C++华丽的exception handling(异常处理)背后隐藏的阴暗面及其处理方法

最近在看auto_ptr源码的时候，发现里面的异常说明很多。事实上对于exception handling这块，以前也有很多困惑的地方，只是由于平时代码中很少用到，于是就从来没仔细钻研过。本来这篇是用来写smart pointer的，既然遇到了exception handling这块，那么先把这块硬骨头啃下来再说吧。
翻阅了很多大师的经典著作，发现exception handling在《c++ primer》中只是概念性的提了下，对于技巧型的内容几乎没有涉及到；《effective c++》中只有一个条款中提及，《inside c++ object model》也提到很少，幸运的是《more effective c++》中却有一个专题来研讨这块，而且讲到很多技巧性的内容，令人脍炙人口。。 虽然新公司里很少用到exception handling，所有的状态信息都是以日志文件形式来记录，而谁也不能保证以后的工作中不会用到，对于一般性的异常处理，自认为还是可以应付的来的，至少不会导致因为没有处理的exception而teminate了当前程序，而如果要写出高质量高稳定性的C++代码，不掌握exception handling的技巧性使用应该是很难的（至少我是这么认为的），当然了，C阵营中错误代码或返回状态信息是另一类exception技能了。而正如Scott Meyers在《effective c++》的条款一所说：视C++为一个语言联邦；因而不该因为C++是由C发展而来而全盘忽视了C++的特性。。。
 
VS编译器对异常规范的忽视
异常规范在《C++ Primer》中倒是提及的多一些。这一块也是exception handling中最令人头大的一块，因为尽管编译器能检测出少量异常规范，对于大多数的异常规范，只有在运行期才能知晓，如果违反了异常规范，诸多大师的一致解释是：程序会自动调用标准库的unexpacted函数，此函数又调用teminate函数，从而直接终止程序的运行。来看看如下代码：
#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;
}

这是一个回调函数管理类的例子，是《more effective c++》的原例，如果按照Lippman在《C++ Primer》中所说的话，此程序应该不能通过编译，因为它存在一个编译期就能检测出来的违反异常规范的地方：对于函数MyFunc和函数定义CallBackPtr异常声明，MyFunc的规范更为严格，它应该不能转化为CallBackPtr的对象才是，因为CallBackPtr的异常规范为throw()，意味着此函数不会抛出任何异常。。而我在VS2008下却能正常编译通过，只有一个warning:C++ exception specification ignored except to indicate a function is not __declspec(nothrow)，MSDN中对其解释是：“使用异常规范声明函数，Visual C++ 接受但并不实现此规范。包含在编译期间被忽略的异常规范的代码可能需要重新编译和链接，以便在支持异常规范的未来版本中重用。”意即VC编译器不支持异常规格说明。。 令我牵肠挂肚的是：倘若一直如此的话，那么C++的异常规范特性得全部由程序员来掌控，感叹VC编译器对于这点多少有些不人道。。 但我也不想因此而以点盖面的全盘否定VC编译器在其它方面的高性能。
使用smart pointer来防止destructor中的资源泄露
对于由于异常处理不当而引发的资源泄露，无疑亦是程序员喜欢讨论的话题之一，因为抛出异常意味着一个抛异常的代码块可能只执行了一部分（前提是当前函数没有处理异常），这样的话，那么异常又会传送到当前代码块的外围去处理，而引发资源泄露的代码块往往却是这块没被执行的代码，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;
}
 
不得不承认在main函数返回之前，所有的异常确实得到了处理，让人难以忽视的是：Function里面抛出异常后，delete pBase没有执行，这就意味着发生了内存泄露。。指针无处不在，如果我们不想用指针而想提高代码的效率和质量，那几乎是不可能的。事实上，我们可以在Function函数里捕捉异常，然后在异常处理块中执行delete pBase，可以避免由此引发的内存泄露，然而这样做的缺陷是要写两个delete， Scott Meyers对于这种引发内存的更好的处理方式是：使用smart pointer。 如果将Function改为如下：
void Function() throw(runtime_error)
{
    BaseClass *pBase = new BaseClass;
    auto_ptr<BaseClass> PtrBase(pBase);
    ExceptionFunc();
}
 
用类来管理资源是防止资源泄露的有力法器之一，这种情况下异常抛出后，auto_ptr对象肯定会执行析构函数，此时会自动释放其指针成员指向的对象资源，即便它的对象为NULL，由于C++保证了delete空指针无异常的特性，所以资源是肯定会正确的释放。然而在我看来，smart pointer的使用也只是一种折中而已，因为使用auto_ptr而带来的负面性后果其实也可以大作讨论了，有待我之后的smart pointer文章再作详细讨论。 
异常逃离destructor的灾难性后果
这一点也是唯一一条Sotte Meyyers在《effective c++》（条款8）和《more effective c++》（第五章节）中重复讨论了两次的条款，当destructor中无法处理异常的话，程序会直接调用teminate从而终止。。如果试图在destructor外部捕获异常，那将是徒劳的，正如一般重载delete运算符的声明式一样，往往在后面又加个异常规范throw()，这意味着delete外部根本无法捕捉到其内部的异常。看看下面这个简单例子：
#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下调用teminate时候还会调用abort，这个程序会非正常结束，如果在main函数中试图这样做：
int main(int *argc , char **argv)
{
    BaseClass *pBase = new BaseClass;
    try
    {
        delete pBase;
    }
    catch(runtime_error &err)
    {
        cout<<err.what()<<endl;
    }
    return 0;
}
 
结果会跟上面一样（非正常结束），因为delete是不会将任何异常传递到其外面的；一种比较折中的解决方法是，当destructor中存在异常抛出时，在destructor最后添加一个能捕获所有异常的catch处理块，catch处理块又什么工作都不做，如下：
 
~BaseClass()
{
    try
    {
        throw runtime_error("error in destructor");
    }
    catch(...)
    {
    }
};
看起来是一种很坏很无奈的办法，但正如Scott Meyers在《effective c++》中所说：
“一般而言，将异常吞掉是个坏主意，因为它压制了"某些动作失败"的重要信息!然而有时候吞下异常也比负担"草率结束程序"或"不明确行为带来的风险好”。
 
 
后记
对于很多exception handling的概念性细节（比如何时使用引用类型的异常捕捉、异常捕获层次的类型转换等等）我没做任何阐述，可以去看看《C++ PRIMER》的第十七章，有着很想尽的讲解。。。 对于MS编译器对异常规范的不支持，我很难理解，因为G++编译器确实是支持的。之前在讨论C++的object布局时（点击这里）也曾感叹MS的编译器在优化方面没G++走得快，对于这些，或许是我运气不好，老是碰到MS不如G++的地方，也或许是我现在几乎不用G++编译器的而体会不到其不如MS编译器的地方的缘故吧。。。exception handling的确能为提高代码质量的改善作出或多说少的贡献，但华丽丽的外表下，因为用不好它而导致的程序的很多不明确（如teminate当前程序）和不正常（如资源泄露）行为也是令人比较头大的地方。貌似只有多熟用有技巧性的用是唯一能解决所有问题的方法了。。