异常与构造函数、析构函数

写Java代码的时候，遇到错误总是喜欢抛出异常，简单实用。最近开始写C++代码，发现异常没那么简单，使用须谨慎。

 

翻阅了《Effective C++》 《More Effective C++》《Inside The C++ Object Model》的相关章节，大概弄明白了一些东东，总结在本文。

 

本文不是总结普适的C++异常机制，还没有这个内力哈！ 主要是结合构造函数和析构函数，来总结异常对他俩的影响。构造函数和析构函数本来就很折磨脑筋，再叠加上异常机制，确实比较复杂。

 

异常与析构函数

本节内容较少，因此先说。构造函数放到下一节讨论。

 

绝对不要将异常抛出析构函数

这一条在《Effective C++》 《More Effective C++》中均被作为独立章节讲解，可见其重要性。

 

有一点不要误解：析构函数的代码当然可以throw异常，只是这个异常不要被抛出析构函数之外。如果在析构函数中catch住异常，并且不再抛出，这就不会带来问题。

 

至于原因，有两点。我们先看第一点。

 

异常被抛出析构函数之外，往往意味着析构函数的工作没有做完。如果析构函数需要释放一些资源，异常可能导致资源泄露，使得程序处于一个不安全的状态。

 

如下面的伪代码所示，异常导致p不能free，从而造成内存泄露。

class A
{
public:
    ~A()
   {
        throw exception;
        free(p);
   }
};

 

OK，这个问题好办，我好好写代码，确保析构函数释放所有的资源之后，才抛出异常。这还不行吗？

class A
{
public:
    ~A()
   {
        free(p);
        throw exception;
   }
};

 

嗯，确实不行。我们来看第二个原因。

 

如果两个异常同时存在：第一个异常还没有被catch，第二个异常又被抛出，这会导致C++会调用terminate函数，把程序结束掉！

 

这简直是灾难，远比资源泄漏要严重。

 

那么，什么时候会同时出现两个异常呢？看下面的代码。

void f()
{
    A a;   // 没错，就是前面的class A
    throw exception;
}

 

f()抛出异常后，会进行stack-unwinding。在这个过程中，会析构所有的active local object。所谓active local object，就是已经构造完成的局部对象，例如上面的对象a。

 

调用a的析构函数时，（第一个）异常还没有被catch。可是a的析构函数也抛出了（第二个）异常。这时，两个异常同时存在了。程序会毫不留情地结束！

 

这个理由足够充分了：再也不要让异常逃离你的析构函数！

 

异常与构造函数

构造函数本来就是一件难以琢磨的东东，背后做了很多事情：成员对象的构造、基类成分的构造、虚表指针的设置等。这些事情本来就很纠结了，再让构造函数抛出异常，会出现怎样的悲剧呢？

 

有一点比较安慰：异常即使被抛出构造函数之外，也不会造成程序结束。那么，是否存在资源泄漏的问题呢？不可一概而论，我们分情况分析。

 

对象自身的内存如何释放

对象有可能在栈上，也可能在堆上，我们分两种情况讨论。

// 对象在栈上
f()
{
    A a;
}

// 对象在堆上
f()
{
    A * a = new A();
}

如果对象是在栈上，那么函数退栈自然会释放a占用的空间，无需多虑。

 

如果对象是在堆上，我们还得两种情况讨论：

1. 如果是new运算符抛出的异常，那么堆空间还没有分配成功，也就无需释放
2. 如果是构造函数抛出的异常，堆空间已经分配成功，那么编译器会负责释放堆空间（Inside The C++ Object Model, p301）
   

可见，对象本身的内存，是不会泄露的。

 

成员对象和基类成分怎么办

成员对象和基类成分的内存，会随着对象自身内存的释放而被一起释放，没什么问题。

 

但是，有一点需要谨记：如果一个对象的构造函数抛出异常，那么该对象的析构函数不会被调用。

 

原因很简单：如果对象没有被构造完整，析构函数中的某些代码可能会有风险。为了避免这类意外问题，编译器拒绝生成调用析构函数的代码。

 

那么，成员对象的基类成员对象的析构函数，会被调用吗？如果不会调用，则可能出现资源泄漏。答案是，会被调用。见下面的代码。

class B : class C
{
    A a;
    A * pa;
public:
    B()
    {
        pa = new A();
    }

    ~B()
    {
        delete pa;
    }
};

 

如果B的构造函数抛出异常，编译器保证：成员对象a的析构函数、基类C的析构函数会被调用（Inside The C++ Object Model, p301）。

 

成员指针怎么办

注意上述代码中的pa，它指向一块堆空间，由于B的析构函数不会被调用了，内存就会出现泄漏。

 

这还真是一个问题，编译器也不能帮我们做更多事情，只能由程序员自己负责释放内存。

 

我们可能要这样写代码

class B : class C
{
    A a;
    A * pa;
public:
    B()
    {
        pa = new A();
        try {
            throw exception;
        } catch(...)
        {
            delete pa; //确保释放pa
            throw;
        }
    }

    ~B()
    {
        delete pa;
    }
};

 

这样的代码难看很多，有一种建议的做法就是：用智能指针包装pa。智能指针作为B的成员对象，其析构函数是可以被自动调用的，进而释放pa。

 

析构函数如何被自动调用

上面提到：

1. 普通函数抛出异常时，所有active local object的析构函数都会被调用
2. 构造函数抛出异常时，所有成员对象以及基类成分的析构函数都会被调用

那么，这是怎么实现的呢？

 

我们以第一种情况为例，分析实现细节。看下面的代码：

f()
{
    A a1;
    if (...) {  // 某些条件下，抛出异常
        throw exception;
    }
    A a2;
    throw exception; // 总会抛出异常
}

 

如果L5抛出异常，那么对象a1会被析构。如果L8抛出异常，那么对象a1 a2都要被析构。编译器是怎么知道，什么时候该析构哪些对象的呢？

 

支持异常机制的编译器，会做一些”簿记“工作，将需要被析构的对象登记在特定的数据结构中。编译器将上述代码分成不同的区段，每个区段中需要被析构的对象，都不相同。

 

例如，上述代码中，L3 L4~L7 L8就是三个不同的区段：

1. 如果L3抛出异常，那么没有对象需要析构
2. 如果L4~L7抛出异常，那么a1需要被析构
3. 如果L8抛出异常，那么a1和a2都要析构

编译器通过分析代码，簿记这些区段以及需要析构的object list。运行时，根据异常抛出时所在的区段，查找上述的数据结构，就可以知道哪些对象需要被析构。

 

构造函数抛出异常时，成员对象及基类成分被析构的原理，是类似的。在C++运行时看来，构造函数只是普通的函数而已。

 

总结

C++的异常机制，给编译器和运行时均带来了一定的复杂度和代价。上述的”簿记“工作，只是冰上一角。

 

关于异常的使用，也有很多坑。怎么throw 怎么catch，都是有讲究的。有空下次再做总结。