C++華麗的exception handling(異常處理)背後隱藏的陰暗面及其處理方法

 

前言

最近在看auto_ptr源碼的時候，發現裏面的異常說明很多。事實上對於exception handling這塊，以前也有很多困惑的地方，只是由於平時代碼中很少用到，於是就從來沒仔細鑽研過。本來這篇是用來寫smart pointer的，既然遇到了exception handling這塊，那麼先把這塊硬骨頭啃下來再說吧。

翻閱了很多大師的經典著作，發現exception handling在《c++ primer》中只是概念性的提了下，對於技巧型的內容幾乎沒有涉及到；《effective c++》中只有一個條款中提及，《inside c++ object model》也提到很少，幸運的是《more effective c++》中卻有一個專題來研討這塊，而且講到很多技巧性的內容，令人膾炙人口。。 雖然新公司裏很少用到exception handling，所有的狀態信息都是以日誌文件形式來記錄，而誰也不能保證以後的工作中不會用到，對於一般性的異常處理，自認爲還是可以應付的來的，至少不會導致因爲沒有處理的exception而teminate了當前程序，而如果要寫出高質量高穩定性的C++代碼，不掌握exception handling的技巧性使用應該是很難的（至少我是這麼認爲的），當然了，C陣營中錯誤代碼或返回狀態信息是另一類exception技能了。而正如Scott Meyers在《effective c++》的條款一所說：視C++爲一個語言聯邦；因而不該因爲C++是由C發展而來而全盤忽視了C++的特性。。。

 

VS編譯器對異常規範的忽視

異常規範在《C++ Primer》中倒是提及的多一些。這一塊也是exception handling中最令人頭大的一塊，因爲儘管編譯器能檢測出少量異常規範，對於大多數的異常規範，只有在運行期才能知曉，如果違反了異常規範，諸多大師的一致解釋是：程序會自動調用標準庫的unexpacted函數，此函數又調用teminate函數，從而直接終止程序的運行。來看看如下代碼：

#include <iostream>

using namespace std;


typedef void (*CallBackPtr)(int nEventLocationX,int nEventLocationY,void *pDataToPassValue)throw();

class CallBack
{
public:
    CallBack(CallBackPtr fPtr,void *pDataToPassValue):func(fPtr),pData(pDataToPassValue)
    {}
    void MakeCallBack(int nEventLocationX,int nEventLocationY) const throw()
    {
        func(nEventLocationX,nEventLocationY,pData);
    };

private:
    CallBackPtr func;
    void *pData;
};

void MyFunc(int nEventLocationX,int nEventLocationY,void *pDataToPassValue) throw(runtime_error)
{
    cout<<nEventLocationX<<" "<<nEventLocationY<<endl;
    throw runtime_error("runtime error example!");
}

int main(int *argc , char **argv)
{
    CallBackPtr Func = MyFunc;

    CallBack MyCallBack(Func,NULL);
    MyCallBack.MakeCallBack(10,10);
    return 0;
}

這是一個回調函數管理類的例子，是《more effective c++》的原例，如果按照Lippman在《C++ Primer》中所說的話，此程序應該不能通過編譯，因爲它存在一個編譯期就能檢測出來的違反異常規範的地方：對於函數MyFunc和函數定義CallBackPtr異常聲明，MyFunc的規範更爲嚴格，它應該不能轉化爲CallBackPtr的對象纔是，因爲CallBackPtr的異常規範爲throw()，意味着此函數不會拋出任何異常。。而我在VS2008下卻能正常編譯通過，只有一個warning:C++ exception specification ignored except to indicate a function is not __declspec(nothrow)，MSDN中對其解釋是：“使用異常規範聲明函數，Visual C++ 接受但並不實現此規範。包含在編譯期間被忽略的異常規範的代碼可能需要重新編譯和鏈接，以便在支持異常規範的未來版本中重用。”意即VC編譯器不支持異常規格說明。。 令我牽腸掛肚的是：倘若一直如此的話，那麼C++的異常規範特性得全部由程序員來掌控，感嘆VC編譯器對於這點多少有些不人道。。 但我也不想因此而以點蓋面的全盤否定VC編譯器在其它方面的高性能。

使用smart pointer來防止destructor中的資源泄露

對於由於異常處理不當而引發的資源泄露，無疑亦是程序員喜歡討論的話題之一，因爲拋出異常意味着一個拋異常的代碼塊可能只執行了一部分（前提是當前函數沒有處理異常），這樣的話，那麼異常又會傳送到當前代碼塊的外圍去處理，而引發資源泄露的代碼塊往往卻是這塊沒被執行的代碼，看看如下例子：

#include <iostream>
using namespace std;

class BaseClass
{
public:
    BaseClass(){};
    ~BaseClass(){};
};

void ExceptionFunc() throw(runtime_error)
{
    throw runtime_error("example exception handling!");
}

void Function() throw(runtime_error)
{
    BaseClass *pBase = new BaseClass;

    ExceptionFunc();

    delete pBase;
}

int main(int *argc , char **argv)
{
    try
    {
        Function();
    }
    catch(runtime_error &err)
    {
        cout<<err.what()<<endl;
    }
    return 0;
}

 

不得不承認在main函數返回之前，所有的異常確實得到了處理，讓人難以忽視的是：Function裏面拋出異常後，delete pBase沒有執行，這就意味着發生了內存泄露。。指針無處不在，如果我們不想用指針而想提高代碼的效率和質量，那幾乎是不可能的。事實上，我們可以在Function函數裏捕捉異常，然後在異常處理塊中執行delete pBase，可以避免由此引發的內存泄露，然而這樣做的缺陷是要寫兩個delete， Scott Meyers對於這種引發內存的更好的處理方式是：使用smart pointer。 如果將Function改爲如下：

void Function() throw(runtime_error)
{
    BaseClass *pBase = new BaseClass;
    auto_ptr<BaseClass> PtrBase(pBase);
    ExceptionFunc();
}

用類來管理資源是防止資源泄露的有力法器之一，這種情況下異常拋出後，auto_ptr對象肯定會執行析構函數，此時會自動釋放其指針成員指向的對象資源，即便它的對象爲NULL，由於C++保證了delete空指針無異常的特性，所以資源是肯定會正確的釋放。然而在我看來，smart pointer的使用也只是一種折中而已，因爲使用auto_ptr而帶來的負面性後果其實也可以大作討論了，有待我之後的smart pointer文章再作詳細討論。  

異常逃離destructor的災難性後果

這一點也是唯一一條Sotte Meyyers在《effective c++》（條款8）和《more effective c++》（第五章節）中重複討論了兩次的條款，當destructor中無法處理異常的話，程序會直接調用teminate從而終止。。如果試圖在destructor外部捕獲異常，那將是徒勞的，正如一般重載delete運算符的聲明式一樣，往往在後面又加個異常規範throw()，這意味着delete外部根本無法捕捉到其內部的異常。看看下面這個簡單例子：

#include <memory>
#include <iostream>
using namespace std;
class BaseClass
{
public:
    BaseClass(){};
    ~BaseClass()
    {
        throw runtime_error("example runtime error.");
    };
};

int main(int *argc , char **argv)
{
    BaseClass *pBase = new BaseClass;
    delete pBase;
    return 0;
}

 

在VS2008下調用teminate時候還會調用abort，這個程序會非正常結束，如果在main函數中試圖這樣做：

int main(int *argc , char **argv)
{
    BaseClass *pBase = new BaseClass;
    try
    {
        delete pBase;
    }
    catch(runtime_error &err)
    {
        cout<<err.what()<<endl;
    }
    return 0;
}

 

結果會跟上面一樣（非正常結束），因爲delete是不會將任何異常傳遞到其外面的；一種比較折中的解決方法是，當destructor中存在異常拋出時，在destructor最後添加一個能捕獲所有異常的catch處理塊，catch處理塊又什麼工作都不做，如下：

 

~BaseClass()
{
    try
    {
        throw runtime_error("error in destructor");
    }
    catch(...)
    {
    }
};

看起來是一種很壞很無奈的辦法，但正如Scott Meyers在《effective c++》中所說：

“一般而言，將異常吞掉是個壞主意，因爲它壓制了"某些動作失敗"的重要信息!然而有時候吞下異常也比負擔"草率結束程序"或"不明確行爲帶來的風險好”。

 

 

後記

對於很多exception handling的概念性細節（比如何時使用引用類型的異常捕捉、異常捕獲層次的類型轉換等等）我沒做任何闡述，可以去看看《C++ PRIMER》的第十七章，有着很想盡的講解。。。 對於MS編譯器對異常規範的不支持，我很難理解，因爲G++編譯器確實是支持的。之前在討論C++的object佈局時（點擊這裏）也曾感嘆MS的編譯器在優化方面沒G++走得快，對於這些，或許是我運氣不好，老是碰到MS不如G++的地方，也或許是我現在幾乎不用G++編譯器的而體會不到其不如MS編譯器的地方的緣故吧。。。exception handling的確能爲提高代碼質量的改善作出或多說少的貢獻，但華麗麗的外表下，因爲用不好它而導致的程序的很多不明確（如teminate當前程序）和不正常（如資源泄露）行爲也是令人比較頭大的地方。貌似只有多熟用有技巧性的用是唯一能解決所有問題的方法了。。