如何编写异常安全的C++代码

版权声明

请尊重原创作品。转载请保持文章完整性，并以超链接形式注明原始作者“tingsking18”和主站点地址，方便其他朋友提问和指正。

关于C++中异常的争论何其多也，但往往是一些不合事实的误解。异常曾经是一个难以用好的语言特性，幸运的是，随着C++社区经验的积累，今天我们已经有足够的知识轻松编写异常安全的代码了，而且编写异常安全的代码一般也不会对性能造成影响。
使用异常还是返回错误码？这是个争论不休的话题。大家一定听说过这样的说法：只有在真正异常的时候，才使用异常。那什么是“真正异常的时候”？在回答这个问题以前，让我们先看一看程序设计中的不变式原理。
对象就是属性聚合加方法，如何判定一个对象的属性聚合是不是处于逻辑上正确的状态呢？这可以通过一系列的断言，最后下一个结论说：这个对象的属性聚合逻辑上是正确的或者是有问题的。这些断言就是衡量对象属性聚合对错的不变式。
我们通常在函数调用中，实施不变式的检查。不变式分为三类：前条件，后条件和不变式。前条件是指在函数调用之前，必须满足的逻辑条件，后条件是函数调用后必须满足的逻辑条件，不变式则是整个函数执行中都必须满足的条件。在我们的讨论中，不变式既是前条件又是后条件。前条件是必须满足的，如果不满足，那就是程序逻辑错误，后条件则不一定。现在，我们可以用不变式来严格定义异常状况了：满足前条件，但是无法满足后条件，即为异常状况。当且仅当发生异常状况时，才抛出异常。
关于何时抛出异常的回答中，并不排斥返回值报告错误，而且这两者是正交的。然而，从我们经验上来说，完全可以在这两者中加以选择，这又是为什么呢？事实上，当我们做出这种选择时，必然意味着接口语意的改变，在不改变接口的情况下，其实是无法选择的(试试看，用返回值处理构造函数中的错误)。通过不变式区别出正常和异常状况，还可以更好地提炼接口。
对于异常安全的评定，可分为三个级别：基本保证、强保证和不会失败。
基本保证：确保出现异常时程序（对象）处于未知但有效的状态。所谓有效，即对象的不变式检查全部通过。
强保证：确保操作的事务性，要么成功，程序处于目标状态，要么不发生改变。
不会失败：对于大多数函数来说，这是很难保证的。对于C++程序，至少析构函数、释放函数和swap函数要确保不会失败，这是编写异常安全代码的基础。
首先从异常情况下资源管理的问题开始.很多人可能都这么干过:
Type* obj = new Type;
try{ do_something...}
catch(...){ delete obj; throw;}
不要这么做!这么做只会使你的代码看上去混乱,而且会降低效率,这也是一直以来异常名声不大好的原因之一. 请借助于RAII技术来完成这样的工作:
auto_ptr<Type> obj_ptr(new Type);
do_something...
这样的代码简洁、安全而且无损于效率。当你不关心或是无法处理异常时,请不要试图捕获它。并非使用try...catch才能编写异常安全的代码,大部分异常安全的代码都不需要try...catch。我承认，现实世界并非总是如上述的例子那样简单，但是这个例子确实可以代表很多异常安全代码的做法。在这个例子中，boost::scoped_ptr是auto_ptr一个更适合的替代品。
现在来考虑这样一个构造函数：
Type() : m_a(new TypeA), m_b(new TypeB){}
假设成员变量m_a和m_b是原始的指针类型，并且和Type内的申明顺序一致。这样的代码是不安全的，它存在资源泄漏问题，构造函数的失败回滚机制无法应对这样的问题。如果new TypeB抛出异常,new TypeA返回的资源是得不到释放机会的.曾经,很多人用这样的方法避免异常:
Type() : m_a(NULL), m_b(NULL){
auto_ptr<TypeA> tmp_a(new TypeA);
auto_ptr<TypeB> tmp_b(new TypeB);
m_a = tmp_a.release();
m_b = tmp_b.release();
}
当然,这样的方法确实是能够实现异常安全的代码的,而且其中实现思想将是非常重要的,在如何实现强保证的异常安全代码中会采用这种思想.然而这种做法不够彻底，至少析构函数还是要手动完成的。我们仍然可以借助RAII技术，把这件事做得更为彻底：shared_ptr<TypeA> m_a; shared_ptr<TypeB> m_b;这样,我们就可以轻而易举地写出异常安全的代码:
Type() : m_a(new TypeA), m_b(new TypeB){}
如果你觉得shared_ptr的性能不能满足要求，可以编写一个接口类似scoped_ptr的智能指针类,在析构函数中释放资源即可。如果类设计成不可复制的，也可以直接用scoped_ptr。强烈建议不要把auto_ptr作为数据成员使用,scoped_ptr虽然名字不大好，但是至少很安全而且不会导致混乱。
RAII技术并不仅仅用于上述例子中，所有必须成对出现的操作都可以通过这一技术完成而不必try...catch.下面的代码也是常见的：
a_lock.lock();
try{ ...} catch(...) {a_lock.unlock();throw;}
a_lock.unlock();
可以这样解决，先提供一个成对操作的辅助类：
struct scoped_lock{
explicit scoped_lock(Lock& lock) : m_l(lock){m_l.lock();}
~scoped_lock(){m_l.unlock();}
private:
Lock& m_l;
};
然后，代码只需这样写：
scoped_lock guard(a_lock);
do_something...
清晰而优雅！继续考察这个例子,假设我们并不需要成对操作, 显然，修改scoped_lock构造函数即可解决问题。然而，往往方法名称和参数也不是那么固定的，怎么办？可以借助这样一个辅助类：
template<typename FEnd, typename FBegin>
struct pair_guard{
pair_guard(FEnd fe, FBegin fb) : m_fe(fe) {if (fb) fb();}
~pair_guard(){m_fe();}
private:
FEnd m_fe;
...//禁止复制
};
typedef pair_guard<function<void () > , function<void()> > simple_pair_guard;
好了，借助boost库,我们可以这样来编写代码了：
simple_pair_guard guard(bind(&Lock::unlock, a_lock), bind(&Lock::lock, a_lock) );
do_something...
我承认，这样的代码不如前面的简洁和容易理解，但是它更灵活,无论函数名称是什么，都可以拿来结对。我们可以加强对bind的运用，结合占位符和reference_wrapper,就可以处理函数参数、动态绑定变量。所有我们在catch内外的相同工作，交给pair_guard去完成即可。
考察前面的几个例子，也许你已经发现了，所谓异常安全的代码，竟然就是如何避免try...catch的代码，这和直觉似乎是违背的。有些时候，事情就是如此违背直觉。异常是无处不在的，当你不需要关心异常或者无法处理异常的时候，就应该避免捕获异常。除非你打算捕获所有异常，否则，请务必把未处理的异常再次抛出。try...catch的方式固然能够写出异常安全的代码，但是那样的代码无论是清晰性和效率都是难以忍受的，而这正是很多人抨击C++异常的理由。在C++的世界，就应该按照C++的法则来行事。
如果按照上述的原则行事，能够实现基本保证了吗？诚恳地说，基础设施有了，但技巧上还不够，让我们继续分析不够的部分。
对于一个方法常规的执行过程，我们在方法内部可能需要多次修改对象状态，在方法执行的中途，对象是可能处于非法状态的（非法状态 != 未知状态），如果此时发生异常，对象将变得无效。利用前述的手段，在pair_guard的析构中修复对象是可行的，但缺乏效率，代码将变得复杂。最好的办法是......是避免这么作，这么说有点不厚道，但并非毫无道理。当对象处于非法状态时，意味着此时此刻对象不能安全重入、不能共享。现实一点的做法是：
a.每一次修改对象，都确保对象处于合法状态
b.或者当对象处于非法状态时，所有操作决不会失败。
在接下来的强保证的讨论中细述如何做到这两点。

强保证是事务性的，这个事务性和数据库的事务性有区别，也有共通性。实现强保证的原则做法是：在可能失败的过程中计算出对象的目标状态，但是不修改对象，在决不失败的过程中，把对象替换到目标状态。考察一个不安全的字符串赋值方法：
string& operator=(const string& rsh){
if (this != &rsh){
myalloc locked_pool(m_data);
locked_pool.deallocate(m_data);
if (rsh.empty())
m_data = NULL;
else{
m_data = locked_pool.allocate(rsh.size() + 1);
never_failed_copy(m_data, rsh.m_data, rsh.size() + 1);
}
}
return *this;
}
locked_pool是为了锁定内存页。为了讨论的简单起见，我们假设只有locked_pool构造函数和allocate是可能抛出异常的，那么这段代码连基本保证也没有做到。若allocate失败，则m_data取值将是非法的。参考上面的b条目，我们可以这样修改代码：
myalloc locked_pool(m_data);
locked_pool.deallocate(m_data); //进入非法状态
m_data = NULL; //立刻再次回到合法状态,且不会失败
if(!rsh.empty()){
m_data = locked_pool.allocate(rsh.size() + 1);
never_failed_memcopy(m_data, rsh.m_data, rsh.size() + 1);
}
现在，如果locked_pool失败，对象不发生改变。如果allocate失败，对象是一个空字符串，这既不是初始状态，也不是我们预期的目标状态，但它是一个合法状态。我们阐明了实现基本保证所需要的技巧部分，结合前述的基础设施（RAII的运用），完全可以实现基本保证了...哦,其实还是有一点疏漏，不过，那就留到最后吧。
继续，让上面的代码实现强保证：
myalloc locked_pool(m_data);
char* tmp ＝ NULL;
if(!rsh.empty()){
tmp = locked_pool.allocate(rsh.size() + 1);
never_failed_memcopy(tmp, rsh.m_data, rsh.size() + 1); //先生成目标状态
}
swap(tmp, m_data); //对象安全进入目标状态
m_alloc.deallocate(tmp); //释放原有资源
强保证的代码多使用了一个局部变量tmp，先计算出目标状态放在tmp中，然后在安全进入目标状态，这个过程我们并没有损失什么东西（代码清晰性，性能等等）。看上去，实现强保证并不比基本保证困难多少，一般而言，也确实如此。不过，别太自信，举一种典型的很难实现强保证的例子，对于区间操作的强保证：
for (itr = range.begin(); itr != range.end(); ++itr){
itr->do_something();
}
如果某个do_something失败了，range将处于什么状态？这段代码仍然做到了基本保证，但不是强保证的，根据实现强保证的基本原则，我们可以这么做：
tmp = range;
for (itr = tmp.begin(); itr != tmp.end(); ++itr){
itr->do_something();
}
swap(tmp, range);
似乎很简单啊！呵呵，这样的做法并非不可取，只是有时候行不通。因为我们额外付出了性能的代价，而且，这个代价可能很大。无论如何，我们阐述了实现强保证的方法，怎么取舍则由您决定了。

接下来讨论最后一种异常安全保证：不会失败。
通常，我们并不需要这么强的安全保证，但是我们至少必须保证三类过程不会失败：析构函数，释放类函数，swap。析构和释放函数不会失败，这是RAII技术有效的基石，swap不会失败，是为了“在决不失败的过程中，把对象替换到目标状态”。我们前面的所有讨论都是建立在这三类过程不会失败的基础上的，在这里，弥补了上面的那个疏漏。
一般而言，语言内部类型的赋值、取地址等运算是不会发生异常的，上述三类过程逻辑上也是不会发生异常的。内部运算中，除法运算可能抛出异常。但是地址访问错通常是一种错误，而不是异常，我们本应该在前条件检查中就发现的这一点的。所有不会发生异常操作的简单累加，仍然不会导致异常。

好了，现在我们可以总结一下编写异常安全代码的几条准则了：
1.只在应该使用异常的地方抛出异常
2.如果不知道如何处理异常，请不要捕获(截留)异常。
3.充分使用RAII，旁路异常。
4.努力实现强保证，至少实现基本保证。
5.确保析构函数、释放类函数和swap不会失败。

另外，还有一些语言细节问题，因为和这个主题有关也一并列出：
1.不要这样抛出异常：throw new exception;这将导致内存泄漏。
2.自定义类型，应该捕获异常的引用类型：catch(exception& e)或catch(const exception& e)。
3.不要使用异常规范，即使是空异常规范。编译器并不保证只抛出异常规范允许的异常，更多内容请参考相关书籍。