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异常

运行期错误及处置策略

运行期错误

运行期 (run-time) 错误是指程序在运行时可能会遇到的非正常状态。这种错误往往由运行期产生的非法参数所导致，因此无法在编译期 (compile-time) 被发现和排除。

对于简单的错误，通常可以在本地进行处置 (handle)。而对于如下更复杂、更一般的场景，就需要引入专门的错误处置策略 (error-handling strategy)：

作者知道哪里会发生运行期错误，但不知道该如何去处置这种错误。
用户知道该如何处置运行期错误，但不知道这种错误会在哪里发生。

⚠️ 对于新系统，应当尽早确定错误处置策略；对于现有系统，应当与现有的错误处置策略保持一致。

传统处置策略

在异常机制被引入 C++ 之前，业界已经形成了一些常用的错误处置策略。这些策略是异常机制的替代项，但都有各自的缺点。

终止程序

调用 exit() 或 abort() 来终止（整个）程序。

主要缺点：用户可能无法承受程序终止所造成的影响。

返回错误码

返回一个表示错误信息的整数（或枚举值）。

主要缺点：用户可能忘记检测错误码。

设置状态变量

返回一个合法值，将某个用于记录状态的变量设为错误状态。

主要缺点：用户可能忘记检测状态变量。

调用处置函数

调用处置函数的抽象接口，由用户提供具体实现。

主要缺点：系统行为依赖于用户提供的具体实现。

异常机制

C++ 语言提供的异常 (exception) 机制是一种应用级异常控制流，

只能用来处置由正在执行的指令引起的同步事件 (synchronous events)，如数组越界、读写错误等。
不能（直接）处置由其他原因引起的异步事件 (asynchronous events)，如键盘中断、电源故障等。

标准库异常类

任何可复制的对象都可以被用作异常。

标准库中用到的异常以定义在 <exception> 中的 std::exception 为公共基类。除构造和析构函数外，它有两个公共方法成员：

operator=() 用于异常对象的复制。
what() 返回构造时传入的字符串。

标准库中用到的其他异常定义在 <stdexcept> 等头文件中。它们形成了一个继承体系（用缩进层次表示）：

常用的标准库异常类：

// <stdexcept>
logic_error
  invalid_argument  // 报告因参数值未被接受而引发的错误
  domain_error  // 报告输入参数在定义域外的情形
  length_error  // 报告试图超出长度极限所导致的错误
  out_of_range  // 报告访问试图受定义范围外的元素所带来的错误
  future_error (C++11)
runtime_error
  range_error  // 计算结果不能以目标类型表示的情形
  overflow_error  // 计算结果对目标类型过大的情形
  underflow_error  // 计算结果是非正规浮点值的情形
  regex_error (C++11)
  nonexistent_local_time (C++20)
  ambiguous_local_time (C++20)
  tx_exception(TM TS)
  system_error (C++11)
    ios_base::failure (C++11)
    filesystem::filesystem_error (C++17)
// <typeinfo>
bad_typeid
bad_cast
  bad_any_cast (C++17)
// <new>
bad_alloc
  bad_array_new_length (C++11)
// <memory>
bad_weak_ptr (C++11)

不太常用的标准库异常类：

bad_exception        // <exception>
bad_function_call    // <functional> (C++11)
ios_base::failure    // <ios> (until C++11)
bad_variant_access   // <variant> (C++17)
bad_optional_access  // <optional> (C++17)

抛出 (`throw`)

如果一个操作可能发生运行期错误，则应当用 throw 语句抛出一个异常：

// array.h
#include <stdexcept>

template <int N>
class Array {
  int a_[N];
 public:
  int size() const noexcept {  // 不会抛出异常的操作应当用 noexcept 标识
    return N;
  }
  int& at(int i) {
    if (i < 0 or i >= N) {
      // 如果发生下标越界，则抛出一个 std::out_of_range 对象
      throw std::out_of_range("The given index is out of range.");
    }
    return a_[i];
  }
};

捕获 (`catch`)

用户应当将可能抛出的异常的操作置于 try{} 代码块中，并紧随其后用一个或多个 catch 子句进行捕获：

#include <iostream>
#include "array.h"

int main() {
  auto anArray = Array<10>();
  try {
    for (int i = 0; i != anArray.size(); ++i) {
      anArray.at(i) = i;  // OK
    }
    anArray.at(anArray.size()) = anArray.size();  // 越界
  } catch (std::out_of_range& e) {  // 捕获越界异常
    std::cerr << e.what() << std::endl;
  } catch (...) {  // 捕获其他异常
    throw;
  }
  for (int i = 0; i != anArray.size(); ++i) {
    std::cout << anArray.at(i) << ' ';
  }
  std::cout << std::endl;
}

这里的两条 catch 子句体现了两种典型的处置策略：

对于 std::out_of_range 类型的异常，用 what() 方法打印提示信息。
对于其他类型的异常，用 throw 语句将其重新抛出，交由调用者捕获。

异常安全

概念

类不变量

每个类的定义中都隐含一个类不变量 (class invariant)，它表示这个类的对象在程序运行过程中所必须保持的性质。对于每个对象，该不变量在构造函数运行后就被建立起来。在析构函数运行前，所有访问该对象内部表示的操作都必须维护该不变量。

广义不变量

不变量的概念可以推广到多个对象之间。在下面的例子中，x.size() == y.size() 始终为真就是一种广义不变量：

struct Points {
  vector<int> x;
  vector<int> y;
};

有效状态

对于含有类不变量的某个对象（或含有广义不变量的一组对象），如果这种不变量在程序运行过程中没有被破坏，则称该对象（或这组对象）处于有效状态。

异常保证

标准库的每一个操作都至少满足以下三种保证 (gaurantee) 之一：

所有操作都满足基本保证 (basic gaurantee)：类不变量得到维护，没有资源泄露。
关键操作（例如 std::vector::push_back()）满足强保证 (strong gaurantee)：如果操作失败，则不产生影响。
简单操作（例如 std::vector::pop_back()）满足无抛出保证 (nothrow gaurantee)：该操作的实现不会抛出异常（用 noexcept 标识）。

基本保证和强保证都要求：

自定义操作不会造成资源泄露。
容器操作所依赖的自定义操作（operator=()、swap()）不会使容器处于无效状态。
析构函数不会抛出异常（即使没有用 noexcept 声明）。

`noexcept`

noexcept 是接口的一部分（与 const 类似）。
被声明为 noexcept 的函数更容易被编译器优化。
swap()、资源释放操作、析构函数、移动操作，应当被声明为 noexcept 并给出相应的实现。
绝大多数函数是异常中立的，即本身不抛出异常、但其所调用的其他函数可能抛出异常，因此不应声明为 noexcept。
被声明为 noexcept 的函数 foo()，可在其实现中调用可能抛出异常的函数 bar()。若 foo() 中的 bar() 在运行期抛出了异常，且该异常直到 foo() 这一层都没有被捕获，则程序被 std::terminate() 终止。

资源管理

资源泄露

在 C++ 中，动态资源是通过成对的获取 (acquire) 和释放 (release) 操作来管理的。例如，动态内存通过成对的 new 和 delete 语句来管理：

#include <cassert>
#include <cstdlib>

void Use(int* a, int n) {
  for (int i = 0; i != n; ++i) {
    a[i] = i;
  }
}

int main(int argc, const char* argv[]) {
  assert(argc > 1);
  int n = std::atoi(argv[1]);
  auto a = new int[n];  // 获取资源
  Use(a, n);            // 使用资源
  delete[] a;           // 释放资源
}

如果在 Use() 中增加可能抛出异常的操作，则它抛出的异常可能使 main() 中的 delete[] 语句无法被执行，从而造成内存泄露：

#include <cassert>
#include <cstdlib>
#include <stdexcept>

void Use(int* a, int n) {
  for (int i = 0; i != n; ++i)
    a[i] = i;
  if (std::rand() % 2)
    throw std::runtime_error("Bad Luck!");
}

int main(int argc, const char* argv[]) {
  assert(argc > 1);
  int n = std::atoi(argv[1]);
  auto a = new int[n];  // 获取资源
  Use(a, n);            // 使用资源，可能抛出异常
  delete[] a;           // 释放资源，可能不被执行
}

RAII

RAII (Resource Acquisition Is Initialization) 用一个代理对象来管理动态资源：在构造函数里获取资源，在析构函数里释放资源。该技术利用了以下事实：当程序的执行点即将离开一个作用域 (scope) 时（无论是因为正常执行完该作用域内的所有语句，还是因为抛出异常），属于该作用域的对象 (object) 会依次被析构（即调用析构函数）。

标准库设施（容器、智能指针）普遍采用 RAII 来管理动态资源。

利用 RAII，上面的例子可以改写为以下形式：

#include <cassert>
#include <cstdlib>
#include <stdexcept>

template <class T>
class Array {
  T* a_;
  const int n_;
 public: 
  explicit Array(int n)
      : a_(new T[n]), n_(n) {
  }
  ~Array() noexcept {
    delete[] a_;
  }
  int size() const noexcept {
    return n_;
  }
  int& operator[](int i) {
    if (i < 0 or i >= n_) {
      throw std::out_of_range("The given index is out of range.");
    }
    return a_[i];
  }
};

void Use(Array<int>& a, int n) {
  for (int i = 0; i != n; ++i) {
    a[i] = i;  // 若 n >= n_，则 operator[] 抛出异常
  }
}

int main(int argc, const char* argv[]) {
  assert(argc > 1);
  int n = atoi(argv[1]);
  auto a = Array<int>(n);  // 创建对象时获取资源
  Use(a, n + std::rand() % 2);  // 使用资源，可能会抛出异常
  // 无论是否抛出异常，离开作用域前都会析构对象，释放资源
}

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