C++异常

1. 什么是异常？

异常是程序在运行时可能发生的、超出正常执行流程的事件（或错误）。例如：除以零、内存分配失败、文件不存在、无效的用户输入等。

C++ 提供了一套结构化的机制来抛出（throw）和捕获（catch）这些异常，从而将正常的业务逻辑与错误处理代码清晰地分离开。

2. 异常的抛出与捕获

• 程序出现问题时，我们通过抛出（throw）⼀个对象来引发⼀个异常，该对象的类型以及当前的调⽤链决定了应该由哪个catch的处理代码来处理该异常。

• catch通常捕获的是离抛出异常位置最近且与抛出对象类型匹配的，根据抛出对象的类型和内容，程序的抛出异常部分告知异常处理部分到底发⽣了什么错误。

• 当throw执⾏时，throw后⾯的语句将不再被执⾏。程序的执⾏从throw位置跳到与之匹配的catch模块，catch可能是同⼀函数中的⼀个局部的catch，也可能是调⽤链中另⼀个函数中的catch，控制权从throw位置转移到了catch位置。这⾥还有两个重要的含义：1、沿着调⽤链的函数可能提早退出。2、⼀旦程序开始执⾏异常处理程序，沿着调⽤链创建的对象都将销毁。

• 抛出异常对象后，会⽣成⼀个异常对象的拷⻉，因为抛出的异常对象可能是⼀个局部对象，所以会⽣成⼀个拷⻉对象，这个拷⻉的对象会在catch⼦句后销毁。

3. 栈展开

• 栈展开是当异常被抛出后，为了找到匹配的 catch 块，C++ 运行时系统自动沿着函数调用链（即调用栈）向上回溯的过程。在这个过程中，它会析构所有已创建但尚未析构的局部对象。

• 这个过程确保了即使在异常发生时，资源也能被正确释放，避免了内存泄漏。

• 对于使用 new 在堆上手动分配的对象，如果只有原始指针指向它，那么在栈展开过程中，这个对象不会被自动析构，会导致内存泄漏。

  • 解决方案：使用智能指针。

• 如果到达main函数，依旧没有找到匹配的catch⼦句，程序会调⽤标准库的 terminate 函数终⽌程序。

• 如果找到匹配的catch⼦句处理后，catch⼦句代码会继续执⾏。

4. 异常的一些注意事项

• ⼀般情况下抛出对象和catch是类型完全匹配的，如果有多个类型匹配的，就选择离他位置更近的那个。

• 类型完全匹配，但是也有一些例外情况。

  • 权限缩小的转换

  • 数组到指针的转换

  • 函数到函数指针的转换

  • 派生类到基类的转换（重要）

• 异常处理的最后防线

  • 在C++异常处理中，如果异常一直传递到 main() 函数仍然没有被捕获，程序就会异常终止。除非发生无法恢复的严重错误，否则我们通常不希望程序这样突然结束。因此，最佳实践是在 main() 函数的最后使用 catch(...) 作为安全网。

  • int main() {
        try {
            // 程序主要逻辑
            runProgram();
        }
        catch (const std::exception& e) {
            // 捕获标准异常
            std::cerr << "标准异常: " << e.what() << std::endl;
        }
        catch (...) {
            // 捕获所有其他未知异常
            std::cerr << "发生未知异常！" << std::endl;
        }
        return 0;
    }
    

  • catch(…)的局限性

    • 能捕获任意类型的异常

    • 无法获取异常的具体信息

    • 不能知道异常的类型或内容

• 异常的重新抛出。

  • 异常重新抛出是指在 catch 块中捕获异常后，再次抛出同一个异常，让外层的调用者继续处理。

  • 重新抛出使用 throw;。

• noexcept 是 C++11 引入的关键字，用于指定函数不会抛出异常。

• // 该函数承诺不会抛出任何异常
  void myFunction() noexcept {
      // 函数实现
      // 如果这里抛出了异常，程序会调用 std::terminate()
  }
  

• 移动操作通常应该标记为 noexcept，移动操作标记为 noexcept 能够让标准库容器和算法安全地使用移动语义而不是拷贝语义，从而获得显著的性能提升。