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有关C++异常安全的一点个人想法

    在C++语言中,资源管理(Managing Resources)始终是一个十分重要的话题,也是程序员在使用C++语言编写代码时需要十分注意的地方,稍有不慎就可能导致资源泄漏,在我以往的编程实践中就经常遇到此类问题。而“resource acquisition in initialization”是一种处理此类问题的较好方法,这是Stroustrup博士在演讲中所提到的。关于这一点,在博士所著的D&E以及相关论文中也有所提及。该方法使用一个类来代表对资源的管理逻辑,将指向资源的句柄(指针或引用)通过ctor传递给该类,在该类的实例被销毁时由dtor负责释放资源。可以在创建该类实例之前申请资源,也可以在构造时由该类的ctor负责申请资源。这种方式的基本思路是,不论exception是否发生,由于C++的语言机制保证了,一定会调用位于当前scope的对象的dtor,所以只要在dtor中加入资源回收的代码,那么这些代码总是会被执行的。这种方法的好处在于,由于将资源回收的逻辑通过单独的类从原有代码中剥离出来,使程序员总是不会遗漏,思路也变得清晰。

    我觉得,“resource acquisition in initialization”技法,在处理有关exception的问题时,其适用范围还可以扩展。不单涉及资源管理,只要当scope里存在类似于fopen/fclose、new/delete这样的对称操作时,就可以酌情考虑采用这种方法。避免资源泄漏固然是头等大事,应该列于basic guarantee之内。但某些对称操作,如果会影响程序的正常执行甚至是产生fatal error的话,那么也是不可轻视的。而对于一个软件而言,杜绝fatal error应该也算是一个basic guarantee了。

    以下是我在实践中遇到的一个例子。有意思的是,这个例子是本人在所负责的软件模块中首次决定使用exception handling所遇到的,可谓出师不利:)经过简化后的代码基本如下:
    void f(C *pObj)
    {
     pObj->Editable(true);
     // do some work with object
     pObj->Editable(false);
    }
    函数f的作用是对传入其scope的pObj所指对象进行某些操作。当最初引入exception handling时,代码改变如下:
    void f(C *pObj)
    {
     pObj->Editable(true);
     try {
      // do some work with object
      // may cause exception
     } catch(...)
     {
      // do some thing and rethrow
      throw;
     }
     pObj->Editable(false);
    }
    此处rethrow是为了使f的调用者能有机会做一些处理,这是在设计时所需要的。类似这样的做法在一般的exception处理程序中是很常见的,但是我的疏忽却另自己吃了大亏。虽然,从经过简化的代码中很容易看出破绽来,但是由于当时经验不足,加之程序逻辑复杂,直到测试时通过最终的GUI才发现了问题。经过几个小时的艰苦调试,最后发现问题出在f函数。事实上,函数f的行为隐含了一个assert,即:f保证不对pObj所指对象的不可编辑状态做出更改,在调用f前对象是不可编辑的,调用后仍然如此。而在上述程序中,当exception发生时,由于没有执行pObj->Editable(false)这一语句,所以导致程序最终出错,而且这一错误隐蔽在无数代码中,exception情况又并非每次都发生,使我在调试时定位错误花费了不少精力。
    在找到了错误根源之后,我采用了如下的补救措施,这一做法被Stroustrup博士称为naive use:
    void f(C *pObj)
    {
     pObj->Editable(true);
     try {
      // do some work with object
      // may cause exception
     } catch(...)
     {
      // do some thing and rethrow
      pObj->Editable(false);
      throw;
     }
     pObj->Editable(false);
    }
    在写下这段代码的时候,直觉告诉自己,这里存在Bed Smell,但是由于时间紧迫,所以当时暂且容忍了这种Quick and Dirty的做法。正如Stroustrup博士在D&E中所指出的,这种做法的缺点是啰嗦,冗长乏味,而且可能代价昂贵。仔细分析一下,就可以看出这里存在的潜在危险:两处pObj->Editable(false)事实上是重复代码,我们需要始终保持两处代码的一致性,如果一段时间后,需要在pObj中增加一种类似Editable的属性,这种一致性的保持,就需要延续,很难保证不会再次疏忽。
    于是,遵照大师的教诲,我增加了一个辅助类,代码如下:
    class C_Handle {
     C* _pObj;
    public:
     C_Handle(C* pObj) {
      _pObj = pObj;
      _pObj->Editable(true);
      // may be other operations
     }
     ~C_Handle() {
      _pObj->Editable(false);
      // also may be operations according to ctor
     }
     operator C* () { return _pObj; }
    };
    C_Handle的ctor和dtor中,对_pObj所指对象的操作是成对出现的,所以在以后扩展时也不容易出错。此时f函数的代码也变得简洁了许多:
    void f(C* pObj)
    {
     C_Handle ch(pObj);
     try {
      // do some work with object
      // may cause exception
     } catch(...)
     {
      // do some thing and rethrow
      throw;
     }
    }

    个人觉得,这种技法应该具有普遍意义。现总结如下:在某个scope内出现针对某个对象的若干对称操作,而在彼此对称的两组操作间可能抛出exception以破坏这种对称性,并且这种破坏将导致与该scope相关的某种assert为false时,就可以考虑使用类似于Stroustrup博士在处理资源管理问题时所推荐的这种“resource acquisition in initialization”技法。甚至可以认为,资源管理中发生的例子是这里所提到的情形的一个特例。在资源管理方面的另一个很典型的例子是Smart Pointer。

    此外,对于这种方法可能存在的一个缺点是,或许会出现很多类似C_Handle这样的规模很小的辅助类。对此我们可以这样考虑:如果这些类不是很多,那么它们的存在将会给代码的编写和维护带来好处(想想前面提到的维护一致性的代价),并且如果程序中多处出现这样的类似情况时,这些类就可以复用了。而当类的数目多到让你无法容忍时,就该考虑一下其中某些类存在的必要性了,毕竟并非程序的每处都要使用exception handling,也许你的设计本身存在问题。此外,如果这些辅助类彼此有关联则可以考虑引入继承体系,而如果它们之间的行为及其相似,使用template机制进行泛化,也不失为一个优化策略。

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