C++异常处理机制
内容导读
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内容图文
异常处理是C++的一项语言机制，用于在程序中处理异常事件。异常事件在C++中表示为异常对象。异常事件发生时，程序使用throw关键字抛出异常表达式，抛出点称为异常出现点，由操作系统为程序设置当前异常对象，然后执行程序的当前异常处理代码块，在包含了异常出现点的最内层的try块，依次匹配catch语句中的异常对象（只进行类型匹配，catch参数有时在catch语句中并不会使用到）。若匹配成功，则执行catch块内的异常处理语句，然后接着执行try…catch…块之后的代码。如果在当前的try…catch…块内找不到匹配该异常对象的catch语句,则由更外层的try…catch…块来处理该异常；如果当前函数内所有的try…catch…块都不能匹配该异常，则递归回退到调用栈的上一层去处理该异常。如果一直退到主函数main()都不能处理该异常，则调用系统函数terminate()终止程序。
一、抛异常---throw
throw是个关键字，与抛出表达式构成了throw语句。其语法为：throw 表达式;throw语句必须包含在try块中，也可以是被包含在调用栈的外层函数的try块中。执行throw语句时，throw表达式将作为对象被复制构造为一个新的对象，称为异常对象。异常对象放在内存的特殊位置，该位置既不是栈也不是堆，在window上是放在线程信息块TIB中。这个构造出来的新对象与本级的try所对应的catch语句进行类型匹配。如下：
在vc++里，throw关键字其实是对RaiseException函数的封装，代码如下：
__declspec(noreturn) extern "C" void __stdcall
#if !defined(_M_ARM) || defined(_M_ARM_NT)
_CxxThrowException(
#else
__CxxThrowException(
#endif
void* pExceptionObject, // The object thrown
_ThrowInfo* pThrowInfo // Everything we need to know about it
) {
EHTRACE_ENTER_FMT1("Throwing object @ 0x%p", pExceptionObject);
static const EHExceptionRecord ExceptionTemplate = { // A generic exception record
EH_EXCEPTION_NUMBER, // Exception number
EXCEPTION_NONCONTINUABLE, // Exception flags (we don't do resume)
NULL, // Additional record (none)
NULL, // Address of exception (OS fills in)
EH_EXCEPTION_PARAMETERS, // Number of parameters
{ EH_MAGIC_NUMBER1, // Our version control magic number
NULL, // pExceptionObject
NULL,
#if _EH_RELATIVE_OFFSETS
NULL // Image base of thrown object
#endif
} // pThrowInfo
};
EHExceptionRecord ThisException = ExceptionTemplate; // This exception
ThrowInfo* pTI = (ThrowInfo*)pThrowInfo;
if (pTI && (THROW_ISWINRT( (*pTI) ) ) )
{
ULONG_PTR *exceptionInfoPointer = *reinterpret_cast<ULONG_PTR**>(pExceptionObject);
exceptionInfoPointer--; // The pointer to the ExceptionInfo structure is stored sizeof(void*) infront of each WinRT Exception Info.
WINRTEXCEPTIONINFO** ppWei = reinterpret_cast<WINRTEXCEPTIONINFO**>(exceptionInfoPointer);
pTI = (*ppWei)->throwInfo;
(*ppWei)->PrepareThrow( ppWei );
}
//
// Fill in the blanks:
//
ThisException.params.pExceptionObject = pExceptionObject;
ThisException.params.pThrowInfo = pTI;
#if _EH_RELATIVE_OFFSETS
PVOID ThrowImageBase = RtlPcToFileHeader((PVOID)pTI, &ThrowImageBase);
ThisException.params.pThrowImageBase = ThrowImageBase;
#endif
//
// If the throw info indicates this throw is from a pure region,
// set the magic number to the Pure one, so only a pure-region
// catch will see it.
//
// Also use the Pure magic number on Win64 if we were unable to
// determine an image base, since that was the old way to determine
// a pure throw, before the TI_IsPure bit was added to the FuncInfo
// attributes field.
//
if (pTI != NULL)
{
if (THROW_ISPURE(*pTI))
{
ThisException.params.magicNumber = EH_PURE_MAGIC_NUMBER1;
}
#if _EH_RELATIVE_OFFSETS
else if (ThrowImageBase == NULL)
{
ThisException.params.magicNumber = EH_PURE_MAGIC_NUMBER1;
}
#endif
}
//
// Hand it off to the OS:
//
EHTRACE_EXIT;
#if defined(_M_X64) && defined(_NTSUBSET_)
RtlRaiseException( (PEXCEPTION_RECORD) &ThisException );
#else
RaiseException( ThisException.ExceptionCode,
ThisException.ExceptionFlags,
ThisException.NumberParameters,
(PULONG_PTR)&ThisException.params );
#endif
}
可以看到，最终调用了RaiseException，这叶证明VC++里的C++异常其实是Windows系统的软件异常
我们写一个简单代码验证一下：
void etest(void)
{
throw 1;
}
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
etest();
}
调试运行观察
二、异常对象
异常对象是一种特殊的对象，编译器依据异常抛出表达式复制构造异常对象，这要求抛出异常表达式不能是一个不完全类型（一个类型在声明之后定义之前为一个不完全类型。不完全类型意味着该类型没有完整的数据与操作描述），而且可以进行复制构造，这就要求异常抛出表达式的复制构造函数（或移动构造函数）、析构函数不能是私有的。
异常对象不同于函数的局部对象，局部对象在函数调用结束后就被自动销毁，而异常对象将驻留在所有可能被激活的catch语句都能访问到的内存空间中，也即上文所说的TIB。当异常对象与catch语句成功匹配上后，在该catch语句的结束处被自动析构。
在函数中返回局部变量的引用或指针几乎肯定会造成错误，同样的道理，在throw语句中抛出局部变量的指针或引用也几乎是错误的行为。如果指针所指向的变量在执行catch语句时已经被销毁，对指针进行解引用将发生意想不到的后果。
throw出一个表达式时，该表达式的静态编译类型将决定异常对象的类型。所以当throw出的是基类指针的解引用，而该指针所指向的实际对象是派生类对象，此时将发生派生类对象切割。除了抛出用户自定义的类型外，C++标准库定义了一组类，用户报告标准库函数遇到的问题。这些标准库异常类只定义了几种运算，包括创建或拷贝异常类型对象，以及为异常类型的对象赋值。
三、C++异常捕获处理框架
try...catch 语句的语法如下：
try {
语句组
}
catch(异常类型) {
异常处理代码
}
...
catch(异常类型) {
异常处理代码
}
catch 可以有多个，但至少要有一个。
不妨把 try 和其后{}中的内容称作“try块”，把 catch 和其后{}中的内容称作“catch块”。
try...catch 语句的执行过程是：
- 执行 try 块中的语句，如果执行的过程中没有异常拋出，那么执行完后就执行最后一个 catch 块后面的语句，所有 catch 块中的语句都不会被执行；
- 如果 try 块执行的过程中拋出了异常，那么拋出异常后立即跳转到第一个“异常类型”和拋出的异常类型匹配的 catch 块中执行（称作异常被该 catch 块“捕获”），执行完后再跳转到最后一个 catch 块后面继续执行。
catch语句匹配被抛出的异常对象。如果catch语句的参数是引用类型，则该参数可直接作用于异常对象，即参数的改变也会改变异常对象，而且在catch中重新抛出异常时会继续传递这种改变。如果catch参数是传值的，则复制构函数将依据异常对象来构造catch参数对象。在该catch语句结束的时候，先析构catch参数对象，然后再析构异常对象。
在进行异常对象的匹配时，编译器不会做任何的隐式类型转换或类型提升。除了以下几种情况外，异常对象的类型必须与catch语句的声明类型完全匹配：
- 允许从非常量到常量的类型转换。
- 允许派生类到基类的类型转换。
- 数组被转换成指向数组（元素）类型的指针。
- 函数被转换成指向函数类型的指针。
寻找catch语句的过程中，匹配上的未必是类型完全匹配那项，而在是最靠前的第一个匹配上的catch语句（我称它为最先匹配原则）。所以，派生类的处理代码catch语句应该放在基类的处理catch语句之前，否则先匹配上的总是参数类型为基类的catch语句，而能够精确匹配的catch语句却不能够被匹配上。在catch块中，如果在当前函数内无法解决异常，可以继续向外层抛出异常，让外层catch异常处理块接着处理。此时可以使用不带表达式的throw语句将捕获的异常重新抛出。被重新抛出的异常对象为保存在TIB中的那个异常对象，与catch的参数对象没有关系，若catch参数对象是引用类型，可能在catch语句内已经对异常对象进行了修改，那么重新抛出的是修改后的异常对象；若catch参数对象是非引用类型，则重新抛出的异常对象并没有受到修改。使用catch(…){}可以捕获所有类型的异常，根据最先匹配原则，catch(…){}应该放在所有catch语句的最后面，否则无法让其他可以精确匹配的catch语句得到匹配。通常在catch(…){}语句中执行当前可以做的处理，然后再重新抛出异常。注意，catch中重新抛出的异常只能被外层的catch语句捕获。
四、异常栈的展开和RAII
就是从异常抛出点一路向外层函数寻找匹配的catch语句的过程，寻找结束于某个匹配的catch语句或标准库函数terminate。这里重点要说的是栈展开过程中对局部变量的销毁问题。我们知道，在函数调用结束时，函数的局部变量会被系统自动销毁，类似的，throw可能会导致调用链上的语句块提前退出，此时，语句块中的局部变量将按照构成生成顺序的逆序，依次调用析构函数进行对象的销毁。
结合RAII机制可以很好的解决异常发生后资源泄漏的问题，RAII（Resource acquisition is initialization，资源获取即初始化）。它的思想是以对象管理资源。为了更为方便、鲁棒地释放已获取的资源，避免资源死锁，一个办法是把资源数据用对象封装起来。程序发生异常，执行栈展开时，封装了资源的对象会被自动调用其析构函数以释放资源。C++中的智能指针便符合RAII。
异常机制的一个合理的使用是在构造函数中。构造函数没有返回值，所以应该使用异常机制来报告发生的问题。更重要的是，构造函数抛出异常表明构造函数还没有执行完，其对应的析构函数不会自动被调用，因此析构函数应该先析构所有所有已初始化的基对象，成员对象，再抛出异常。
C++不禁止析构函数向外界抛出异常，但析构函数被期望不向外界函数抛出异常。析构函数中向函数外抛出异常，将直接调用terminator()系统函数终止程序。如果一个析构函数内部抛出了异常，就应该在析构函数的内部捕获并处理该异常，不能让异常被抛出析构函数之外。可以如此处理：
- 若析构函数抛出异常，调用std::abort()来终止程序。
- 在析构函数中catch捕获异常并作处理。
五、c++异常处理机制的性能问题
异常处理机制的主要环节是运行期类型检查。当抛出一个异常时，必须确定异常是不是从try块中抛出。异常处理机制为了完善异常和它的处理器之间的匹配，需要存储每个异常对象的类型信息以及catch语句的额外信息。由于异常对象可以是任何类型（如用户自定义类型），并且也可以是多态的，获取其动态类型必须要使用运行时类型检查（RTTI），此外还需要运行期代码信息和关于每个函数的结构。
当异常抛出点所在函数无法解决异常时，异常对象沿着调用链被传递出去，程序的控制权也发生了转移。转移的过程中为了将异常对象的信息携带到程序执行处（如对异常对象的复制构造或者catch参数的析构），在时间和空间上都要付出一定的代价，本身也有不安全性，特别是异常对象是个复杂的类的时候。
异常处理技术在不同平台以及编译器下的实现方式都不同，但都会给程序增加额外的负担，当异常处理被关闭时，额外的数据结构、查找表、一些附加的代码都不会被生成，正是因为如此，对于明确不抛出异常的函数，我们需要使用noexcept进行声明。
六、C++异常机制和SEH机制的区别和联系
C++异常机制本质上来说是SEH的一种，且是软件异常的一种，她的产生和分发跟SEH相同，也就是说VC++里的C++异常处理机制本身就是借助SEH机制实现的。下面是它们具体的区别
- C++用tyr/catch,而SEH用__try/__except
- __try/__excep只能有一个__except块，而C++可以有多个catch块
- __except后面是表达式，而catch后面是对象
- SEH有异常终止模型__try/__finaly,而c++只有借助RAII机制来释放资源
相同点就是都是可以嵌套。
内容总结
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