C++中的异常安全(Exception Safety)是什么?(如何保证强异常安全)

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强异常安全指操作要么完全成功,要么彻底回滚至调用前状态、零副作用;其实现依赖raii、noexcept swap及“复制-交换”等隔离资源获取与状态变更的设计。

C++中的异常安全(Exception Safety)是什么?(如何保证强异常安全)

什么是强异常安全(Strong Exception Safety)

强异常安全意味着:操作要么完全成功,要么彻底回滚到调用前的状态,不留任何副作用。它不是“不抛异常”,而是“失败时状态零污染”。比如 std::vector::push_back 在内存不足时抛出 std::bad_alloc,但原 vector 的大小、元素内容、迭代器有效性都和调用前一模一样。

容易误以为“加了 try/catch 就安全”——其实捕获异常本身不保证状态回滚;真正关键的是设计时把资源获取和状态变更拆开,确保“先准备好,再提交”。

怎么写出强异常安全的函数(以 swap-based 实现为例)

最常用、最可靠的模式是“复制-交换”(copy-and-swap):先构造新状态(可能抛异常),再用不抛异常的 swap 原子提交。只要 swapnoexcept 的,整个操作就是强异常安全的。

  • 确保你自定义的 swap 函数标记为 noexcept,否则编译器可能不选它,退化为移动赋值(可能抛异常)
  • 拷贝构造/赋值必须能处理所有异常路径,比如分配内存失败时不能泄露已分配的资源
  • 避免在 swap 之前修改原对象字段——例如不要先 clear() 再填充,这会破坏强保证

示例:void Widget::assign(const Widget& other) { Widget temp(other); swap(temp); } —— temp 构造失败,this 完全不受影响;构造成功后 swap 几乎不会失败。

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哪些常见操作天然不满足强异常安全

很多看似简单的操作,在标准库中也只提供基本异常安全(不泄漏资源,但状态可能改变),比如:

  • std::vector::insert:插入中途抛异常时,已有元素可能已被移动,原容器顺序或迭代器失效
  • 自定义容器的 operator= 若直接循环赋值,中间抛异常会导致部分元素被修改、部分未改
  • 使用裸指针管理资源(如 new 后再 delete 旧资源):若 new 抛异常,旧资源就泄漏了

根本原因在于:这些操作把“资源获取”和“状态切换”耦合在了一起,没有隔离失败点。

RAII 和 noexcept 是强异常安全的基础设施

没有 RAII,几乎无法实现强异常安全。因为资源生命周期必须严格绑定到作用域,而不是靠人工 try/catch 清理——后者漏掉一行就崩。

  • 所有持有资源的类(文件句柄、内存、锁)必须用 RAII 封装析构函数里做清理,且不能抛异常(否则展开中断)
  • 显式标注 noexcept 很重要:它不仅是承诺,更是编译器优化和 swap 选择的依据;std::vector::swap 只有在双方都 noexcept 时才被视作强异常安全的提交动作
  • 慎用 std::move:移动操作若没声明 noexcept,容器扩容等场景会退回到拷贝,性能掉一大截,还可能意外破坏强保证

强异常安全不是靠堆砌 try/catch 实现的,它依赖从类型设计开始就拒绝“半途而废”的状态。一个没写 noexceptswap,或者一个析构函数里调 throw 的 RAII 类,就能让整条调用链的强保证失效。

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