数,如果 pos 越界了只能使用异常或者终止程序处理,没办法通过返回值表示错误

异常的缺点:

异常会导致程序的执行流混乱,这会导致我们跟踪调试或分析程序时比较困难。异常还会有一些性能的开销,当然在现代硬件速度很快的情况下,这个影响基本忽略不计!

C++ 没有垃圾回收机制,资源需要自己管理,有了异常非常容易导致内存泄露、死锁等异常安全问题,这个需要使用 RAII 来处理资源的管理问题,学习成本比较高

C++ 标准库的异常体系定义得不够好,导致大家各自定义自己的异常体系,非常的混乱,异常尽量规范使用,否则后果不堪设想,随意抛异常,也会让外层捕获的用户苦不堪言。

异常接口声明不是强制的,对于没有声明异常类型的函数,无法预知该函数是否会抛出异常

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