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          C++異常機(jī)制概述

          共 1388字,需瀏覽 3分鐘

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          2020-11-19 14:32

          (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:計算上溢stdexcept
          underflow_error運(yùn)行時錯誤:計算下溢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_castdynamic_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:
          1. 允許從非常量到常量的類型轉(zhuǎn)換。

          2. 允許派生類到基類的類型轉(zhuǎn)換。

          3. 數(shù)組被轉(zhuǎn)換成指向數(shù)組(元素)類型的指針。

          4. 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。可以如此處理:
          1. 若析構(gòu)函數(shù)拋出異常,調(diào)用 std::abort() 來終止程序。

          2. 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)槿绱耍瑢τ诿鞔_不拋出異常的函數(shù),我們需要使用 noexcept 進(jìn)行聲明。

          關(guān)于C++異常機(jī)制,歡迎在評論中和我探討。覺得文章不錯,請點(diǎn)贊和在看支持我繼續(xù)分享好文。謝謝!

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