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第29條： 力求使代碼做到“異常安全”
異常安全看上去像是孕育生命，但是請(qǐng)您先把這種觀點(diǎn)暫時(shí)放在腦后。因?yàn)樵谝粚?duì)戀人結(jié)婚之前，討論生育問題還為時(shí)尚早。
假設(shè)我們正在設(shè)計(jì)一個(gè)表示 GUI 菜單的類，這種菜單是有背景圖片的，這個(gè)類用于多線程環(huán)境中，所以它擁有一個(gè)互斥鎖來(lái)確保正常的并發(fā)控制：
class PrettyMenu {
public:
...
void changeBackground(std::istream& imgSrc); // 更改背景圖片
...
private:
Mutex mutex; // 本對(duì)象使用的互斥鎖
Image *bgImage; // 當(dāng)前的背景圖片
int imageChanges; // 圖片更改的次數(shù)
};
下面是 PrettyMenu 的 changeBackground 函數(shù)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)備選方案：
void PrettyMenu::changeBackground(std::istream& imgSrc)
{
lock(&mutex); // 請(qǐng)求上鎖 ( 同第 14 條 )
delete bgImage; // 刪除舊的背景圖片
++imageChanges; // 更新圖片改變的次數(shù)
bgImage = new Image(imgSrc); // 裝載新的背景圖片
unlock(&mutex); // 解鎖
}
從異常安全的角度來(lái)說(shuō)，這個(gè)函數(shù)簡(jiǎn)直一無(wú)是處。異常安全的兩個(gè)基本要求，這個(gè)函數(shù)完全沒有考慮到。
當(dāng)拋出異常時(shí)，異常安全的代碼應(yīng)該做到：
l 不 要泄漏資源。 上面的代碼沒有進(jìn)行這項(xiàng)檢測(cè)，這是因?yàn)槿绻?/span> “ new Image(imgSrc) ” 語(yǔ)句產(chǎn)生了異常 ，那么對(duì) unlock 的調(diào)用則永遠(yuǎn)不會(huì)兌現(xiàn)，這樣互斥鎖將永遠(yuǎn)不會(huì)被解開。
l 不能讓數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)遭到破壞。 如果“ new Image(imgSrc) ”拋出異常， bgImage 就會(huì)指向一個(gè)已經(jīng)銷毀的對(duì)象。另外，無(wú)論新的圖形是否裝載成功， imageChanges 的數(shù)值都會(huì)增加。（從另一個(gè)角度說(shuō)，舊的圖形肯定是被刪除了，那么你又怎么能確保圖形被“改變”了呢。）
處理資源泄漏問題還是比較簡(jiǎn)單的，因?yàn)榈?/span> 13 條中介紹過如何使用對(duì)象來(lái)管理資源，第 14 條中介紹過如何通過 Lock 類確?；コ怄i在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候被解開：
void PrettyMenu::changeBackground(std::istream& imgSrc)
{
Lock ml(&mutex); // 來(lái)自第 14 條的經(jīng)驗(yàn)：
// 申請(qǐng)一個(gè)互斥鎖，并適時(shí)解鎖
delete bgImage;
++imageChanges;
bgImage = new Image(imgSrc);
}
能夠讓函數(shù)變得更短，是諸如 Lock 這樣的資源管理類最讓人興奮的事情之一。你是否注意到：這里甚至不需要調(diào)用 unlock 。更短的代碼就是更優(yōu)秀的代碼，因?yàn)榇a越短，它帶來(lái)錯(cuò)誤和誤解的機(jī)會(huì)就越少。這是一條通用的準(zhǔn)則。
把資源泄漏問題放在一旁，讓我們把注意力集中在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)破壞的問題上。這里我們可以進(jìn)行一次選擇，但是在進(jìn)行選擇之前，我們首先要了解所需要的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)。
異常安全函數(shù)做出的保證可以總結(jié)為三個(gè)層面：
l 提供基本保證的函數(shù)會(huì)做出這樣的承諾：如果拋出了一個(gè)異常，那么程序中的一切都將保持合法的狀態(tài)。沒有任何對(duì)象或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞，所有的對(duì)象的內(nèi)部都保持協(xié)調(diào)的狀態(tài)（比如說(shuō)所有類不變式都得到滿足）。然而，程序的具體狀態(tài)可能是無(wú)法預(yù)知的。比如說(shuō)，我們可以這樣編 寫 changeBackground ：如果某一時(shí)刻拋出一個(gè)異常，那么 PrettyMenu 對(duì)象可能繼續(xù)使用舊的背景圖片，也可以用某個(gè)默認(rèn)的背景圖片來(lái)代替。但是客戶端程序員無(wú)法做出任何預(yù)測(cè)。（為了找到答案，客戶端程序員大概會(huì)調(diào)用某個(gè)能告訴他們當(dāng)前背景圖片是什么的成員函數(shù)。）
l 提供增強(qiáng)保證的函數(shù)會(huì)做出這樣的承諾：如果拋出了一個(gè)異常，那么函數(shù)的狀態(tài)將保持不變。這樣的函數(shù)看上去與原子有些相像，因?yàn)槿绻{(diào)用成功了，它就會(huì)大獲全勝；一旦出了差錯(cuò)，那么就會(huì)一敗涂地，程序狀態(tài)將顯示它從來(lái)沒有被調(diào)用過。
使用提供強(qiáng)保證的的函數(shù)要比使用僅提供基本保證的函數(shù)簡(jiǎn)單一些，這是因?yàn)樵谡{(diào)用一個(gè)提供強(qiáng)保證的函數(shù)之后，程序只可能存在兩種狀態(tài)：一、按預(yù)期進(jìn)行，函數(shù)成功執(zhí)行；二、程序?qū)⒈３趾瘮?shù)調(diào)用前的狀態(tài)。反觀提供基本保證的函數(shù)，如果在調(diào)用它時(shí)拋出了一個(gè)異常，那么程序可能會(huì)處于任何合法的狀態(tài)。
l 提供零異常保證的函數(shù)承諾程序決不會(huì)拋出異常，因?yàn)樗鼈冇肋h(yuǎn)都會(huì)按部就班的運(yùn)行。所有的內(nèi)建數(shù)據(jù)類型 （ int 、指針，等等）的操作都是零異常的（提供零異常保證）。這是異常安全代碼必不可少的一個(gè)因素。
我們可以假設(shè)包含空異常規(guī)范 [1] 的函數(shù)為零異常的，這樣做看上去是合理的，但是事實(shí)并不一定是這樣的，請(qǐng)看下面的函數(shù)：
int doSomething() throw(); // 記錄空異常規(guī)范
這并不是說(shuō) doSomething 將永遠(yuǎn)不會(huì)拋出異常，這只是說(shuō)，如果 doSomething 拋出了異常，那么此時(shí)就出現(xiàn)了一個(gè)嚴(yán)重的錯(cuò)誤，同時(shí)程序應(yīng)該調(diào)用一個(gè)名為 unexpected 的函數(shù) [2] 。實(shí)際上， doSomething 可能根本不會(huì)提供任何異常保證。函數(shù)的聲明（包括它的異常規(guī)范，如果有的話）并不會(huì)告訴你它是否正確、是否小巧、是否高效，同時(shí)也不會(huì)告訴你它他提供了哪個(gè)層面上的異常安全保證。所有那些特性都要在函數(shù)實(shí)現(xiàn)中確定下來(lái)，而不是聲明中。
異常安全的代碼必須要提供上述三個(gè)層面的保證中的一種。否則它就不是異常安全的。那么你要做的就是：對(duì)于所寫的每一個(gè)函數(shù)都要確定使用哪一層面保證。除非我們正在處理沒有做到異常安全的糟糕代碼（這一點(diǎn)我們稍候再提）。只有當(dāng)你的“優(yōu)秀”的需求分析小組提出：你的程序需要泄露資源，并且需要使用破壞的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，不提供任何異常安全保證也許才是一個(gè)可行的選擇。
作為一個(gè)通用的準(zhǔn)則，你會(huì)希望提供可行范圍內(nèi)最強(qiáng)化的保證。從異常安全的角度來(lái)說(shuō)，零異常的函數(shù)是美妙的，但是如果不去調(diào)用拋出異常的函數(shù)，你是很難逾越 C++ 中 C 這一部分的。只要涉及動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配（比如所有的 STL 容器），如果無(wú)法尋找到足夠的內(nèi)存來(lái)滿足當(dāng)前的要求，那么通常程序都會(huì)拋出一 個(gè) bad_alloc 異常（參見第 49 條）。在可行的時(shí)候你應(yīng)該為函數(shù)提供零異常保證，但是對(duì)于大多數(shù)函數(shù)而言，懸在是介于基本保證和增強(qiáng)保證之間的。
對(duì)于 changeBackground 而言，或多或少地提供增強(qiáng)保證并不是件難事。首先，我們可以改變 PrettyMenu 的 bgImage 數(shù)據(jù)成員的類型，從一個(gè)內(nèi)建的 Image* 指針類型轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苜Y源管理指針（參見第 13 條）。坦白的說(shuō)，單獨(dú)從防止資源泄漏理論的角度上說(shuō)，這是一個(gè)非常好的設(shè)計(jì)方案。事實(shí)上它簡(jiǎn)單地通過使用對(duì)象（比如智能指針）來(lái)管理資源（也就是遵循了 13 條中的建議，這是優(yōu)秀設(shè)計(jì)的基本要求），幫助我們提供了增強(qiáng)的異常安全保證。在下面的代碼中，我將使用 tr1::shared_ptr ，這是因?yàn)樗男袨楦庇^，在進(jìn)行復(fù)制操作時(shí)比 auto_ptr 更合適。
其次，我們從新編排了 changeBackground 中語(yǔ)句的順序，從而使 imageChanges 直到圖像改變以后才進(jìn)行自加。作為一個(gè)通用的準(zhǔn)則，直到一個(gè)事件真真切切地發(fā)生了，才去改變對(duì)象的狀態(tài)來(lái)描述這個(gè)事件。
下面是改進(jìn)后的代碼：
class PrettyMenu {
...
std::tr1::shared_ptr<Image> bgImage;
...
};
void PrettyMenu::changeBackground(std::istream& imgSrc)
{
Lock ml(&mutex);
bgImage.reset(new Image(imgSrc)); // 將 bgImage 的內(nèi)部指針替換為
//”new Image” 表達(dá)式的結(jié)果
++imageChanges;
}
請(qǐng)注意這里不需要手動(dòng)刪除舊圖片，因?yàn)檫@件事情完全由智能指針代勞了。而且，只有在新圖像成功創(chuàng)建之后，刪除操作才有意義。更精確地說(shuō)， tr1::shared_ptr::reset 函數(shù)只有在其參數(shù)（ ”new Image(imgSrc)” 的結(jié)果）成功創(chuàng)建以后才會(huì)得到調(diào)用。由于只有在調(diào)用 reset 過程中才會(huì)使用 delete ，因此如果從未進(jìn)入該函數(shù)，就永遠(yuǎn)不會(huì)用到 delete 。注意：使用對(duì)象（ tr1::shared_ptr ）來(lái)管理資源（動(dòng)態(tài)分配的 Image ），再次精簡(jiǎn)了 changeBackground 。
如前所述，這兩項(xiàng)改變或多或少地使 changeBackground 滿足了增強(qiáng)的異常安全保證?？墒?/span> 白璧微瑕， imgSrc 參數(shù) 還有 一個(gè)小問題。 如果 Image 的構(gòu)造函數(shù)拋出了一個(gè)異常，那么輸入流的讀標(biāo)記很可能會(huì)被移動(dòng)，這樣的移動(dòng)可能會(huì)造成狀態(tài)的變化，而這種變化對(duì)程序其它部分來(lái)說(shuō)是可見的。在 changeBackground 指明這一問題之前，它僅僅提供基本的異常安全保證。
然而，讓我們把這個(gè)問題暫時(shí)放在一旁，假裝 changeBackground 確實(shí)可以提供增強(qiáng)保證。（我相信你可以想出一個(gè)辦法來(lái)，可以通過改變參數(shù)的類型：從輸入流變?yōu)榘瑘D像信息的文件名。）有一個(gè)一般化的設(shè)計(jì)方案，可以使函數(shù)做到增強(qiáng)保證，了解這種放案十分重要。這一方案一般稱為“復(fù)制并交換。”從理論上來(lái)講，它非常簡(jiǎn)單。為需要修改的對(duì)象做一個(gè)副本，然后將所有需要的改變應(yīng)用于這個(gè)副本之上。如果期間任一個(gè)修改操作拋出了異常，那么原始的對(duì)象依然紋絲未動(dòng)。在所有改變順利完成之后，通過一次不拋出異常的操作將修改過的對(duì)象與原始對(duì)象相交換即可。
上述方案通常這樣實(shí)現(xiàn)：將對(duì)象的所有數(shù)據(jù)從“真實(shí)的”對(duì)象復(fù)制到一個(gè)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的對(duì)象中，然后為真實(shí)對(duì)象創(chuàng)建一個(gè)指針，將其指向這個(gè)實(shí)現(xiàn)對(duì)象。這通常稱為“ pimpl idiom ”（指向?qū)崿F(xiàn)的指針），第 31 條中將將解它的一些細(xì)節(jié)。對(duì)于 PrettyMenu 而言，典型的實(shí)現(xiàn)是這樣的：
struct PMImpl { // PMImpl = PrettyMenu 的實(shí)現(xiàn)
std::tr1::shared_ptr<Image> bgImage;
int imageChanges; // 下文將介紹它為什么是結(jié)構(gòu)體
};
class PrettyMenu {
...
private:
Mutex mutex;
std::tr1::shared_ptr<PMImpl> pImpl;
};
void PrettyMenu::changeBackground(std::istream& imgSrc)
{
using std::swap; // 參見第 25 條
Lock ml(&mutex); // 上鎖
std::tr1::shared_ptr<PMImpl> // 復(fù)制 對(duì)象數(shù)據(jù)
pNew(new PMImpl(*pImpl));
pNew->bgImage.reset(new Image(imgSrc)); // 修改副本
++pNew->imageChanges;
swap(pImpl, pNew); // 交換 新數(shù)據(jù)就位
} // 解鎖
在這個(gè)示例中，我做出了這樣的選擇： PMImpl 是一個(gè)結(jié)構(gòu)體而不是類，這是因?yàn)?/span> PrettyMenu 數(shù)據(jù)的封裝性是通過 pImpl 確定為私有的。將 PMImpl 實(shí)現(xiàn)為類不但不會(huì)帶來(lái)便利，而且效果也不好。（它同樣使面向?qū)ο蟮钠珗?zhí)狂陷入絕境。）如果需要，可以把 PMImpl 放置在 PrettyMenu 的內(nèi)部，但是打包問題與編寫異常安全代碼的問題似乎沒有什么聯(lián)系，這不是我們當(dāng)前所關(guān)注的。
有些對(duì)象狀態(tài)修改的操作，要求要么是完全修改，要么完全不變，此時(shí)復(fù)制并交換策略是完美的。但是，一般情況下，它并不能確保整個(gè)函數(shù)都做到增強(qiáng)保證。請(qǐng)看下面 changeBackground 的一個(gè)抽象—— someFunc ，它使用了復(fù)制并交換策略，但是它包含了 2 個(gè)其它函數(shù)的調(diào)用：
void someFunc()
{
... // 為本地的狀態(tài)創(chuàng)建副本
f1();
f2();
... // 交換修改后的狀態(tài)就位
}
這里應(yīng)該很清楚了：如 果 f1 或者 f2 沒有達(dá)到增強(qiáng)保證的要求，那么 someFunc 就很難滿足增強(qiáng)保證。比如，假設(shè) f1 僅提供了基本保證，為了讓 someFunc 能滿足增強(qiáng)保證，就必須要為其編寫額外的代碼，用于調(diào)用 f1 之前確定整個(gè)程序的狀態(tài)，捕獲 f1 拋出的所有異常，然后恢復(fù)原始的狀態(tài)。
如果 f1 和 f2 都滿足了增強(qiáng)保證，那么事情也不會(huì)好到哪去。如果 f1 運(yùn)行完成，那么程序的狀態(tài)可能經(jīng)歷了任意的修改過程，因此，如果 f2 在此時(shí)拋出了一個(gè)異常，那么程序的狀態(tài)就可能會(huì)與 someFunc 被調(diào)用時(shí)不一致，即使 f2 沒有做任何修改操作。
這個(gè)問題是個(gè)側(cè)面效應(yīng)。只要函數(shù)操作僅僅針對(duì)本地的狀態(tài)（比如說(shuō)， someFunc 僅僅影響到它所調(diào)用對(duì)象的狀態(tài)），提供增強(qiáng)保證就相對(duì)簡(jiǎn)單些。當(dāng)函數(shù)對(duì)于非本地?cái)?shù)據(jù)存在這一側(cè)面效應(yīng)時(shí)，則更加困難些。比如說(shuō)，如果調(diào)用 f1 引入的側(cè)面效應(yīng)是數(shù)據(jù)庫(kù)被修改了，那么讓 someFunc 滿足異常安全的增強(qiáng)保證就比較困難。一般來(lái)說(shuō)，已經(jīng)被系統(tǒng)接受的數(shù)據(jù)庫(kù)修改很難恢復(fù)，這是因?yàn)槠渌臄?shù)據(jù)庫(kù)用戶已經(jīng)看到了數(shù)據(jù)庫(kù)的新狀態(tài)。
不管你情愿與否，諸如這樣的問題會(huì)為你在編寫增強(qiáng)保證的函數(shù)時(shí)設(shè)置重重障礙。另一個(gè)問題是：效率。復(fù)制并交換策略的核心思想就是修改對(duì)象副本的數(shù)據(jù)，然后通過一個(gè)不會(huì)拋出異常地操作交換修改后的數(shù)據(jù)。這需要為每個(gè)需要修改的對(duì)象創(chuàng)建出一個(gè)副本，這樣做顯然會(huì)浪費(fèi)時(shí)間和空間，你也許不會(huì)情愿使用這一策略，現(xiàn)實(shí)條件有時(shí)也會(huì)阻止你。增強(qiáng)保證是我們良好的預(yù)期目標(biāo)，只要可行你就應(yīng)該提供，但是現(xiàn)實(shí)中它并不總是可行的。
在增強(qiáng)保證不可行時(shí)，你應(yīng)該提供基本保證。從實(shí)用角度說(shuō)，如果你發(fā)現(xiàn)你可以為某些函數(shù)提供增強(qiáng)保證，但是由此帶來(lái)的效率和復(fù)雜度問題使得增強(qiáng)保證變得得不償失。只要你在必要的時(shí)候做出了努力使適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)滿足了增強(qiáng)保證，那么對(duì)于一些函數(shù)僅提供基本保證就是無(wú)可厚非的。對(duì)于大多數(shù)函數(shù)而言，基本保證已經(jīng)是合理的、完美的選擇了。
如果你正在編寫一個(gè)完全不提供異常安全保證的函數(shù)，那么就是另一番景象了。因?yàn)樵谶@里完全可以在未證明你無(wú)罪之前假定你有罪。你本應(yīng)該編寫異常安全代碼。但是你也可以為自己做出強(qiáng)有力的辯解。請(qǐng)?jiān)俅慰紤]一下 someFunc 的實(shí)現(xiàn)，它調(diào)用了兩個(gè)函數(shù)： f1 和 f2 ，假設(shè) f2 完全沒有提供異常安全保證，即使基本保證也沒有，這就意味著一旦 f2 拋出一個(gè)異常，程序可能會(huì)在 f2 的內(nèi)部發(fā)生資源泄露。這意味著 f2 中可能會(huì)有破損的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如：排好序的數(shù)組可能不再按順序排列，在兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)送的對(duì)象也可能會(huì)丟失數(shù)據(jù)，等等。這樣 someFunc 也無(wú)力回天。如果 someFunc 函數(shù)調(diào)用了沒有提供異常安全保證的函數(shù)，那么 someFunc 自身就無(wú)法做出任何保證。
讓我們回到本節(jié)開篇時(shí)所說(shuō)的“孕育生命”的問題。一位女性要么就是懷孕，要么就是沒有，絕沒有“部分懷孕”的狀態(tài)。類似的，一個(gè)軟件系統(tǒng)要么是異常安全的，要么就不是。沒有所謂的“部分異常安全”的狀態(tài)存在。在一個(gè)系統(tǒng)中，即使只有一個(gè)單獨(dú)的函數(shù)不是異常安全的，那么整個(gè)系統(tǒng)也就不是異常安全的。遺憾的是，許多較為古老的 C++ 代碼在編寫的時(shí)候完全沒有考慮到異常安全問題，因此當(dāng)今許多系統(tǒng)便不是異常安全的。新系統(tǒng)中混雜著異常不安全的編寫習(xí)慣。
沒有理由去維持現(xiàn)狀。當(dāng)編寫新代碼或者修改現(xiàn)有代碼的時(shí)候，要認(rèn)真考慮一下如何使之做到異常安全。首先，使用對(duì)象管理資源。（依然參見第 13 條。）這將有效地防止資源泄露。然后對(duì)于你要編寫的每個(gè)函數(shù)確定你要使用哪一層面的異常安全保證，只有在調(diào)用古老的、沒有異常安全保證的代碼時(shí)才放棄異常安全保證，因?yàn)槟銊e無(wú)選擇。記錄下你的選擇，這即是為了你的客戶端程序員，也是為了今后的維護(hù)人員。函數(shù)的異常安全保證位于接口的可見部分，因此你應(yīng)該認(rèn)真規(guī)劃它，就像你認(rèn)真規(guī)劃接口其它部分一樣。
四十年前，人們迷信充斥著 goto 的代碼是完美的，現(xiàn)在我們卻為了編寫結(jié)構(gòu)化控制流而努力。二十年前，全局的完全可訪問的數(shù)據(jù)也是高踞神壇，然而當(dāng)今我們卻在提倡封裝數(shù)據(jù)。十年前，編寫函數(shù)時(shí)不去考慮異常的影響的做法倍受追捧，但是今天，我們堅(jiān)定不渝的編寫異常安全代碼。
歲月荏苒，我們?cè)趯W(xué)習(xí)中不斷進(jìn)步……
銘記在心
l 異常安全的函數(shù)即使在異常拋出時(shí)，也不會(huì)帶來(lái)資源泄露，同時(shí)也不允許數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)遭到破壞。這類函數(shù)提供基本的、增強(qiáng)的、零異常的三個(gè)層面的異常安全保證。
l 增強(qiáng)保證可以通過復(fù)制并交換策略來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是增強(qiáng)保證并不是對(duì)所有函數(shù)都適用。
l 函數(shù)所提供的異常安全保證通常不要強(qiáng)于其調(diào)用的函數(shù)中保證層次最弱的一個(gè)。
[1] 異常規(guī)范是指：在函數(shù)聲明時(shí)列出該函數(shù)可能拋出的異常的類型，并確保該函數(shù)不會(huì)拋出其它類型的異常。——譯者注
[2] 關(guān)于 unexpected 函數(shù)的更多信息，你可以參考你最喜歡的搜索引擎，或者“ C++ 大全”一類的書籍。（搜 尋 set_unexpected 可能會(huì)更好運(yùn)些，因?yàn)樗_定了 unexpected 的 性質(zhì)）