在Exception的影响下，如何才能写出更高质量的C++代码？

客官°小女子只卖身不卖艺 2022-08-29 00:06 139阅读 0赞

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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);
            }
        }
    }

BM\_exitWithStdException用于测试函数exitWithStdException，该函数会抛出一个Exception，然后在BM\_exitWithStdException中立刻被catch，catch后我们什么也不做。

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;
    }

将ErrorCode测试代码放进try\{...\}catch\{...\} 测试只进入try是否会对性能有影响：

void BM_exitWithErrorCodeWithinTry(benchmark::State& state) {
        for (auto _ : state) {
            try {
                auto err = exitWithErrorCode();
                if (err < 0) {
                    BLACKHOLE(err);
                }
            } catch(...) {
            }
        }
    }

利用gtest/banchmark开始我们的测试：

BENCHMARK(BM_exitWithStdException);
    BENCHMARK(BM_exitWithErrorCode);
    BENCHMARK(BM_exitWithErrorCodeWithinTry);
    
    
    BENCHMARK_MAIN();

测试结果：

2021-07-08 20:59:44
    Running ./benchmarkTests/benchmarkTests
    Run 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, 1.94
    ***WARNING*** Library was built as DEBUG. Timings may be affected.
    ------------------------------------------------------------------------
    Benchmark                              Time             CPU   Iterations
    ------------------------------------------------------------------------
    BM_exitWithStdException             1449 ns         1447 ns       470424
    BM_exitWithErrorCode                 126 ns          126 ns      5536967
    BM_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; }

我们将异常的概率降低到了 1%，继续测试：

2021-07-08 21:16:01
    Running ./benchmarkTests/benchmarkTests
    Run 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, 1.93
    ***WARNING*** Library was built as DEBUG. Timings may be affected.
    ------------------------------------------------------------------------
    Benchmark                              Time             CPU   Iterations
    ------------------------------------------------------------------------
    BM_exitWithStdException              140 ns          140 ns      4717998
    BM_exitWithErrorCode                 111 ns          111 ns      6209692
    BM_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.h
    struct Exception {};
    
    
    #ifdef __cplusplus
    extern "C" {
    #endif
    
    
        void raiseException();
    
    
    #ifdef __cplusplus
    };
    #endif

throw.cpp：

/// throw.cpp
    #include "throw.h"
    
    
    extern "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.c
    #include "throw.h"
    
    
    int main() {
        raiseException();
        return 0;
    }

我们分别编译throw.cpp和main.c：

> 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 app
    
    
    Undefined symbols for architecture x86_64:
      "__ZTVN10__cxxabiv117__class_type_infoE", referenced from:
          __ZTI9Exception in throw.o
      NOTE: 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.o
    ld: symbol(s) not found for architecture x86_64
    collect2: 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                   
    > ./app
    terminate called after throwing an instance of 'Exception'
    [1]    37016 abort      ./app

通过这个demo我们知道，g++确实在编译与链接时做了一些额外的工作，帮我们实现了throw关键字。对于try \{...\} catch () \{...\}来说也一样，链接时会链接到libc++中对应的函数实现，我们通过汇编代码再来体会一下：

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");
    }

对应的汇编（精简过后）：

_Z5raisev:
        call    __cxa_allocate_exception
        call    __cxa_throw
    
    
    _Z18try_but_dont_catchv:
        .cfi_startproc
        .cfi_personality 0,__gxx_personality_v0
        .cfi_lsda 0,.LLSDA1
        ...
        call    _Z5raisev
        jmp     .L8

\_Z5raisev对应函数raise函数的实现，从字面意思就可以看出\_\_cxa\_allocate\_exception是为Exception类型分配空间，\_\_cxa\_throw函数的实现位于libc++中，该函数是后续Exception处理机制的入口。z18try\_but\_dont\_catchv的前三行先不管，直接看到call \_Z5raisev。到这里也很好理解，如果\_Z5raisev执行正常的话，跳到 .L8 程序正常退出。

###  ###

.L8:
        leave
        .cfi_restore 5
        .cfi_def_cfa 4, 4
        ret
        .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, %edx
        je      .L5
    
    
    .LEHB1:
        call    _Unwind_Resume
    .LEHE1:
    
    
    .L5:
        call    __cxa_begin_catch
        call    __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**

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**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。

**推荐阅读**

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