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C++：异常处理与智能指针实战指南

news 2025/10/8 6:01:56

C++ 进阶：异常处理与智能指针实战指南

在 C++ 开发中，“错误处理” 与 “资源管理” 是两大核心痛点。传统 C 语言的错误处理方式繁琐且脆弱，而手动管理内存又容易因异常导致泄漏。本文将从异常机制入手，逐步过渡到智能指针，带你掌握 C++ 中可靠编程的关键技术，解决 “如何优雅处理错误” 与 “如何安全管理资源” 两大难题。

一、C++ 异常：告别错误码的优雅解决方案

在 C 语言中，我们习惯用assert终止程序或返回错误码处理问题，但这些方式存在明显局限。C++ 异常机制的出现，让错误处理更灵活、信息更完整。

1.1 先看 C 语言错误处理的痛点

C 语言处理错误的两种核心方式，都有难以规避的缺陷：

终止程序（如 assert）：过于粗暴，用户无法接受（比如内存错误直接崩溃）；
返回错误码：需要手动检查每个函数返回值，深层调用链中需 “层层传递” 错误，代码冗余且易遗漏。

举个例子，若ConnectSql函数返回错误码，调用链需逐层传递才能让外层处理：

// C语言风格：错误码层层传递的冗余
int ConnectSql() {if (权限不足) return 1;if (连接失败) return 2;return 0;
}int ServerStart() {int ret = ConnectSql();if (ret != 0) return ret; // 手动传递错误码int fd = socket();if (fd < 0) return errno; // 再传递系统错误码
}int main() {int ret = ServerStart();if (ret != 0) {// 还需根据错误码查表判断具体问题printf("错误码：%d\n", ret);}return 0;
}

1.2 异常的基本用法：try/throw/catch

C++ 通过try（保护代码）、throw（抛出异常）、catch（捕获异常）三段式处理错误，核心逻辑是 “哪里出错抛哪里，哪里能处理哪里接”。

语法框架

try {// 可能抛出异常的“保护代码”函数调用或危险操作;
} catch (异常类型1 e1) {// 处理类型1的异常
} catch (异常类型2 e2) {// 处理类型2的异常
} catch (...) {// 捕获所有未匹配的异常（兜底，避免程序崩溃）
}

实战示例：除 0 错误处理

用异常重构 “除 0 错误”，无需层层传递错误码：

#include <iostream>
using namespace std;// 发生除0时抛出异常
double Division(int a, int b) {if (b == 0) {// 抛出字符串异常（也可抛自定义对象）throw "Division by zero condition!";}return (double)a / b;
}void Func() {int len, time;cin >> len >> time;// 若Division抛异常，直接跳转到catchcout << Division(len, time) << endl;
}int main() {try {Func();} catch (const char* errmsg) {// 捕获字符串类型异常，打印错误信息cout << "错误：" << errmsg << endl;} catch (...) {// 兜底：捕获所有其他类型异常cout << "未知异常" << endl;}return 0;
}

1.3 异常的核心规则：必须掌握的细节

异常的抛出与捕获并非 “随便匹配”，需遵守以下规则，否则易导致程序崩溃：

（1）匹配原则：类型决定捕获逻辑

异常对象的类型决定了哪个catch会被激活；
允许 “派生类对象抛，基类捕获”（实战中常用此特性设计异常体系）；
catch(...)是 “万能捕获”，但无法获取异常具体信息，需谨慎使用。

（2）栈展开：从抛出点找捕获点

若throw不在try内，或try后无匹配的catch，会触发 “栈展开”：

退出当前函数栈，回到调用者的栈帧；
重复检查调用者的try/catch，直到找到匹配的catch；
若一直找到main函数仍无匹配，程序直接终止。

（3）异常重新抛出：部分处理后移交外层

若单个catch无法完全处理异常（比如仅释放资源），可通过throw;重新抛出，让外层处理：

void Func() {// 申请资源（若抛异常需释放）int* array = new int[10];try {int len, time;cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl;} catch (...) {// 先释放资源，再重新抛出异常cout << "释放array：" << array << endl;delete[] array;throw; // 移交外层处理}// 正常执行时释放资源delete[] array;
}

1.4 异常安全：那些不能踩的坑

异常虽好，但若使用不当，会导致资源泄漏、对象不完整等问题，核心注意两点：

（1）构造函数：尽量不抛异常

构造函数负责对象初始化，若中途抛异常，对象可能处于 “半初始化” 状态（部分成员已创建，部分未创建），导致资源泄漏。

（2）析构函数：绝对不抛异常

析构函数负责资源清理（如delete、关闭文件），若抛异常：

若已有一个异常在处理中，会直接终止程序；
可能导致资源未释放（如delete未执行）。

1.5 实战：自定义异常体系（企业级规范）

实际项目中，若随意抛int、string等零散类型，外层无法统一处理。规范做法是设计继承式异常体系：定义一个基类，所有具体异常继承自它，外层只需捕获基类即可。

企业级异常体系示例

#include <string>
using namespace std;// 异常基类
class Exception {
public:Exception(const string& errmsg, int id) : _errmsg(errmsg), _id(id) {}// 虚函数：支持多态，子类重写错误信息virtual string what() const {return _errmsg;}protected:string _errmsg; // 错误描述int _id;        // 错误编号（便于定位问题）
};// SQL异常（派生类）
class SqlException : public Exception {
public:SqlException(const string& errmsg, int id, const string& sql): Exception(errmsg, id), _sql(sql) {}// 重写what，添加SQL信息virtual string what() const override {string str = "SqlException: ";str += _errmsg;str += " (SQL: ";str += _sql;str += ")";return str;}private:string _sql; // 出问题的SQL语句
};// 缓存异常（派生类）
class CacheException : public Exception {
public:CacheException(const string& errmsg, int id): Exception(errmsg, id) {}virtual string what() const override {return "CacheException: " + _errmsg;}
};// 模拟SQL操作：随机抛异常
void SQLMgr() {srand(time(0));if (rand() % 7 == 0) {throw SqlException("权限不足", 100, "select * from user where name='张三'");}
}// 模拟缓存操作：随机抛异常
void CacheMgr() {srand(time(0));if (rand() % 5 == 0) {throw CacheException("数据不存在", 101);}SQLMgr(); // 调用SQL操作
}int main() {while (1) {this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));try {CacheMgr();cout << "操作成功" << endl;} catch (const Exception& e) {// 捕获基类，统一处理所有异常（多态生效）cout << "捕获异常：" << e.what() << endl;} catch (...) {cout << "未知异常" << endl;}}return 0;
}

优势

外层只需一个catch(const Exception& e)，即可处理所有派生类异常；
错误信息结构化（含错误编号、SQL 语句等），便于定位问题；
扩展性强：新增异常类型只需继承基类，无需修改外层捕获逻辑。

1.6 标准库异常体系：了解即可

C++ 标准库定义了一套异常体系（头文件<exception>），所有异常继承自std::exception，但实际中很少直接使用 —— 因为设计较简单，无法满足复杂业务需求（如无法携带错误编号、SQL 语句等）。

核心继承关系：

std::exception
├─ std::bad_alloc（new失败时抛）
├─ std::bad_cast（dynamic_cast失败时抛）
├─ std::logic_error（逻辑错误，如参数无效）
│  ├─ std::invalid_argument（无效参数）
│  └─ std::out_of_range（越界，如vector::at）
└─ std::runtime_error（运行时错误）└─ std::overflow_error（算术溢出）

使用示例（捕获vector越界异常）：

#include <vector>
#include <exception>int main() {try {vector<int> v(10);v.at(10) = 100; // 越界，抛out_of_range} catch (const exception& e) {// 调用what()获取错误信息cout << e.what() << endl; // 输出：vector::_M_range_check: __n (which is 10) >= this->size() (which is 10)}return 0;
}

1.7 异常的优缺点总结

优点	缺点
错误信息完整（可携带上下文，如 SQL 语句）	执行流跳转混乱，调试难度增加
无需层层传递错误码，代码更简洁	存在轻微性能开销（现代硬件可忽略）
支持构造函数 / 运算符重载等无返回值场景	易导致资源泄漏（需配合智能指针解决）
兼容第三方库（如 boost、gtest）	标准库异常体系不实用，需自定义

结论：异常利大于弊，是 C++ 错误处理的主流方案，关键是配合智能指针解决资源泄漏问题。

二、智能指针：解决异常资源泄漏的 “神器”

异常会导致代码执行流跳变，若new后抛异常，delete可能无法执行，进而引发内存泄漏。智能指针的出现，正是通过RAII 思想，让资源自动释放。

2.1 先看异常引发的隐患：内存泄漏

以下代码中，若Func()抛异常，delete p会被跳过，导致内存泄漏：

void Func() {throw "模拟异常"; // 抛出异常
}void Test() {int* p = new int; // 申请内存Func();           // 抛异常，执行流跳走delete p;         // 永远不会执行，内存泄漏
}

内存泄漏定义：程序分配内存后，因设计错误失去对该内存的控制，导致内存无法复用，长期运行会使程序响应变慢甚至卡死。

2.2 RAII 思想：智能指针的基石

RAII（Resource Acquisition Is Initialization），即 “资源获取即初始化”，核心逻辑是：

构造时获取资源：将资源（如内存、文件句柄）绑定到对象的生命周期；
析构时释放资源：对象销毁时，析构函数自动释放资源，无需手动调用。

基于 RAII 的简单智能指针

template<class T>
class SmartPtr {
public:// 构造：获取资源（内存）SmartPtr(T* ptr = nullptr) : _ptr(ptr) {}// 析构：释放资源（内存）~SmartPtr() {if (_ptr) {delete _ptr;cout << "释放内存：" << _ptr << endl;}}// 重载*和->，让SmartPtr像普通指针一样使用T& operator*() { return *_ptr; }T* operator->() { return _ptr; }private:T* _ptr; // 管理的资源（内存地址）
};// 测试：即使抛异常，内存也会自动释放
void Test() {SmartPtr<int> sp(new int); // 构造：获取内存*sp = 10;                  // 像普通指针一样使用throw "模拟异常";           // 抛异常，sp对象销毁时调用析构// 无需手动delete，析构自动释放
}

核心优势

无需显式释放资源，避免人为遗漏；
即使发生异常，对象也会被销毁（栈对象在栈展开时自动析构），资源必然释放。

三、C++ 智能指针全家桶：原理与实战

C++ 标准库提供了 4 种智能指针，分别应对不同场景，其中auto_ptr已被淘汰，重点掌握unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr。

3.1 auto_ptr：失败的早期尝试（避坑）

auto_ptr是 C++98 提供的第一个智能指针，采用 “管理权转移” 机制，但存在严重缺陷，企业中已明确禁止使用。

缺陷：管理权转移导致悬空指针

当auto_ptr对象拷贝或赋值时，会转移资源的管理权，原对象变为 “悬空指针”（指向 nullptr），访问原对象会崩溃：

#include <memory> // auto_ptr所在头文件int main() {auto_ptr<int> sp1(new int(10));auto_ptr<int> sp2 = sp1; // 管理权转移：sp1失去资源，sp2拥有资源*sp2 = 20; // 正常：sp2拥有资源*sp1 = 30; // 崩溃：sp1已悬空（指向nullptr）return 0;
}

结论：永远不要使用auto_ptr，改用unique_ptr。

3.2 unique_ptr：独占所有权的高效选择

unique_ptr是 C++11 替代auto_ptr的方案，核心是独占资源所有权—— 同一时间，只有一个unique_ptr能管理资源，禁止拷贝和赋值（直接删除拷贝构造和赋值运算符）。

核心特性

禁止拷贝：unique_ptr(const unique_ptr&) = delete;
禁止赋值：unique_ptr& operator=(const unique_ptr&) = delete;
支持移动语义：可通过std::move转移所有权（转移后原对象悬空）。

实战示例

#include <memory>int main() {// 1. 基本使用unique_ptr<int> sp1(new int(10));cout << *sp1 << endl; // 10// 2. 禁止拷贝和赋值（编译报错）// unique_ptr<int> sp2 = sp1; // 错误：拷贝构造已删除// sp1 = sp2;                // 错误：赋值运算符已删除// 3. 移动语义：转移所有权unique_ptr<int> sp2 = std::move(sp1); // 转移后sp1悬空cout << *sp2 << endl; // 10// cout << *sp1 << endl; // 崩溃：sp1已悬空// 4. 管理数组（需指定删除器，或用unique_ptr<int[]>）unique_ptr<int[]> sp3(new int[5]); // 专门用于数组，析构时调用delete[]sp3[0] = 1;sp3[1] = 2;return 0;
}

适用场景

资源仅需一个所有者（如局部变量、函数返回值）；
追求高效（无引用计数开销，性能接近普通指针）。

3.3 shared_ptr：共享所有权的灵活方案

unique_ptr不支持拷贝，无法满足 “多对象共享资源” 的场景（如多线程共享数据）。shared_ptr通过引用计数实现共享所有权，核心是 “记录资源被多少对象引用，最后一个对象销毁时释放资源”。

核心原理

每个shared_ptr管理一个资源和一个 “引用计数”（记录共享该资源的shared_ptr数量）；
拷贝shared_ptr时，引用计数 + 1；
shared_ptr销毁时，引用计数 - 1；
若引用计数变为 0，释放资源。

模拟实现核心代码

template<class T>
class shared_ptr {
public:// 构造：资源+引用计数（初始为1）shared_ptr(T* ptr = nullptr) : _ptr(ptr), _pRefCount(new int(1)), _pmtx(new mutex) {}// 拷贝构造：引用计数+1shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp) : _ptr(sp._ptr), _pRefCount(sp._pRefCount), _pmtx(sp._pmtx) {AddRef(); // 引用计数+1（加锁保证线程安全）}// 赋值运算符：释放当前资源，引用新资源shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp) {if (_ptr != sp._ptr) { // 避免自赋值Release(); // 释放当前资源（引用计数-1，为0则删除）_ptr = sp._ptr;_pRefCount = sp._pRefCount;_pmtx = sp._pmtx;AddRef(); // 新资源引用计数+1}return *this;}// 析构：引用计数-1，为0则释放资源~shared_ptr() {Release();}// 重载*和->T& operator*() { return *_ptr; }T* operator->() { return _ptr; }// 获取引用计数int use_count() const { return *_pRefCount; }private:// 引用计数+1（加锁，线程安全）void AddRef() {_pmtx->lock();(*_pRefCount)++;_pmtx->unlock();}// 引用计数-1，为0则释放资源void Release() {_pmtx->lock();bool needDelete = false;if (--(*_pRefCount) == 0) {delete _ptr;delete _pRefCount;needDelete = true;}_pmtx->unlock();if (needDelete) {delete _pmtx; // 最后一个对象销毁时，删除锁}}private:T* _ptr;          // 管理的资源int* _pRefCount;  // 引用计数（指针：所有共享对象共享同一计数）mutex* _pmtx;     // 互斥锁：保证引用计数操作线程安全
};

实战要点

线程安全：

引用计数的加减是线程安全的（内部加锁）；
资源本身的访问不是线程安全的（需用户手动加锁）。

自定义删除器：

shared_ptr默认用delete释放资源，若资源是malloc分配的、数组或文件句柄，需自定义删除器：

#include <cstdlib> // malloc/free
#include <cstdio>  // FILE/fclose// 1. 管理malloc分配的内存（自定义删除器）
void FreeFunc(int* ptr) {free(ptr);cout << "free内存：" << ptr << endl;
}
shared_ptr<int> sp1((int*)malloc(4), FreeFunc);// 2. 管理数组（用lambda作为删除器）
shared_ptr<int> sp2(new int[5], [](int* ptr) {delete[] ptr;cout << "delete[]数组：" << ptr << endl;
});// 3. 管理文件句柄
shared_ptr<FILE> sp3(fopen("test.txt", "w"), [](FILE* ptr) {fclose(ptr);cout << "关闭文件：" << ptr << endl;
});

3.4 weak_ptr：破解 shared_ptr 循环引用

shared_ptr存在一个致命问题：循环引用—— 两个shared_ptr互相引用，导致引用计数无法归零，资源永远无法释放。

问题示例：双向链表节点

struct ListNode {int _data;shared_ptr<ListNode> _prev; // 指向前驱节点shared_ptr<ListNode> _next; // 指向后继节点~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; }
};int main() {shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);cout << node1.use_count() << endl; // 1cout << node2.use_count() << endl; // 1node1->_next = node2; // node1的_next引用node2，node2计数变为2node2->_prev = node1; // node2的_prev引用node1，node1计数变为2// 析构node1和node2：计数各减1，变为1（非0），资源不释放return 0;
}

循环引用分析

node1和node2析构时，引用计数从 2 减到 1（因_next和_prev仍互相引用）；
只有_next和_prev析构时，计数才会减到 0，但_next属于node1，node1不释放则_next不析构；
最终形成 “死锁”，资源永远无法释放。

解决方案：用 weak_ptr 打破循环

weak_ptr是 “弱引用” 智能指针，特点是：

不增加引用计数，仅观察资源；
无法直接访问资源（需先通过lock()转为shared_ptr）。

修改链表节点，将_prev和_next改为weak_ptr：

#include <memory>struct ListNode {int _data;weak_ptr<ListNode> _prev;  // 弱引用：不增加计数weak_ptr<ListNode> _next;  // 弱引用：不增加计数~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; }
};int main() {shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);cout << node1.use_count() << endl; // 1cout << node2.use_count() << endl; // 1node1->_next = node2; // weak_ptr赋值，node2计数仍为1node2->_prev = node1; // weak_ptr赋值，node1计数仍为1// 析构node1和node2：计数减到0，资源释放（打印~ListNode()）return 0;
}

weak_ptr 的使用场景

打破shared_ptr的循环引用（如双向链表、树结构）；
观察资源是否存在（通过lock()判断：若资源存在，返回非空shared_ptr；否则返回空）。

四、C++11 与 boost 智能指针的渊源

C++11 的智能指针并非凭空出现，而是借鉴了boost库的设计：

C++98：仅提供auto_ptr，设计缺陷明显；
boost 库：提出scoped_ptr（独占）、shared_ptr（共享）、weak_ptr（弱引用），解决了auto_ptr的问题；
C++ TR1：引入shared_ptr，但非标准；
C++11：正式纳入unique_ptr（对应boost::scoped_ptr）、shared_ptr、weak_ptr，并优化实现。