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【C++】异常介绍：高级应用与性能优化

news 2025/10/3 6:47:39

关键概念

C++异常处理的高级应用涉及异常安全、性能优化和现代C++特性的结合。异常安全是指当异常发生时，程序仍能保持一致状态的能力。性能优化则关注如何减少异常处理的运行时开销，特别是在异常不经常抛出的情况下。现代C++通过noexcept、移动语义和智能指针等特性，使异常处理更加高效和安全。理解这些高级概念对于编写高性能、可靠的C++代码至关重要。

核心技巧

异常安全编程模式：实现强异常安全保证的Copy-and-Swap惯用法
性能优化：使用noexcept减少异常处理开销
异常与移动语义：结合移动操作优化异常处理
异常传播控制：精确控制异常的传播和处理

应用场景

高级异常处理技术适用于：

高性能系统库开发
实时系统中的错误处理
大型项目的异常策略设计
跨平台异常处理优化

详细代码案例分析

#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <vector>
#include <memory>
#include <algorithm>
#include <utility>
// 自定义异常类层次
class VectorException : public std::runtime_error {
public:explicit VectorException(const std::string& msg) : std::runtime_error("Vector Error: " + msg) {}
};
class OutOfRangeException : public VectorException {
public:explicit OutOfRangeException(size_t index, size_t size): VectorException("Index " + std::to_string(index) + " out of range for size " + std::to_string(size)) {}
};
class AllocationException : public VectorException {
public:explicit AllocationException(size_t size): VectorException("Failed to allocate " + std::to_string(size) + " bytes") {}
};
// 简化的向量类，展示异常安全和移动语义
template <typename T>
class SafeVector {
private:T* data;size_t size_;size_t capacity_;// 辅助函数：分配内存void allocate(size_t newCapacity) {if (newCapacity == 0) {data = nullptr;return;}try {data = new T[newCapacity];} catch (const std::bad_alloc&) {throw AllocationException(newCapacity * sizeof(T));}}// 辅助函数：释放内存void deallocate() noexcept {delete[] data;data = nullptr;}// 辅助函数：复制元素void copyElements(const T* src, size_t count) {try {std::uninitialized_copy_n(src, count, data);} catch (...) {deallocate();throw;}}public:// 默认构造函数SafeVector() noexcept : data(nullptr), size_(0), capacity_(0) {}// 构造函数explicit SafeVector(size_t size) : size_(size), capacity_(size) {allocate(capacity_);try {std::uninitialized_value_construct_n(data, size_);} catch (...) {deallocate();throw;}}// 拷贝构造函数SafeVector(const SafeVector& other) : size_(other.size_), capacity_(other.capacity_) {allocate(capacity_);copyElements(other.data, size_);}// 移动构造函数SafeVector(SafeVector&& other) noexcept : data(other.data), size_(other.size_), capacity_(other.capacity_) {other.data = nullptr;other.size_ = 0;other.capacity_ = 0;}// 析构函数~SafeVector() noexcept {clear();deallocate();}// 拷贝赋值运算符 (使用copy-and-swap实现强异常安全)SafeVector& operator=(SafeVector other) noexcept {swap(other);return *this;}// 移动赋值运算符SafeVector& operator=(SafeVector&& other) noexcept {if (this != &other) {clear();deallocate();data = other.data;size_ = other.size_;capacity_ = other.capacity_;other.data = nullptr;other.size_ = 0;other.capacity_ = 0;}return *this;}// 交换函数void swap(SafeVector& other) noexcept {using std::swap;swap(data, other.data);swap(size_, other.size_);swap(capacity_, other.capacity_);}// 元素访问 (带边界检查)T& at(size_t index) {if (index >= size_) {throw OutOfRangeException(index, size_);}return data[index];}const T& at(size_t index) const {if (index >= size_) {throw OutOfRangeException(index, size_);}return data[index];}// 无边界检查的访问T& operator[](size_t index) noexcept {return data[index];}const T& operator[](size_t index) const noexcept {return data[index];}// 大小和容量size_t size() const noexcept { return size_; }size_t capacity() const noexcept { return capacity_; }bool empty() const noexcept { return size_ == 0; }// 清空向量void clear() noexcept {std::destroy_n(data, size_);size_ = 0;}// 预留空间void reserve(size_t newCapacity) {if (newCapacity <= capacity_) return;SafeVector<T> temp;temp.capacity_ = newCapacity;temp.allocate(newCapacity);temp.size_ = size_;temp.copyElements(data, size_);swap(temp);}// 调整大小void resize(size_t newSize) {if (newSize > capacity_) {reserve(newSize * 2);}if (newSize > size_) {std::uninitialized_value_construct_n(data + size_, newSize - size_);} else if (newSize < size_) {std::destroy_n(data + newSize, size_ - newSize);}size_ = newSize;}// 推入元素void push_back(const T& value) {if (size_ >= capacity_) {reserve(capacity_ == 0 ? 1 : capacity_ * 2);}try {new (data + size_) T(value);} catch (...) {throw;}++size_;}void push_back(T&& value) {if (size_ >= capacity_) {reserve(capacity_ == 0 ? 1 : capacity_ * 2);}try {new (data + size_) T(std::move(value));} catch (...) {throw;}++size_;}// 弹出元素void pop_back() noexcept {if (size_ > 0) {--size_;data[size_].~T();}}
};
// 测试函数
void testExceptionSafety() {std::cout << "Testing exception safety...\n";try {SafeVector<std::string> vec(5);for (size_t i = 0; i < vec.size(); ++i) {vec[i] = "Item " + std::to_string(i);}// 测试拷贝构造SafeVector<std::string> copy = vec;// 测试移动构造SafeVector<std::string> moved = std::move(vec);// 测试赋值SafeVector<std::string> assigned;assigned = copy;// 测试边界检查try {std::cout << moved.at(10) << "\n";} catch (const OutOfRangeException& e) {std::cout << "Caught expected exception: " << e.what() << "\n";}// 测试push_backmoved.push_back("New item");std::cout << "Last item: " << moved.at(moved.size() - 1) << "\n";} catch (const VectorException& e) {std::cerr << "Vector exception: " << e.what() << "\n";} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "Standard exception: " << e.what() << "\n";}
}
int main() {testExceptionSafety();return 0;
}

代码分析（超过500字）

这个SafeVector实现展示了C++异常处理的高级应用。首先，我们定义了一个异常层次结构，包括VectorException基类和两个派生类OutOfRangeException和AllocationException。这种设计允许针对不同类型的错误进行精确处理。构造函数展示了异常安全的基本原则。在SafeVector(size_t size)构造函数中，我们首先分配内存，然后构造元素。如果元素构造失败，析构函数会被自动调用，释放已分配的内存。这种"先分配资源，再执行可能失败的操作"的模式是异常安全编程的关键。拷贝构造函数展示了更强的异常安全保证。它使用uninitialized_copy_n复制元素，如果复制过程中抛出异常，会自动调用已构造元素的析构函数。我们还在catch块中释放内存，确保没有资源泄漏。移动构造函数和移动赋值运算符标记为noexcept，这是一个重要的优化。noexcept告诉编译器这些函数不会抛出异常，允许编译器生成更高效的代码，特别是在容器重新分配时。如果移动操作可能抛出异常，标准库容器会回退到拷贝操作，影响性能。拷贝赋值运算符使用了copy-and-swap惯用法，这是实现强异常安全保证的经典技术。它通过值传递参数创建临时副本，然后交换内容。如果任何操作失败，只会影响临时对象，不会修改当前对象的状态。 at方法展示了边界检查和异常抛出。当索引越界时，抛出包含详细信息的OutOfRangeException。这种设计提供了比标准库std::vector::at更丰富的错误信息。 reserve方法展示了如何安全地重新分配内存。它创建一个新的临时向量，复制元素，然后交换内容。这种实现确保了即使复制失败，原向量也不会被修改。 push_back方法展示了如何处理可能的内存不足情况。当容量不足时，它会扩展容量。扩展操作本身是异常安全的，因为它使用了copy-and-swap技术。然后使用placement new构造新元素，如果构造失败，向量状态保持不变。整个实现都遵循了异常安全的三种保证：