C与C++中的异常处理(3)

C++异常处理的基本语法和语义

    这次，我来概述标准C++异常处理的基本语法和语义。顺便，我会将它和前两次提到的技术进行比较。（在本文及以后，我将标准C++异常处理简称为EH，将微软的方法称为SEH。）

1.1     基本语法和语义

    EH引入了3个新的C++语言关键字：

l         catch

l         throw

l         try

    异常通过如下语句触发

throw [expression]

    函数通过“异常规格申明”定义它将抛出什么异常：

throw([type-ID-list])

    可选项type-ID-list包含一个或多个类型的名字，以逗号分隔。这些异常靠try块中的异常处理函数进行捕获。

try compound-statement handler-sequence

    处理函数队列包含一个或多个处理函数，形式如下：

catch ( exception-declaration ) compound-statement

    处理函数的“异常申明”指明了这个函数将捕获什么类型的异常。

    和SEH一样，跟在try和catch后面的语句必须刮在{}内，而整个try块组成一条完整的大语句。

    例子：

void f() throw(int, some_class_type)

   {

   int i;

   // ... generate an ´int´ exception

   throw i;

   // ...

   }

 

int main()

   {

   try

      {

      f();

      }

   catch(int e)

      {

      // ... handle ´int´ exception ...

      }

   catch(some_class_type e)

      {

      // ... handle ´some_class_type´ exception ...

      }

   // ... possibly other handlers ...

   return 0;

   }

 

    异常规格申明是EH特有的，SEH和MFC都没有类似的东西。一个空的异常规格申明表明函数不抛出任何异常：

void f() throw()

   {

   // ... function throws no exceptions ...

   }

 

    如果函数没有异常规格申明，它可以抛出任何类型的异常：

void f()

   {

   // ... function can throw anything or nothing ...

   }

 

    当函数抛异常时，关键字throw通常后面带一个被抛出的对象：

throw i;

 

    然而，throw也可以不带对象：

catch(int e)

   {

   // ... handle ´int´ exception ...

   throw;

   }

 

    它的效果是再次抛出当前正被捕获的对象（int  e）。因为空throw的作用是再次抛出已存在的异常对象，所以它必须位于catch语句块中。MFC也有再次抛出异常的功能，SEH则没有，它没有将异常对象交给过处理函数，所以没什么可再次抛出的。

    就象函数原型中的参数申明一样，异常申明也可以是无名的：

catch(char *)

   {

   // ... handle ´char *´ exception ...

   }

    当这个处理函数捕获一个char *型的异常对象时，它不能操作这个对象，因为这个对象没有名字。

    异常申明还可以是这样的特殊形式：

catch(...)

   {

   // ... handle any type of exception ...

   }

 

    就象不定参数中的“...”一样，异常申明中的“...”可以匹配任何异常的类型。

1.2     标准异常对象的类型

    标准库函数可能报告错误。在C标准库中的报错方式在前面说过了。在C++标准库中，有些函数抛出特定的异常，而另外一些根本不抛任何异常。

    因为C++标准中没有明确规定，所以C++的库函数可以抛出任何对象或不抛。但C++标准推荐运行库的实现通过抛出定义在<stdexecpt>中的异常类型或其派生类型来报告错误：

namespace std

   {

   class logic_error;         // : public exception

      class domain_error;     // : public logic_error

      class invalid_argument; // : public logic_error

      class length_error;     // : public logic_error

      class out_of_range;     // : public logic_error

   class runtime_error;       // : public exception

      class range_error;      // : public runtime_error

      class overflow_error;   // : public runtime_error

      class underflow_error;  // : public runtime_error

   }

 

    这些（异常）类只对C++标准库有约束力。在你自己的代码中，你可以抛出（和捕获）任何你所象要的类型。   

1.3     标准中的其它申明

    标准库头文件<exception>申明了几个EH类型和函数

namespace std

   {

   //

   // types

   //

   class bad_exception;

   class exception;

   typedef void (*terminate_handler)();

   typedef void (*unexpected_handler)();

   //

   // functions

   //

   terminate_handler set_terminate(terminate_handler) throw();

   unexpected_handler set_unexpected(unexpected_handler) throw();

   void terminate();

   void unexpected();

   bool uncaught_exception();

   }

 

    提要：

l         exception是所有标准库抛出的异常的基类。

l         uncaught_exception()函数在有异常被抛出却没有被捕获时返回true，其它情况返回false。它类似于SEH的函数AbnormalTermination()。

l         terminate()是EH的应急处理。它在异常处理体系陷入了不可恢复状态时被调用，经常是因为试图重入（在前一个异常正处理过程中又抛了一个异常）。

l         unexpected()在函数抛出一个它没有在“异常规格申明”中申明的异常时被调用。这个预料外的异常可能在退栈过程中被替换为一个bad_excetion对象。

l         运行库提供了缺省terminate_handler()和unexpected_handler() 函数处理对应的情况。你可以通过set_terminate()和set_unexpected()函数替换库的默认版本。

 

1.4     异常生命期

    EH运行于异常生命期的五个阶段：

l         程序或运行库遇到一个错误状况（阶段1）并且抛出一个异常（阶段2）。

l         程序的运行停止于异常点，开始搜索异常处理函数。搜索沿调用栈向上搜索（很象SEH终止异常时的行为）。

l         搜索结束于找到了一个异常申明与异常对象的静态类型相匹配（阶段3）。于是进入相应的异常处理函数。

l         异常处理函数结束后，跳到此异常处理函数所在的try块下面最近的一条语句开始执行（阶段5）。这个行为意味着C++标准中异常总是终止。

    这些步骤演示于这个简单的例子中：

#include <stdio.h>

static void f(int n)

   {

   if (n != 0) // Stage 1

      throw 123; // Stage 2

   }

extern int main()

   {

   try

      {

      f(1);

      printf("resuming, should never appear/n");

      }

   catch(int) // Stage 3

      {

      // Stage 4

      printf("caught ´int´ exception/n");

      }

   catch(char *) // Stage 3

      {

      // Stage 4

      printf("caught ´char *´ exception/n");

      }

   catch(...) // Stage 3

      {

      // Stage 4

      printf("caught typeless exception/n");

      }

   // Stage 5

   printf("terminating, after ´try´ block/n");

   return 0;

   }

/*

   When run yields

      caught ´int´ exception

      terminating, after ´try´ block

*/

 

1.5     基本原理

    C标准库的异常体系处理C++语言时有如下难题：

l         析构函数被忽略。既然C标准库异常体系是为C语言设计的，它们不知道C++的析构函数。尤其，abort()、exit()和longjmp()在退栈或程序终止时不调用局部对象的析构函数。

l         繁琐的。查询全局对象或函数返回值导致了代码混乱－你必须在所有可能发生异常的地方进行明确的异常情况检测，即使是异常情况可能实际上从不发生。因为这种方法是如此繁琐，程序员们可能会故意“忘了”检测异常情况。

l         无弹性的。Longjmp()“抛出”的只能是简单的int型。errno和signal()/raise()只使用了很小的一个值域集合，分辨率很低。Abort()和exit()总是终止程序。Assert()只工作在debug版本中。

l         非固有的。所有的C标准库异常体系都需要运行库的支持，它不是语言内核支持的。

 

    微软特有的异常处理体系也不是没有限制的：

l         SEH异常处理函数不是直接捕获一个异常对象，而是通过查询一个（概念性的）类似errno的全局值来判断什么异常发生了。

l         SEH异常处理函数不能组合，给定try块的唯有的一个处理函数必须在运行期识别和处理所有的异常事件。

l         MFC异常处理函数只能捕获CException及派生类型的指针。

l         通过包含定义了MFC异常处理函数的宏的头文件，程序包含了数百个无关的宏和申明。

l         MFC和SEH都是专属于与Microsoft兼容的开发环境和Windows运行平台的。

 

    标准C++异常处理避免了这些短处：

l         析构安全。在抛异常而进行退栈时，局部对象的析构函数被按正确的顺序调用。

l         不引人注目的。异常的捕获是暗地里的和自动的。程序员无需因错误检测而搞乱设计。

l         精确的。因为几乎任何对象都可以被抛出和捕获，程序员可以控制异常的内容和含义。

l         可伸缩的。每个函数可以有多个try块。每个try块可以有单个或一组处理函数。每个处理函数可以捕获单个类型，一组类型或所有类型的异常。

l         可预测的。函数可以指定它们将抛的异常类型，异常处理函数可以指定它们捕获什么类型的异常。如果程序违反了其申明，标准库将按可预测的、用户定义的方式运行。

l         固有的。EH是C++语言的一部分。你可以定义、throw和catch异常而不需要包含任何库。

l         标准的。EH在所有的标准C++的实现中都可用。

    基于更完备的想法，C++标准委员会考虑过两个EH的设计，在D&E的16章。（For a more complete rationale, including alternative EH designs considered by the C++ Standard´s committee, check out Chapter 16 of the D&E.）

1.6     小结

    下次，我将更深入挖掘EH的语言核心特性和EH的标准库支持。我也将展示Microsoft Visual C++实现EH的内幕。我将开始标志出EH的那些Visual C++只部分支持或完全不支持的特性，并且寻找绕过这些限制的方法。

在我相信设计EH的基本原理是健全的的同时，我也认为EH无意中包含了一些严重的后果。不用责备C++标准的制订者的短视，我理解设计和实现有效的异常处理是多么的难。当我们遭遇到这些无意中的后果时，我将展示它们对你代码的微妙影响，并且推荐一些技巧来减轻其影响。