3.6 异常安全与栈展开

3.6 异常安全与栈展开

本节摘要：throw 拉响的不是简单跳转，而是栈展开——从抛出点到捕获点之间，每一层栈帧的局部对象都要被逐一析构。这既是 RAII 的终极考官，也是异常安全三档保证（基本、强、不抛）的用武之地。本节复盘栈展开全程、noexcept 的双面角色，以及工程界"异常 or 错误码"之争的务实结论。

学习目标

阅读完本节，你应当能够：

1. 描述从 throw 到 catch 之间栈展开的完整过程；
2. 说出异常安全三档保证的定义并给函数标注水位；
3. 解释 noexcept 既是优化器线索又是契约的双面角色；
4. 在异常与错误码之间做出有依据的项目级选择。

一、栈展开：一场逐层清场的大撤退

#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <string>

struct Guard {
    explicit Guard(std::string name) : name_(std::move(name)) {}
    ~Guard() { std::cout << name_ << " 析构：清理现场\n"; }
    std::string name_;
};

void inner() {
    Guard g("inner 局部对象");
    throw std::runtime_error("inner 出事");
}

void middle() {
    Guard g("middle 局部对象");
    inner();
}

int main() {
    try {
        middle();
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cout << "捕获：" << e.what() << '\n';
    }
}
// 输出：
// inner 局部对象 析构：清理现场
// middle 局部对象 析构：清理现场
// 捕获：inner 出事
​

throw 之后控制权不再顺序执行：运行时沿调用链向上搜索最近的匹配 catch，沿途按构造的逆序析构每个栈帧里的完整对象——这正是第 2.1 节"析构倒放"纪律在异常场景的执行。输出证明了两件事：RAII 对象在异常路径照样释放；栈展开清场是自动的，不需要你在每个函数里手写清理。

要点罗列：

• 抛对象、捕引用：catch (const std::exception& e) 是标准姿势——按引用捕获避免切片（2.2 节的原理在此重现），const 承诺不改异常对象。
• 异常体系：std::exception 为根，logic_error（程序缺陷，可预防）与 runtime_error（环境故障，如内存不足、文件缺失）两大支，what() 给人读的信息。自定义异常继承 std::runtime_error 一行即可。
• 栈展开期间再抛异常，程序直接 std::terminate——析构函数因此必须尽量不抛，这是"析构默认 noexcept"的语言规定。
• 没有 catch 接住同样 terminate。main 外围其实有一层兜底 catch，打印后调用 terminate 结束进程。

catch 的匹配按顺序进行、首次匹配生效，所以派生类 catch 必须写在基类 catch 之前，否则永远轮不到。catch (...) 捕获一切，常用于边界处记录日志后重新抛出。

二、异常安全三档保证

函数面对异常可能处于什么水位，业界共识分三档：

3.2 节 Buffer 的拷贝赋值"先 new 后 delete"就是强保证的实现细节：拷贝失败时旧数据分毫未动。强保证的经典配方是"先在副本上完成全部可能失败的操作，最后用不抛的 swap 一步换装"：

Widget& Widget::operator=(const Widget& other) {
    Widget tmp(other);   // 可能抛：此时 this 原封未动
    swap(tmp);           // 不抛：指针交换
    return *this;
}                        // tmp 析构带走旧资源
​

noexcept 的双面角色要单独强调：它既是给优化器的"这条路径不会抛"的线索（编译器可以少生成处理路径），更是一份硬契约——标了 noexcept 却抛出异常且未被就地处理，terminate 立即执行。3.4 节提过：vector 扩容只信 noexcept 的移动构造。由此得出日常分工：析构函数天然 noexcept；swap 与移动操作应当标 noexcept；会抛的函数诚实地不标。C++17 的 noexcept 还成了类型系统的一部分（参与重载决议），想标想撤都要趁接口稳定的时机。

三、异常 vs 错误码：一个务实结论

异常与错误码之争二十年无定论，但工程边界其实清晰。异常的优势：正常路径零噪音、错误不会假装被处理（错误码的 if (err) 被漏写是常事）、构造函数只能靠异常报错（没有返回值可用）。异常的代价：控制流不显式、二进制体积与（历史上的）运行期开销、与 C 接口不兼容、嵌入式等环境常禁用。

务实的取舍：应用程序与库的公共 API 用异常表达"意外故障"；可预期的"查询结果"用返回值（optional、expected、状态码）——文件不存在的查询是结果不是灾难，网络失败是日常不是意外。跨模块边界、跨线程（异常不能跨线程传播，需要 future 的异常传递机制，第 4.3 节）与 C ABI 边界处转成错误码。团队最重要的是统一：一半异常一半错误码的代码库两头缺点全占。

配套的三个工具：

// 构造失败只有异常一条路
FileHandle f(path);          // 打不开就抛 失败即对象不存在

// 可预期的缺失用 optional
#include <optional>
std::optional<int> find_id(const std::string& name);   // 没找到返回空

// 自定义异常要有信息量
class ConfigError : public std::runtime_error {
public:
    explicit ConfigError(const std::string& key)
        : std::runtime_error("配置项缺失：" + key) {}
};
​

⚠️ 常见坑：catch 里吞掉异常不处理也不记录（问题被埋到更远处爆炸）；析构函数里抛异常（terminate）；用异常做正常控制流（性能与可读性双输）；构造函数半途抛异常导致已构造成员正确析构但对象未出生——这正是"构造要么成功要么不存在"哲学的体现，反而是安全的。

本节要点回顾

• 栈展开 = 逐层倒放析构：RAII 在异常路径同样生效，这是它对堆管理的完胜点。
• 抛对象捕 const 引用；派生 catch 在前；catch-all 守边界。
• 三档水位：基本保证靠 RAII 白得，强保证靠"先副本后交换"，不抛保证靠 noexcept 固化。
• noexcept 是契约不是注释：移动与 swap 该标，标了就绝不许抛。
• 异常与错误码分工：意外故障用异常，可预期结果用 optional 与状态码，跨边界转换，团队统一。

下一节把"行为"也变成对象：Lambda 的捕获列表，本质是编译器替你生成的匿名类的成员变量。