C++ 异常安全
什么是异常安全？
异常安全是指当程序中发生异常时，程序能够继续保持一致性与可靠性的能力。换句话说，即使在异常被抛出的情况下，程序也不会泄漏资源、保持数据结构的完整性，并且能够恢复到一个良好的状态。
在C++中，异常安全尤为重要，因为C++提供了强大的异常处理机制，但如果使用不当，可能会导致严重的问题，如内存泄漏、悬挂指针或数据结构损坏。
备注
异常安全不仅仅是捕获和处理异常的能力，更是确保在异常发生时程序状态仍然有效的保证。
异常安全的级别
C++中的异常安全通常分为以下几个级别：
1. 基本保证（Basic Guarantee）
当异常发生时，程序保持在有效状态，不会出现资源泄漏或数据结构损坏，但程序状态可能已经改变。
2. 强保证（Strong Guarantee）
当异常发生时，操作要么完全成功，要么程序状态不变（即"提交或回滚"语义）。
3. 不抛出保证（No-throw Guarantee）
保证操作不会抛出任何异常，常用于析构函数和内存释放操作。
4. 无保证（No Guarantee）
不提供任何异常安全保证，可能导致资源泄漏或程序状态不一致。
RAII：实现异常安全的关键技术
RAII（资源获取即初始化）是C++中实现异常安全的核心技术。它通过将资源的生命周期绑定到对象的生命周期上，确保资源在对象销毁时自动释放。
RAII的基本原则
- 在构造函数中获取资源
- 在析构函数中释放资源
- 确保析构函数不会抛出异常
RAII示例：文件操作
cpp
class FileHandler {
private:
FILE* file;
public:
FileHandler(const char* filename, const char* mode) {
file = fopen(filename, mode);
if (!file) {
throw std::runtime_error("无法打开文件");
}
}
~FileHandler() {
if (file) {
fclose(file);
}
}
// 禁止复制
FileHandler(const FileHandler&) = delete;
FileHandler& operator=(const FileHandler&) = delete;
// 写入数据
void write(const char* data) {
if (fputs(data, file) == EOF) {
throw std::runtime_error("写入文件失败");
}
}
};
void processFile() {
try {
FileHandler file("data.txt", "w");
file.write("Hello, World!");
// 即使此处出现异常，FileHandler的析构函数也会被调用，确保文件被关闭
} catch (const std::exception& e) {
std::cerr << "错误: " << e.what() << std::endl;
}
}
在上面的例子中，即使在processFile函数中抛出异常，FileHandler对象的析构函数也会被调用，确保文件被正确关闭，避免了资源泄漏。
实现异常安全的实用技巧
1. 使用智能指针管理动态内存
cpp
void unsafeFunction() {
int* array = new int[100]; // 分配内存
processSomething(); // 如果此函数抛出异常，array将泄漏
delete[] array;
}
void safeFunction() {
std::unique_ptr<int[]> array(new int[100]); // RAII方式分配内存
processSomething(); // 即使此函数抛出异常，array也会被自动释放
// 函数结束时array自动释放
}
2. 使用标准库容器而非原始数组
cpp
void unsafeFunction() {
int* array = new int[size];
for (int i = 0; i < size; ++i) {
array[i] = complexCalculation(i); // 可能抛出异常
}
// 使用array...
delete[] array;
}
void safeFunction() {
std::vector<int> array;
array.reserve(size); // 提前分配空间但不改变大小
for (int i = 0; i < size; ++i) {
array.push_back(complexCalculation(i)); // 即使抛出异常，vector也会正确释放已分配的内存
}
// 使用array...
// 函数结束时array自动释放
}
3. 异常中立性：函数透明传递异常
cpp
// 异常中立的函数，不捕获也不抑制可能从其调用的函数传播的异常
void exceptionNeutralFunction(std::vector<int>& vec, int value) {
vec.push_back(value); // 可能抛出内存分配异常，但我们允许它传播
}
4. 实现强异常安全保证
实现强异常保证通常涉及"copy-and-swap"策略：
cpp
class MyClass {
private:
int* data;
size_t size;
public:
// 构造函数、析构函数等...
// 强异常安全的赋值操作符
MyClass& operator=(const MyClass& other) {
// 创建临时副本
MyClass temp(other);
// 交换资源（不会抛出异常）
std::swap(data, temp.data);
std::swap(size, temp.size);
// temp析构时会释放原来的资源
return *this;
}
};
实际案例：异常安全的银行转账系统
下面是一个模拟银行转账的例子，展示了如何应用异常安全原则：
cpp
class Account {
private:
std::string id;
double balance;
std::mutex mtx; // 用于线程安全
public:
Account(std::string accountId, double initialBalance)
: id(std::move(accountId)), balance(initialBalance) {}
void withdraw(double amount) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
if (amount <= 0) {
throw std::invalid_argument("提款金额必须为正数");
}
if (amount > balance) {
throw std::runtime_error("余额不足");
}
balance -= amount;
}
void deposit(double amount) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
if (amount <= 0) {
throw std::invalid_argument("存款金额必须为正数");
}
balance += amount;
}
double getBalance() const {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
return balance;
}
};
// 提供强异常安全保证的转账函数
void transfer(Account& from, Account& to, double amount) {
if (&from == &to) {
return; // 自己转给自己，不做操作
}
// 先从源账户扣款
from.withdraw(amount);
try {
// 然后向目标账户存款
to.deposit(amount);
} catch (...) {
// 如果存款失败，恢复源账户余额
from.deposit(amount);
throw; // 重新抛出异常
}
}
这个示例展示了如何在银行转账系统中实现强异常安全保证。如果在转账过程中发生异常，系统会确保资金不会丢失或重复计算。
异常安全的最佳实践
- 遵循RAII原则：使用构造函数获取资源，析构函数释放资源
- 使用智能指针：
std::unique_ptr、std::shared_ptr代替原始指针 - 标准库容器：优先使用
std::vector、std::string等标准容器 - 小心使用noexcept：只在确保不会抛出异常的函数上使用
- 编写异常中立的代码：允许异常透明地传递
- 测试异常路径：不仅测试正常情况，也测试异常情况
- 明确文档说明：在API文档中清楚说明函数的异常安全保证级别
异常安全陷阱与避免方法
1. 析构函数不应抛出异常
cpp
// 错误示范
class BadClass {
public:
~BadClass() {
throw std::runtime_error("析构函数抛出异常"); // 不好！
}
};
// 正确做法
class GoodClass {
public:
~GoodClass() noexcept {
try {
// 可能抛出异常的清理代码
} catch (...) {
// 记录错误但不传播异常
std::cerr << "析构过程中发生错误" << std::endl;
}
}
};
2. 避免部分初始化问题
cpp
// 问题代码
class PartialInitProblem {
private:
int* array1;
int* array2;
public:
PartialInitProblem(size_t size) {
array1 = new int[size]; // 如果这里成功了
array2 = new int[size]; // 但这里失败了，array1将泄漏
}
~PartialInitProblem() {
delete[] array1;
delete[] array2;
}
};
// 改进版本
class SafeInit {
private:
std::unique_ptr<int[]> array1;
std::unique_ptr<int[]> array2;
public:
SafeInit(size_t size) {
array1 = std::make_unique<int[]>(size);
array2 = std::make_unique<int[]>(size);
}
// 析构函数会自动调用智能指针的析构函数
};
总结
异常安全是编写健壮C++程序的关键方面。通过理解异常安全保证级别，并遵循RAII等核心原则，您可以编写出在面对异常时仍然可靠的代码。
异常安全的关键点包括：
- 使用RAII管理资源
- 理解并提供适当级别的异常安全保证
- 使用智能指针和标准库容器
- 小心编写不会泄漏资源的代码
- 异常中立性和透明传递原则
通过这些技术，您可以确保您的程序即使在异常情况下也能保持一致性和可靠性。
练习
-
找出以下代码的异常安全问题并修复它：
cppvoid processData(const std::string& filename) {
FILE* file = fopen(filename.c_str(), "r");
int* buffer = new int[1000];
// 处理文件数据...
delete[] buffer;
fclose(file);
} -
编写一个具有强异常安全保证的字符串类实现，包括复制构造函数和赋值操作符。
-
实现一个资源管理类，用于管理数据库连接，确保即使在异常情况下连接也能正确关闭。
其他资源
- Exceptional C++ by Herb Sutter
- C++ Coding Standards by Herb Sutter and Andrei Alexandrescu
- C++ Core Guidelines - 特别是异常安全部分