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2.6 noexcept修饰符与noexcept操作符
13-06-18    奋斗的小年轻
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相比于断言适用于排除逻辑上不可能存在的状态,异常通常是用于逻辑上可能发生的错误。在C++98中,我们看到了一套完整的不同于C的异常处理系统。通过这套异常处理系统,C++拥有了远比C强大的异常处理功能。

在异常处理的代码中,程序员有可能看到过如下的异常声明表达形式:
void excpt_func() throw(int, double) { ... }

在excpt_func函数声明之后,我们定义了一个动态异常声明throw(int, double),该声明指出了excpt_func可能抛出的异常的类型。事实上,该特性很少被使用,因此在C++11中被弃用了(参见附录B),而表示函数不会抛出异常的动态异常声明throw()也被新的noexcept异常声明所取代。

noexcept形如其名地,表示其修饰的函数不会抛出异常。不过与throw()动态异常声明不同的是,在C++11中如果noexcept修饰的函数抛出了异常,编译器可以选择直接调用std::terminate()函数来终止程序的运行,这比基于异常机制的throw()在效率上会高一些。这是因为异常机制会带来一些额外开销,比如函数抛出异常,会导致函数栈被依次地展开(unwind),并依帧调用在本帧中已构造的自动变量的析构函数等。

从语法上讲,noexcept修饰符有两种形式,一种就是简单地在函数声明后加上noexcept关键字。比如:
void excpt_func() noexcept;

另外一种则可以接受一个常量表达式作为参数,如下所示:
void excpt_func() noexcept (常量表达式);

常量表达式的结果会被转换成一个bool类型的值。该值为true,表示函数不会抛出异常,反之,则有可能抛出异常。这里,不带常量表达式的noexcept相当于声明了noexcept(true),即不会抛出异常。

在通常情况下,在C++11中使用noexcept可以有效地阻止异常的传播与扩散。我们可以看看下面这个例子,如代码清单2-12所示。

代码清单2-12
#include <iostream>
using namespace std;
void Throw() { throw 1; }
void NoBlockThrow() { Throw(); }
void BlockThrow() noexcept { Throw(); }

int main() {
    try {
        Throw();
    }
    catch(...) {
        cout << "Found throw." << endl;     // Found throw.
    }

    try {
        NoBlockThrow();
    }
    catch(...) {
        cout << "Throw is not blocked." << endl;    // Throw is not blocked.
    }

    try {
        BlockThrow();   // terminate called after throwing an instance of 'int'
    }
    catch(...) {
        cout << "Found throw 1." << endl;
    }
}
// 编译选项:g++ -std=c++11 2-6-1.cpp

在代码清单2-12中,我们定义了Throw函数,该函数的唯一作用是抛出一个异常。而NoBlockThrow是一个调用Throw的普通函数,BlockThrow则是一个noexcept修饰的函数。从main的运行中我们可以看到,NoBlockThrow会让Throw函数抛出的异常继续抛出,直到main中的catch语句将其捕捉。而BlockThrow则会直接调用std::terminate中断程序的执行,从而阻止了异常的继续传播。从使用效果上看,这与C++98中的throw()是一样的。

而noexcept作为一个操作符时,通常可以用于模板。比如:
template <class T>
  void fun() noexcept(noexcept(T())) {}

这里,fun函数是否是一个noexcept的函数,将由T()表达式是否会抛出异常所决定。这里的第二个noexcept就是一个noexcept操作符。当其参数是一个有可能抛出异常的表达式的时候,其返回值为false,反之为true(实际noexcept参数返回false还包括一些情况,这里就不展开讲了)。这样一来,我们就可以使模板函数根据条件实现noexcept修饰的版本或无noexcept修饰的版本。从泛型编程的角度看来,这样的设计保证了关于“函数是否抛出异常”这样的问题可以通过表达式进行推导。因此这也可以视作C++11为了更好地支持泛型编程而引入的特性。

虽然noexcept修饰的函数通过std::terminate的调用来结束程序的执行的方式可能会带来很多问题,比如无法保证对象的析构函数的正常调用,无法保证栈的自动释放等,但很多时候,“暴力”地终止整个程序确实是很简单有效的做法。事实上,noexcept被广泛地、系统地应用在C++11的标准库中,用于提高标准库的性能,以及满足一些阻止异常扩散的需求。

比如在C++98中,存在着使用throw()来声明不抛出异常的函数。
template<class T> class A {
  public:
    static constexpr T min() throw() { return T(); }
    static constexpr T max() throw() { return T(); }
    static constexpr T lowest() throw() { return T(); }
...

而在C++11中,则使用noexcept来替换throw()。
template<class T> class A {
  public:
    static constexpr T min() noexcept { return T(); }
    static constexpr T max() noexcept  { return T(); }
    static constexpr T lowest() noexcept { return T(); }
...

又比如,在C++98中,new可能会包含一些抛出的std::bad_alloc异常。
void* operator new(std::size_t) throw(std::bad_alloc);
void* operator new[](std::size_t) throw(std::bad_alloc);

而在C++11中,则使用noexcept(false)来进行替代。
void* operator new(std::size_t) noexcept(false);
void* operator new[](std::size_t) noexcept(false);

当然,noexcept更大的作用是保证应用程序的安全。比如一个类析构函数不应该抛出异常,那么对于常被析构函数调用的delete函数来说,C++11默认将delete函数设置成noexcept,就可以提高应用程序的安全性。
void operator delete(void*) noexcept;
void operator delete[](void*) noexcept;

而同样出于安全考虑,C++11标准中让类的析构函数默认也是noexcept(true)的。当然,如果程序员显式地为析构函数指定了noexcept,或者类的基类或成员有noexcept(false)的析构函数,析构函数就不会再保持默认值。我们可以看看下面的例子,如代码清单2-13所示。

代码清单2-13
#include <iostream>
using namespace std;

struct A {
    ~A() { throw 1; }
};

struct B {
    ~B() noexcept(false) { throw 2; }
};

struct C {
    B b;
};

int funA() { A a; }
int funB() { B b; }
int funC() { C c; }

int main() {
    try {
        funB();
    }
    catch(...){
        cout << "caught funB." << endl; // caught funB.
    }

    try {
        funC();
    }
    catch(...){
        cout << "caught funC." << endl; // caught funC.
    }

    try {
        funA(); // terminate called after throwing an instance of 'int'
    }
    catch(...){
        cout << "caught funA." << endl;
    }
}
// 编译选项:g++ -std=c++11 2-6-2.cpp

在代码清单2-13中,无论是析构函数声明为noexcept(false)的类B,还是包含了B类型成员的类C,其析构函数都是可以抛出异常的。只有什么都没有声明的类A,其析构函数被默认为noexcept(true),从而阻止了异常的扩散。这在实际的使用中,应该引起程序员的注意。

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