如何编写异常安全的C++代码(1)

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    关于C++中异常的争论何其多也，但往往是一些不合事实的误解。异常曾经是一个难以用好的语言特性，幸运的是，随着C++社区的积累，今天我们已经有足够的轻松编写异常的代码了，而且编写异常安全的代码一般也不会对性能造成影响。

　　使用异常还是返回错误码？这是个争论不休的话题。大家一定听说过这样的说法：只有在真正异常的时候，才使用异常。那什么是“真正异常的时候”？在回答这个问题以前，让我们先看一看程序设计中的不变式原理。

　　对象就是聚合加，如何判定一个对象的属性聚合是不是处于逻辑上正确的状态呢？这可以通过一系列的断言，最后下一个结论说：这个对象的属性聚合逻辑上是正确的或者是有问题的。这些断言就是衡量对象属性聚合对错的不变式。

　　我们通常在函数调用中，实施不变式的检查。不变式分为三类：前条件，后条件和不变式。前条件是指在函数调用之前，必须满足的逻辑条件，后条件是函数调用后必须满足的逻辑条件，不变式则是整个函数执行中都必须满足的条件。在我们的讨论中，不变式既是前条件又是后条件。前条件是必须满足的，如果不满足，那就是程序逻辑错误，后条件则不一定。现在，我们可以用不变式来严格定义异常状况了：满足前条件，但是无法满足后条件，即为异常状况。当且仅当发生异常状况时，才抛出异常。

　　关于何时抛出异常的回答中，并不排斥返回值报告错误，而且这两者是正交的。然而，从我们经验上来说，完全可以在这两者中加以选择，这又是为什么呢？事实上，当我们做出这种选择时，必然意味着接口语意的改变，在不改变接口的情况下，其实是无法选择的(试试看，用返回值处理构造函数中的错误)。通过不变式区别出正常和异常状况，还可以地提炼接口。

　　对于异常安全的评定，可分为三个级别：基本保证、强保证和不会失败。

　　基本保证：确保出现异常时程序（对象）处于未知但有效的状态。所谓有效，即对象的不变式检查全部通过。

　　强保证：确保操作的事务性，要么成功，程序处于状态，要么不发生改变。

　　不会失败：对于大多数函数来说，这是很难保证的。对于C++程序，至少析构函数、释放函数和swap函数要确保不会失败，这是编写异常安全代码的基础。

　　首先从异常情况下资源管理的问题开始.很多人可能都这么干过:

Type* obj = new Type;
try{ do_something...}
catch(...){ delete obj; throw;}
　　不要这么做!这么做只会使你的代码看上去混乱,而且会降低效率,这也是一直以来异常名声不大好的原因之一. 请借助于RAII来完成这样的工作:

auto_ptrobj_ptr(new Type);
do_something...
　　这样的代码简洁、安全而且无损于效率。当你不关心或是无法处理异常时,请不要试图捕获它。并非使用try...catch才能编写异常安全的代码,大部分异常安全的代码都不需要try...catch。我承认，现实世界并非总是如上述的例子那样简单，但是这个例子确实可以代表很多异常安全代码的做法。在这个例子中，boost::scoped_ptr是auto_ptr一个更适合的替代品。

　　现在来考虑这样一个构造函数：

Type() : m_a(new TypeA), m_b(new TypeB){}
　　假设成员变量m_a和m_b是原始的指针类型，并且和Type内的申明顺序一致。这样的代码是不安全的，它存在资源泄漏问题，构造函数的失败回滚机制无法应对这样的问题。如果new TypeB抛出异常,new TypeA返回的资源是得不到释放机会的.曾经,很多人用这样的方法避免异常:

Type() : m_a(NULL), m_b(NULL){
　auto_ptrtmp_a(new TypeA);
　auto_ptrtmp_b(new TypeB);
　m_a = tmp_a.release();
　m_b = tmp_b.release();
}
　　当然,这样的方法确实是能够实现异常安全的代码的,而且其中实现思想将是非常重要的,在如何实现强保证的异常安全代码中会采用这种思想.然而这种做法不够彻底，至少析构函数还是要手动完成的。我们仍然可以借助RAII技术，把这件事做得更为彻底：shared_ptrm_a; shared_ptrm_b;这样,我们就可以轻而易举地写出异常安全的代码:

Type() : m_a(new TypeA), m_b(new TypeB){}
　　如果你觉得shared_ptr的性能不能满足要求，可以编写一个接口类似scoped_ptr的智能指针类,在析构函数中释放资源即可。如果类设计成不可复制的，也可以直接用scoped_ptr。强烈建议不要把auto_ptr作为数据成员使用,scoped_ptr虽然名字不大好，但是至少很安全而且不会导致混乱。

　　RAII技术并不仅仅用于上述例子中，所有必须成对出现的操作都可以通过这一技术完成而不必try...catch.下面的代码也是常见的：
a_lock.lock();

try{ ...} catch(...) {a_lock.unlock();throw;}
a_lock.unlock();
　　可以这样解决，先提供一个成对操作的辅助类：

struct scoped_lock{
　explicit scoped_lock(Lock& lock) : m_l(lock){m_l.lock();}
　~scoped_lock(){m_l.unlock();}
　private:
　　Lock& m_l;
};
　　然后，代码只需这样写：

scoped_lock guard(a_lock);
do_something...
　　清晰而优雅！继续考察这个例子,假设我们并不需要成对操作, 显然，修改scoped_lock构造函数即可解决问题。然而，往往方法名称和参数也不是那么固定的，怎么办？可以借助这样一个辅助类：

template
struct pair_guard{
　pair_guard(FEnd fe, FBegin fb) : m_fe(fe) {if (fb) fb();}
　~pair_guard(){m_fe();}
　private:
　　FEnd m_fe;
　　...//禁止复制
};
typedef pair_guard, function>simple_pair_guard;
　　好了，借助boost库,我们可以这样来编写代码了：

simple_pair_guard guard(bind(&Lock::unlock, a_lock), bind(&Lock::lock, a_lock) );
do_something...
　　我承认，这样的代码不如前面的简洁和容易理解，但是它更灵活,无论函数名称是什么，都可以拿来结对。我们可以加强对bind的运用，结合占位符和reference_wrapper,就可以处理函数参数、动态绑定变量。所有我们在catch内外的相同工作，交给pair_guard去完成即可。
考察前面的几个例子，也许你已经发现了，所谓异常安全的代码，竟然就是如何避免try...catch的代码，这和直觉似乎是违背的。有些时候，事情就是如此违背直觉。异常是无处不在的，当你不需要关心异常或者无法处理异常的时候，就应该避免捕获异常。除非你打算捕获所有异常，否则，请务必把未处理的异常再次抛出。try...catch的方式固然能够写出异常安全的代码，但是那样的代码无论是清晰性和效率都是难以忍受的，而这正是很多人抨击C++异常的理由。在C++的世界，就应该按照C++的法则来行事。

　　如果按照上述的原则行事，能够实现基本保证了吗？诚恳地说，基础设施有了，但技巧上还不够，让我们继续不够的部分。