在Exception的影响下，如何才能写出更高质量的C++代码？
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· 2021-08-14
导语 | 异常处理是写代码过程中无法避开的部分。正确使用异常机制，需要我们对其性能以及背后实现有一个基本的理解。本文的写作目的是对C++ Exception机制进行简单测试，并且对其实现进行简单分析，以帮助广大C++程序员更好地使用Exception。
很多编程语言中都有Exception机制。利用Exception机制，一段代码可以绕过正常的代码执行路径去通知另一段代码，有一些意外事件或者错误情况发生。另一种常见的异常/错误处理机制是ErrorCode，熟悉C语言的同学应该体会很深，比如操作系统提供的接口很多都是以ErrorCode的形式判断是否发生异常。
C++并不像Java一样强制程序员使用Exception，但是在C++中处理Exception是不可避免的，比如当内存不足时，new操作符会抛出std::bad_alloc。同时在C++中单纯使用ErrorCode来标记异常情况也有其他问题：
1.ErrorCode没有统一标准，没有严格标准规定到底是返回使用-1表示Error还是使用0表示Error，所以你需要额外配合使用枚举；
2.ErrorCode可能会被忽略，虽然C++17中有了[[nodiscard]]属性，但是你还是有可能会忘记加nodiscard！毕竟忘记加nodiscard并不比忘记处理ErrorCode难多少。
因此，掌握C++ Exception的原理以及正确使用方式是非常必要的。同时C++目前依然是在高性能编程场景下的首选编程序言，很多同学出于性能考虑不敢使用C++ Exception，只知道Exception慢，但是并不知道到底是为什么慢，究竟慢在哪里。
本文的目的是对C++ Exception进行简单测试与分析。首先对Exception的性能进行评测，探究C++ Exception对程序性能的影响，然后对C++ Exception的实现机制做一个简单探索，让大家明白Exception对程序运行到底产生了哪些影响，进而写出更高质量的代码。
一、Benchmark
首先我们先通过性能测试直观地感受一下添加Exception对程序性能的影响。
参考Investigating the Performance Overhead of C++ Exceptions（网址：https://pspdfkit.com/blog/2020/performance-overhead-of-exceptions-in-cpp/）的测试思路，我们对其测试用例进行改动。简单解释一下我们的测试代码，我们定义一个函数，该函数会根据概率决定是否调用目标函数：
const int randomRange = 2;const int errorInt = 1;int getRandom() { return random() % randomRange; }template<typename T>T testFunction(const std::function<T()>& fn) {auto num = getRandom();for (int i{0}; i < 5; ++i) {if (num == errorInt) {return fn();}}}
执行testFunction时，目标函数fn有50%的概率被调用。
void exitWithStdException() {testFunction<void>([]() -> void {throw std::runtime_error("Exception!");});}void BM_exitWithStdException(benchmark::State& state) {for (auto _ : state) {try {exitWithStdException();} catch (const std::runtime_error &ex) {BLACKHOLE(ex);}}}
类似的，我们设计用于测试ErrorCode模式的代码如下：
void BM_exitWithErrorCode(benchmark::State& state) {for (auto _ : state) {auto err = exitWithErrorCode();if (err < 0) {// handle_error()BLACKHOLE(err);}}}int exitWithErrorCode() {testFunction<int>([]() -> int {return -1;});return 0;}
void BM_exitWithErrorCodeWithinTry(benchmark::State& state) {for (auto _ : state) {try {auto err = exitWithErrorCode();if (err < 0) {BLACKHOLE(err);}} catch(...) {}}}
BENCHMARK(BM_exitWithStdException);BENCHMARK(BM_exitWithErrorCode);BENCHMARK(BM_exitWithErrorCodeWithinTry);BENCHMARK_MAIN();
20:59:44Running ./benchmarkTests/benchmarkTestsRun on (12 X 2600 MHz CPU s)CPU Caches:L1 Data 32K (x6)L1 Instruction 32K (x6)L2 Unified 262K (x6)L3 Unified 12582K (x1)Load Average: 2.06, 1.88, 1.94Library was built as DEBUG. Timings may be affected.------------------------------------------------------------------------Benchmark Time CPU Iterations------------------------------------------------------------------------BM_exitWithStdException 1449 ns 1447 ns 470424BM_exitWithErrorCode 126 ns 126 ns 5536967BM_exitWithErrorCodeWithinTry 126 ns 126 ns 5589001
这是我在自己的mac上测试的结果，使用的编译器版本为gcc version 10.2.0，异常模型为DWARF2。可以看到，当Error/Exception发生率为50%时，Exception的处理速度要比返回ErrorCode慢10多倍。同时，对一段不会抛出异常的代码添加try{...}catch{...}则不会对性能有影响。我们可以再将Error/Exception的发生率调的更低测试下：
const int randomRange = 100;const int errorInt = 1;int getRandom() { return random() % randomRange; }
21:16:01Running ./benchmarkTests/benchmarkTestsRun on (12 X 2600 MHz CPU s)CPU Caches:L1 Data 32K (x6)L1 Instruction 32K (x6)L2 Unified 262K (x6)L3 Unified 12582K (x1)Load Average: 2.80, 2.22, 1.93Library was built as DEBUG. Timings may be affected.------------------------------------------------------------------------Benchmark Time CPU Iterations------------------------------------------------------------------------BM_exitWithStdException 140 ns 140 ns 4717998BM_exitWithErrorCode 111 ns 111 ns 6209692BM_exitWithErrorCodeWithinTry 113 ns 113 ns 6230807
可以看到，Exception模式的性能大幅提高，接近了ErrorCode模式。
从实验结果，我们可以得出如下的结论：
1.在throw发生的很频繁的情况（50%）下，Exception机制相比 ErrorCode 会慢非常多；
2.在throw并不是经常发生的情况（1%）下，Exception机制并不会比 ErrorCode 慢。
由此结论，我们可以进而得到如下的使用建议：
不要使用try{throw ...}catch(){...}来充当你的代码控制流，这会导致你的C++慢的离谱。
应当把Exception用在真正发生异常的情况下，比如内存超限、数据格式错误等较为严重却不会经常发生的场景下。
二、libc++ Exception 实现浅探
前一节我们验证了C++ Exception在频繁发生异常的情况下会导致程序性能变慢的现象，这一节开始我们尝试去寻找导致这一现象的原因。
首先，Exception机制的实现位于C++标准库中，而由于C语言中没有Exception机制，我们可以尝试将具有throw关键字的由 .cpp编译而来的可重定位二进制文件与由 .c编译得到的包含main函数的二进制进行链接。目的是找出对于throw关键字，libc++为我们最终生成的可执行文件添加了哪些额外函数。
throw.h:
/// throw.hstruct Exception {};extern "C" {void raiseException();};
/// throw.cppextern "C" {void raiseException() {throw Exception();}}
raiseException函数只是简单的抛出异常。这里我们使用extern "C"告诉C++编译器，按照C语言的规则去生成临时函数名，目的是为了让生成的可重定位目标文件能够被后续用C语言完成的main函数链接。main.c如下：
/// main.cint main() {raiseException();return 0;}
> g++ -c -o throw.o -O0 -ggdb throw.cpp> gcc -c -o main.o -O0 -ggdb main.c
直觉来说，我们是可以完成链接的，毕竟函数 raiseException 的定义是完整的。试验一下：
> gcc main.o throw.o -o appUndefined symbols for architecture x86_64:"__ZTVN10__cxxabiv117__class_type_infoE", referenced from:__ZTI9Exception in throw.oNOTE: a missing vtable usually means the first non-inline virtual member function has no definition."___cxa_allocate_exception", referenced from:_raiseException in throw.o"___cxa_throw", referenced from:_raiseException in throw.old: symbol(s) not found for architecture x86_64collect2: error: ld returned 1 exit status
链接出错了，报错信息看上去好像懂了——应该跟Exception相关，但是很明显我们并没有完全懂——这三个未定义的符号到底是啥？
这三个符号：
__ZTVN10__cxxabiv117__class_type_infoE,___cxa_allocate_exception, ___cxa_throw，均代表了libc++中对应Exception处理机制的入口函数。是编译器在编译时添加的部分，链接时的会在libc++中寻找这三个符号的完整定义。
我们链接时使用的是gcc指令，只会链接libc，C语言中并没有这三个符号的定义，所以我们在链接时才会报错。改用g++链接之后确实没问题了：
> g++ main.o throw.o -o app> ./appterminate called after throwing an instance of 'Exception'[1] 37016 abort ./app
void raise() {throw Exception();}void try_but_dont_catch() {try {raise();} catch(Fake_Exception&) {printf("Running try_but_dont_catch::catch(Fake_Exception)\n");}printf("try_but_dont_catch handled an exception and resumed execution");}
_Z5raisev:call __cxa_allocate_exceptioncall __cxa_throw_Z18try_but_dont_catchv:.cfi_startproc.cfi_personality 0,__gxx_personality_v0.cfi_lsda 0,.LLSDA1...call _Z5raisevjmp .L8
.L8:leave.cfi_restore 5.cfi_def_cfa 4, 4ret.cfi_endproc
如果try内的代码执行出现问题，那么会执行这段代码（怎么跳过来的我们目前还不知道）：
cmpl $1, %edxje .L5:call _Unwind_Resume::call __cxa_begin_catchcall __cxa_end_catch
这段汇编，首先比较Exception的类型，如果能够类型匹配，就去执行 .L5，如果不匹配，我们就会顺序执行到 _Unwind_Resume。
很明显，.L5 的部分对应代码的catch关键字，而且 .L5 执行之后也会跳到 .L8，该函数可以正常退出。
Unwind_Resume 应该又是 libc++ 里面的函数了。该函数的作用是去其他栈帧寻找是否有该类型 Exception 的处理函数。
看到这里，其实我们就能够明白了导致之前测试结果的原因：
1.try 后面若不抛出异常，则程序的执行流程不会执行 __cax_throw；
2.__cax_throw是后续的异常判断以及栈回退的入口，不执行该函数则不会对性能有影响；
3.__cax_throw执行后，会逐个栈帧寻找异常处理函数，该过程会导致严重的性能损耗。
三、总结
本文简单地对C++ Exception的性能做了一个测试，由测试结果我们进行了合理的推测：C++ Exception背后处理的过程是由libc++中对应的函数实现的，并且对该推测进行了验证。
实际上C++ Exception的完整实现还有很多深入的细节，感兴趣的同学可以进一步探索。
参考文献
1.https://monkeywritescode.blogspot.com/search?q=C%2B%2B+exception
2.https://pspdfkit.com/blog/2020/performance-overhead-of-exceptions-in-cpp/
作者简介
何智强
腾讯数据库研发初级工程师
腾讯数据库研发初级工程师，硕士毕业于中国科学技术大学高能效计算实验室，研究方向为嵌入式系统。腾讯数据库团队专注于持续优化数据库内核和架构能力，提升数据库性能稳定性和性能。
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