C++异常处理与资源管理详解

### C++ 异常处理与资源管理详解 #### 1. 异常保证 在编程中，要从错误中恢复，也就是捕获异常并继续执行程序，我们需要了解在尝试恢复操作前后，程序状态的假设情况。只有这样，恢复操作才具有意义。如果一个操作在因抛出异常而终止时，能让程序处于有效状态，我们就称该操作为异常安全的。不过，要使这个概念有意义且实用，我们必须明确“有效状态”的含义。 对于对象，我们假设类有类不变式，它由构造函数建立，并由所有可访问对象表示的函数维护，直到对象被销毁。所以，有效状态意味着构造函数已完成，而析构函数尚未开始执行。对于不易视为对象的数据，我们也需进行类似推理。例如： ```cpp namespace Points { // (vx[i],vy[i]) is a point for all i vector<int> vx; vector<int> vy; }; ``` 这里假设 `vx.size() == vy.size()` 始终为真，但这只是在注释中说明，编译器不会读取注释，这种隐式不变式很难发现和维护。 在抛出异常之前，函数必须将所有已构造的对象置于有效状态，但这种有效状态可能不适合调用者。例如，字符串可能为空，容器可能未排序。因此，为了完全恢复，错误处理程序可能需要生成比进入 `catch` 子句时更合适的应用程序值。 C++ 标准库为设计异常安全的程序组件提供了一个通用的概念框架，为每个库操作提供以下保证之一： | 保证类型 | 描述 | 示例操作 | | ---- | ---- | ---- | | 基本保证 | 所有对象的基本不变式得到维护，且没有资源（如内存）泄漏。 | 所有标准库操作 | | 强保证 | 除提供基本保证外，操作要么成功，要么没有效果。 | `push_back()`、列表的单元素 `insert()`、`uninitialized_copy()` | | 不抛出异常保证 | 除提供基本保证外，某些操作保证不会抛出异常。 | 两个容器的 `swap()`、`pop_back()` | 基本保证和强保证的提供条件如下： - 用户提供的操作（如赋值和 `swap()` 函数）不会使容器元素处于无效状态。 - 用户提供的操作不会泄漏资源。 - 析构函数不会抛出异常。 违反标准库要求，如析构函数通过抛出异常退出，在逻辑上等同于违反基本语言规则，如解引用空指针，实际效果也类似，往往是灾难性的。 基本保证和强保证都要求没有资源泄漏，这对于不能承受资源泄漏的系统是必要的。例如，抛出异常的操作不仅要使操作数处于明确定义的状态，还要确保它获取的每个资源最终被释放。 ```cpp void f(int i) { int* p = new int[10]; // ... if (i < 0) { delete[] p; // delete before the throw or leak throw Bad(); } // ... } ``` 要记住，内存不是唯一可能泄漏的资源，文件、锁、网络连接和线程等都是系统资源。函数在抛出异常之前可能需要释放这些资源或将它们交给某个资源处理程序。 C++ 语言关于部分构造和析构的规则确保在构造子对象和成员时抛出的异常能被正确处理，无需标准库代码特别关注。一般来说，我们必须假设每个可能抛出异常的函数都会抛出异常，所以代码结构要避免陷入复杂的控制结构和脆弱的数据结构中。 #### 2. 资源管理 当函数获取资源（如打开文件、从自由存储区分配内存、获取互斥锁等）时，为了系统的未来运行，通常必须正确释放这些资源。常见的做法是让获取资源的函数在返回给调用者之前释放资源。例如： ```cpp void use_file(const char* fn) // naive code { FILE* f = fopen(fn, "r"); // ... use f ... fclose(f); } ``` 但如果在 `fopen()` 调用之后、`fclose()` 调用之前出现问题，异常可能导致 `use_file()` 退出而不调用 `fclose()`。为了使 `use_file()` 具有容错性，最初的尝试如下： ```cpp void use_file(const char* fn) // clumsy code { FILE* f = fopen(fn, "r"); try { // ... use f ... } catch (...) { // catch every possible exception fclose(f); throw; } fclose(f); } ``` 这个解决方案冗长、繁琐且可能代价高昂，当需要获取和释放多个资源时，代码会变得更加复杂。 更优雅的解决方案是使用具有构造函数和析构函数的类对象来处理资源获取和释放问题。例如，我们可以定义一个 `File_ptr` 类： ```cpp class File_ptr { FILE* p; public: File_ptr(const char* n, const char* a) // open file n : p{fopen(n, a)} { if (p == nullptr) throw runtime_error{"File_ptr: Can't open file"}; } File_ptr(const string& n, const char* a) // open file n : File_ptr{n.c_str(), a} { } explicit File_ptr(FILE* pp) // assume ownership of pp : p{pp} { if (p == nullptr) throw runtime_error("File_ptr: nullptr"); } // ... suitable move and copy operations ... ~File_ptr() { fclose(p); } operator FILE*() { return p; } }; ``` 使用 `File_ptr` 后，`use_file` 函数可以简化为： ```cpp void use_file(const char* fn) { File_ptr f(fn, "r"); // ... use f ... } ``` 这种使用局部对象管理资源的技术通常称为“资源获取即初始化”（RAII），它依赖于构造函数和析构函数的属性以及它们与异常处理的交互。 当需要对象指针而不是局部对象时，可以考虑使用标准库类型 `unique_ptr` 和 `shared_ptr` 来避免泄漏。 #### 3. “Finally” 机制 有些人觉得将资源表示为具有析构函数的类对象