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C++ 异常处理机制(Exception Handling)是什么?(如何编写异常安全的程序)

穿越時空

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发布时间:2026-02-25 11:18:11

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来源于php中文网

原创

c++异常处理要求throw与catch类型精确匹配,禁止隐式转换和多态转型;析构函数严禁抛异常;异常安全分三级,推荐复制-交换等手法实现强保证;禁用-fno-exceptions除非裸机等特殊场景。

c++ 异常处理机制(exception handling)是什么?(如何编写异常安全的程序)

throw 和 catch 必须类型匹配,否则异常会直接终止程序

很多初学者以为 catch (int) 能捕获所有数值型异常,其实不然——C++ 的异常匹配是静态、精确的,不进行隐式转换(比如 short 不会自动转成 int),也不支持多态向上转型(除非 catch 写的是引用或指针)。常见错误现象是:明明抛了 std::runtime_error,却写了 catch (std::exception)(值传递),导致对象被切片,丢失派生类信息。

实操建议:

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  • 总是用 catch (const std::exception& e) 捕获标准异常,避免切片和拷贝开销
  • 自定义异常类务必继承 std::exception 或其子类,并重载 what()
  • 不要依赖 catch (...) 做“兜底”——它无法获取异常信息,且掩盖了类型设计问题
  • 编译时加 -fexceptions(GCC/Clang 默认开启,但交叉编译或嵌入式环境可能关闭)

析构函数里 throw 会导致 std::terminate 立即调用

C++ 明确禁止在析构函数中抛出未捕获的异常。一旦发生,程序直接调用 std::terminate(默认行为是 abort),没有回溯、没有日志、不可恢复。这不是风格问题,是语言硬性约束。

实操建议:

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  • 析构函数必须是 noexcept(C++11 起默认隐式添加,显式写出来更清晰)
  • 如果析构中可能出错(比如关闭文件、释放网络连接),把可能失败的操作移到普通成员函数中,由用户显式调用并处理异常
  • 实在需要记录错误(如日志),改用 std::cerr 或回调,绝不能 throw
  • RAII 对象(如 std::fstream)内部已遵守该规则,放心使用

异常安全有三个等级,强异常安全最难保证但最值得追求

“异常安全”不是非黑即白的概念,而是分层的:基本保证(不泄露资源、对象仍可析构)、强烈保证(操作失败则状态回滚到调用前)、不抛异常保证(如 swapmove 构造)。很多人误以为只要没内存泄漏就算安全,其实逻辑一致性更重要。

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实操建议:

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  • 优先用“复制-交换”(copy-and-swap)惯用法实现赋值运算符:先构造新副本,再交换,失败则旧对象不受影响
  • 避免在构造函数体中做可能失败的初始化;改用成员初始化列表 + std::unique_ptr 管理堆资源,靠 RAII 自动回滚
  • 容器操作(如 std::vector::push_back)只提供基本异常安全,扩容失败时已有元素仍有效,但新元素未插入——别假设它能回滚整个序列
  • 第三方库文档若未明确声明异常安全等级,按“基本保证”处理

启用异常会略微增加二进制体积和运行时开销,但现代编译器优化后影响极小

有人因担心性能禁用异常(-fno-exceptions),结果发现 std::optionalstd::variant、甚至某些 STL 实现(如 libc++std::thread)都依赖异常机制,强行关闭会导致链接失败或未定义行为。

实操建议:

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  • 仅在裸机、内核模块、或硬实时系统等明确禁止异常的场景才关掉;普通应用别碰 -fno-exceptions
  • 异常开销主要在“抛出路径”(stack unwinding),而非 try 块本身——没异常时几乎零成本
  • 若真遇到 unwind 性能瓶颈(如高频错误路径),说明设计有问题:该用返回码或 std::expected(C++23)的地方用了异常
  • 调试时可用 __cxa_throw 符号下断点,观察异常实际抛出处

异常安全真正的难点不在语法,而在状态管理边界——你得清楚每一行代码执行后对象处于什么状态,而异常会让控制流跳转得毫无征兆。越是封装好的类,越容易藏匿未考虑异常路径的资源操作。

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