C++ の异常处理(Exception)

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发布日期: 2023-03-01

异常，在操作系统中指的是指令内部出现的"内中断"，如除数为零，地址越界等。这些情况在程序中也时有发生，C++ 为了应对偶发的程序异常事件，引入了异常处理机制。其基于三个关键字：try，throw 与 catch。

异常处理流程

一个完整的异常处理流程如下：

异常处理
try {
  /* code */
  throw SomeException;
} catch (ExceptionType_1& e1) {
  /* Response to exception */
} catch (ExceptionType_2& e2) {
  /* Response to exception */
} catch (ExceptionType_3& e3) {
  /* Response to exception */
}

try 块会正常执行代码，而 throw 表达式则是针对性地抛出一个异常对象。

理论上，你可以在 try 内任何地方使用 throw 语句抛出异常。

一旦抛出了异常，则 try 块后续不再执行，而是进行栈回溯：

异常对象构造完成时，以当前 try-catch 层为起点；
按出现顺序将当前层每个 catch 块的形参类型和异常对象类型进行比较，如果当前层存在匹配，那么控制流跳到匹配的 catch 块；
反之，逃逸到外层，若此时依然处于 try-catch 块内，则重复步骤 2；
调用 std::terminate() 终止程序。

匹配规则为：

形参类型与抛出类型相同，或

形参类型为抛出类型的左值引用、基类、基类引用；

所以如果派生类的 catch 在基类的 catch 之后，那么按照顺序策略，派生类子句将永远无法执行——能被派生类接收的一定能被基类接收。

注意，throw 出的异常对象类型取静态类型，即便存在运行时多态。
取静态类型
class Base {
 public:
  virtual ~Base() = default;
};

class Derived : public Base {
 public:
  virtual ~Derived() = default;
};

int main() {
  try {
    try {
      Derived d;
      Base* b = &d;
      std::cout << "make exception " << typeid(*b).name() << '\n';
      throw *b;
    } catch (Derived& d) {
      std::cerr << "catch " << typeid(d).name() << " success";
    }
  } catch (Base& b) {
    std::cerr << "catch " << typeid(b).name() << " success";
  }
}
// output:
// make exception 6Derive
// catch 4Base success
尽管 *b 在 typeid 算子下为 Derived 类型，但抛出后仍被识别为 type Base，无法被 Derived& 接收。于是栈回溯到外层，与 catch(Base&) 子句匹配，执行对应的代码。

当然，你甚至可以在 try-catch 外再套一层 try-catch，是为重抛：

重抛
try {
  try {
    throw SomeException;
  } catch (ExceptionType& e) {
    /* Do somthing */
    // throw e; // 复制本子句接受到的异常对象 e，然后抛出新的异常对象，e 被释放
                // 这里的 e 可以改为其它任意新声明的异常对象，比如 ExceptionType e1; throw e1;
    throw;      // 重抛出本子句接受到的异常对象 e，不会额外复制
  }
} catch (ExceptionType& e) {
  /* Do something */
}

异常对象指的是由 throw 表达式在未指明的存储中构造的临时对象，不允许出现任何不完整类型、抽象类、右值引用或指向不完整类型的指针（void* 除外）的异常对象。并且对于异常对象类，其构造、析构函数必须公开。

与其他临时对象不同，异常对象在初始化 catch 子句形参时被认为是左值，所以它可以用左值引用捕获、修改及重抛，并且将驻留在所有可能激活的 catch 语句都能访问到的内存空间中，在成功匹配的 catch 语句的结束处被自动析构。

异常对象存放在内存的特殊位置，既不是栈也不是堆，该对象由异常机制负责创建和释放，所以避免 throw new 的做法，存在内存泄漏的问题。bugfree 起见，强烈建议使用派生自 std::exception 的类型来抛出异常对象，并且按左值引用捕获！

std::excecption

std::exception 是所有异常类的基类，提供统一接口，比如 typeid、dynamic_cast、new 抛出的异常都是派生自该类。如果希望自定义异常派生类，则需要实现的 public 函数有：

默认构造函数/初始化构造函数；
拷贝构造函数；
拷贝赋值运算符；

基类有一个虚函数 virtual const char* what() const noexcept，用于返回解释该异常类型的字符串，一般通过重写该虚函数来实现表明不同异常的功能。

noexcept

声明为 noexcept 说明符的函数能够确定性地不抛出异常，也可以通过声明为 noexcept(expr) 的方式，若 expr = true 则等效于 noexcept；反之表明可能抛出异常。如果一个函数声明了 noexcept 还抛异常，编译能过，但会直接 terminate()。关于 noexcept 函数，有以下几点值得注意：

只有异常说明不同的函数无法实现重载。
```
void foo() noexcept;
void foo();  // ERROR!
```
指向不会抛出的函数的指针能赋值给或隐式转换到指向可能抛出的函数的指针，反之不可；
不抛异常的函数允许调用可能抛出的函数，如果该异常未被 catch，则 terminate()；
如果基类虚函数不会抛出，那么所有派生类只要覆盖了该虚函数，无论声明还是定义，都必须不抛出；

C++17 以前还会用 throw(类型列表) 来显式列出函数可能抛出的异常，如果写作 throw() 则等效于 noexcept，但 C++17 已将 throw(类型列表) 移除，且后面的 C++20 也把 throw() 给移除了，故不再深究。

noexcept 还可以当成一个算子，如果 expr 不抛出异常，则 noexcept(expr) 返回 true，反之亦然。

注意，noexcept 说明符不是一种编译时检查，只不过告知编译器函数是否会抛出异常。对于不会抛出的函数，编译器会进行更多优化。构造函数、析构函数、赋值运算符这些均隐式不抛出，除非其内部存在抛出的可能，也可以手动实现为可能抛出，而其它函数则不具备这一性质，所以如果明确知道某函数不抛异常，则可以显式指明 noexcept。

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Effective C++ の Note

久仰本书大名，花了若干时间入门 C++ 后，终于可以拜读一下这部经典作品。当 C++ 律师！

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C++ の泛型编程(Generics)

泛型编程是程序设计语言的一种风格或范式，允许程序员在编写代码时使用一些以后才指定的类型，在实例化时作为参数指明这些类型。在 C++ 里，这是与 OOP 并列的一大分支，通过模板来实现。

2023-02-28 c++

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