C++ 为 异常安全 而努力是值得的

20180319 C++ 为 异常安全 而努力是值得的

假设有个class用来表现夹带背景图案的GUI菜单。这个class希望用于多线程环境，所以他有个互斥器(mutex)作为并发控制(concurrency control)之用：
class  PrettyMenu{
public:
  ...
  void changeBackground(std::istream& imgSrc);//改变背景颜色
  ...
private:
  Mutex mutex;//互斥器
  Image* bgImage;//目前的背景图案
  int imageChange;//背景图像被改变的次数
}


下面是PrettyMenu的changeBlackground函数的一个可能实现：
void  PrettyMenu::changeBlackground(std::istream& imgSrc)
{
  lock(&mutex);//取得互斥器
  delete bgImage;//摆脱旧的背景图像
  ++imageChange;//修改图像变更次数
  bgImage = new Image(imgSrc);//安装新的背景图像
  unlock(&mutex);//释放互斥器
}




从“异常安全性”的观点来看，这个函数很糟。“异常安全”有两个条件，而这个函数没有满足其中任何一条。当异常被抛出时，带有异常安全性的函数会：
1、不泄露任何资源。上述代码没有做到这一点，因为一旦“newImage(imgSrc)”导致异常，对unlock的调用就绝对不会执行，于是互斥器就永远被把持住了。
2、强烈保证：不允许数据败坏。若“newImage(imgSrc)”抛出异常，bgImage就是指向一个已经被删除的对象，imageChange也已被累加，而其实并没有新的图像被成功安装起来。


解决资源泄露的问题可以使用“ 导入Lock class作为一种"确保互斥器被及时释放"的方法 ”：
void PrettyMenu::changeBackground(std::istream& imgSrc)
{
  Lock m1(&mutex);//
  delete bgImage;
  ++imageChanges;
  bgImage = new Image(imgSrc);
}


异常安全函数(Exception-safe function)提供以下三个保证之一：
1、基本承诺：若异常被抛出，程序内的任何事物仍然保持在有效状态下。
2、若异常被抛出，程序状态不改变。调用这样的函数需有这样的认知：若函数成功，就是完全成功，若函数失败，程序会回复到“调用函数之前”的状态。
3、不抛掷保证:承诺绝不抛出异常，因为他们总是能够完成他们原先承诺的功能。作用于内置类型(例如ints，指针等)身上的所有操作都提供nothrow保证。








考虑以下函数，eg:


int doSomething() throw();
这并不是说，doSomething绝对不会抛出异常，而是说doSomething抛出异常，将是严重错误，会有你意想不到的函数被调用。
可能的话，请尽可能提供nothrow保证，但对大部分函数而言，抉择往往落在基本保证和强烈保证之间。


以下的改变几乎足够让changeBackground提供强烈的异常安全保证：
class PrettyMenu{
  ...
  std::tr1:;shared_ptr<Image> bgImage;
  ...
};
void PrettyMenu::changeBackground(std::istream& imgSrc)
{
  lock(&mutex);
  bgImage.reset(new Image(imgSrc));//以“new Image”的执行结果
                                   //设定bgImage内部指针
  ++imageChanges;
}




有一个一般化的设计策略很典型地会导致强烈保证，很值得熟悉他，这个策略叫 copy and swap，原则很简单：
为你打算修改的对象(原件)做出一份副本，然后在那份副本身上做一切必要修改。若有任何修改动作抛出异常，原对象仍保持未修改状态。待所有修改都成功后，再将修改过的那个副本和原对象在一个不抛出异常的操作中置换(swap)。


实际上通常是将所有“隶属对象的数据”从原对象放进另一个对象内，然后赋予原对象一个指针，指向那个所谓的实现对象（implementation object，即副本）。这种手法常被称为pimpl idiom，对于PrettyMenu而言，典型写法如下：
struct PMImpl{
  std::tr1::shared_ptr<Image> bgImage;
  int imageChanges;
};
class PrettyMenu{
  ...
private:
  Mutex mutex;
  std::tr1::shared_ptr<PMImpl> pImpl;
};
  
void PrettyMenu::changeBackground(std::istream& imgSrc)
{
  using std::swap;
  Lock m1(&mutex);//获得mutex的副本数据
  std::tr1::shared_ptr<PMImpl>
  pNew(new PMImpl(*pImpl));
  
  pNew->bgImage.reset(new Image(imgSrc));//修改副本
  ++pNew->imageChanges;
  swap(pImpl,pNew);//置换(swap)数据，释放mutex
}


注意：
1、异常安全函数（Exception-safe function）即使发生异常也不会泄漏资源或允许任何数据结构败坏。这样的函数区分为三种可能的保证：基本型、强烈型、不抛异常型。
2、“强烈保证”往往能够以copy-and-swap实现出来，但“强烈保证”并非对所有函数都可实现或具备显示意义。
3、函数提供的“异常安全保证”通常最高只等于其所调用的各个函数的“异常安全保证”中的最弱着。