異常處理、動態記憶體申請在不同編譯器之間的表現差異
續上節內容 c++中的異常處理 ...
目錄
1、在main() 函式中丟擲異常會發生什麼
2、在解構函式中丟擲異常會發生什麼
3、函式的異常規格說明
4、動態記憶體申請結果的分析
5、關於 new 關鍵字的新用法
1、在main() 函式中丟擲異常會發生什麼
由上節中的 異常丟擲(throw exception)的邏輯分析 可知,異常丟擲後,會順著函式呼叫棧向上傳播,在這期間,若異常被捕獲,則程式正常執行;若異常在 main() 函式中依然沒有被捕獲,也就是說在 main() 函式中丟擲異常會發生什麼呢?(程式崩潰,但因編譯器的不同,結果也會略有差異)
1 #include <iostream> 2 #include <cstdlib> 3 4 using namespace std; 5 6 class Test 7 { 8 public: 9 Test() 10 { 11 cout << "Test()" << endl; 12 } 13 14 ~Test() 15 { 16 cout << "~Test()" << endl; 17 } 18 }; 19 20 int main() 21 { 22 cout << "main() begin..." << endl; 23 24 static Test t; 25 26 throw 1; 27 28 cout << "main() end..." << endl; 29 30 return 0; 31 }
將上述程式碼在不同的編譯器上執行,結果也會不同;
在 g++下執行,結果如下:
main() begin...
Test()
terminate called after throwing an instance of 'int'
Aborted (core dumped)
在 vs2013下執行,結果如下:
main() begin...
Test()
彈出異常除錯對話方塊
從執行結果來看,在 main() 中丟擲異常後會呼叫一個全域性的 terminate() 結束函式,在 terminal() 函式中不同編譯器處理的方式有所不同。
c++ 支援自定義結束函式,通過呼叫 set_terminate() 函式來設定自定義的結束函式,此時系統預設的 terminal() 函式就會失效;
(1)自定義結束函式的特點:與預設的 terminal() 結束函式 原型一樣,無參無返回值;
關於使用 自定義結束函式的注意事項:
1)不能在該函式中再次丟擲異常,這是最後一次處理異常的機會了;
2)必須以某種方式結束當前程式,如 exit(1)、abort();
exit():結束當前的程式,並且可以確保所有的全域性物件和靜態區域性物件全部都正常析構;
abort():異常終止一個程式,並且異常終止的時候不會呼叫任何物件的解構函式;
(2)set_terminate() 函式的特點:1)引數型別為函式指標 void(*)();2)返回值為自定義的 terminate() 函式入口地址;
1 #include <iostream> 2 #include <cstdlib> 3 4 using namespace std; 5 6 class Test 7 { 8 public: 9 Test() 10 { 11 cout << "Test()" << endl; 12 } 13 14 ~Test() 15 { 16 cout << "~Test()" << endl; 17 } 18 }; 19 20 void mterminate() 21 { 22 cout << "void mterminate()" << endl; 23 abort(); // 異常終止一個程式,不會析構任何物件 24 //exit(1); // 結束當前程式,但會析構所有的全域性和靜態區域性物件 25 } 26 27 int main() 28 { 29 terminate_handler f = set_terminate(mterminate); 30 31 cout << "terminate() 函式的入口地址 = " << f << "::" << mterminate << endl; 32 33 cout << "main() begin..." << endl; 34 35 static Test t; 36 37 throw 1; 38 39 cout << "main() end..." << endl; 40 41 return 0; 42 } 43 /** 44 * 以 exit(1) 結束程式時的執行結果: 45 * terminate() 函式的入口地址 = 1::1 46 * main() begin... 47 * Test() 48 * void mterminate() 49 * ~Test() 50 */ 51 52 /** 53 * 以 abort() 結束程式時的執行結果: 54 * terminate() 函式的入口地址 = 1::1,《為什麼全域性函式的地址都是 1 ?》 55 * main() begin... 56 * Test() 57 * void mterminate() 58 * Aborted (core dumped) 59 */自定義結束函式測試案例
2、在解構函式中丟擲異常會發生什麼
一般而言,在解構函式中銷燬所使用的資源,若在資源銷燬的過程中丟擲異常,那麼會導致所使用的資源無法完全銷燬;若對這一解釋深入挖掘,那麼會發生什麼呢?
試想程式在 main() 函式中丟擲了異常,然而該異常並沒有被捕獲,那麼該異常就會觸發系統預設的結束函式 terminal();因為不同編譯器對 terminal() 函式的內部實現有所差異,
(1)若 terminal() 函式是以 exit(1) 這種方式結束程式的話,那麼就會有可能呼叫到解構函式,而此時的解構函式中又丟擲了一個異常,就會導致二次呼叫 terminal() 函式,後果不堪設想(類似堆空間的二次釋放),但是,強大的 windows、Linux系統會幫我們解決這個問題,不過在一些嵌入式的作業系統中可能就會產生問題。
(2)若 terminal() 函式是以 abort() 這種方式結束程式的話,就不會發生(1)中的情況,這就是 g++ 編譯器為什麼會這麼做的原因了。
注:terminal() 結束函式是最後處理異常的一個函式,所以該函式中不可以再次丟擲異常,而(1)中就是違反了這條規則;
若在 terminal() 結束函式中丟擲異常,就會導致二次呼叫 terminal() 結束函式。
結論:在解構函式中丟擲異常時,若 terminate() 函式中以 exit() 這種方式結束程式的話會很危險,有可能二次呼叫 terminate() 函式,甚至死迴圈。
1 #include <iostream> 2 #include <cstdlib> 3 4 using namespace std; 5 6 class Test 7 { 8 public: 9 Test() 10 { 11 cout << "Test()" << endl; 12 } 13 14 ~Test() 15 { 16 cout << "~Test()" << endl; 17 18 throw 1; // 程式碼分析:會二次呼叫 mterminate() 19 } 20 }; 21 22 void mterminate() 23 { 24 cout << "void mterminate()" << endl; 25 exit(1); // 結束當前程式,但會析構所有的全域性和靜態區域性物件 26 } 27 28 int main() 29 { 30 set_terminate(mterminate); 31 32 cout << "main() begin..." << endl; 33 34 static Test t; 35 36 throw 1; 37 38 cout << "main() end..." << endl; 39 40 return 0; 41 }在解構函式中丟擲異常案例測試
將上述程式碼在不同的編譯器上執行,結果也會不同;
在 g++下執行,結果如下:
main() begin...
Test()
void mterminate() // 在 main() 函式中第一次丟擲異常,呼叫 自定義結束函式 mterminate()
~Test() // exit(1) 程式結束時,呼叫了解構函式,在解構函式中再次丟擲了異常,會呼叫 abort() 函式
Aborted (core dumped) // 注:一些舊版本的編譯器可能會呼叫 自定義結束函式 mterminate(),此行顯示 void mterminate()
在 vs2013下執行,結果如下:
main() begin...
Test()
void mterminate()
~Test() // exit(1) 程式結束時,呼叫了解構函式,在解構函式中再次丟擲了異常,會 彈出異常除錯對話方塊
彈出異常除錯對話方塊 // 注:一些舊版本的編譯器可能會呼叫 自定義結束函式 mterminate(),此行顯示 void mterminate()
結論:新版本的編譯器對 解構函式中丟擲異常這種行為 做了優化,直接讓程式異常終止。
3、函式的異常規格說明
如何判斷某個函式是否會丟擲異常,或許有很多辦法,如檢視函式的實現(可惜第三方庫不提供函式實現)、檢視技術文件(可能檢視的文件與當前所使用的函式版本不一致),但剛才列舉的這些方法都會存在缺陷。其實有一種更為簡單高效的方法,就是直接通過異常宣告來判斷這個函式是否會丟擲異常,簡稱為函式的異常規格說明。
異常宣告作為函式宣告的修飾符,寫在引數列表的後面;
1 /* 可能丟擲任何異常 */ 2 void func1(); 3 4 /* 只能丟擲的異常型別:char 和 int */ 5 void func2() throw(char, int); 6 7 /* 不丟擲任何異常 */ 8 void func3() throw();
異常規格說明的意義:
(1)提示函式呼叫者必須做好異常處理的準備;(如果想知道呼叫的函式會丟擲哪些型別的異常時,只用開啟標頭檔案看看這個函式是怎麼宣告的就可以了;)
(2)提示函式的維護者不要丟擲其它異常;
(3)異常規格說明是函式介面的一部分;(用於說明這個函式如何正確的使用;)
1 #include <iostream> 2 3 using namespace std; 4 5 void func() throw(int) 6 { 7 cout << "func()" << endl; 8 9 throw 'c'; 10 } 11 12 int main() 13 { 14 try 15 { 16 func(); 17 } 18 catch(int) 19 { 20 cout << "catch(int)" << endl; 21 } 22 catch(char) 23 { 24 cout << "catch(char)" << endl; 25 } 26 27 return 0; 28 }異常規格之外的異常測試案例
將上述程式碼在不同的編譯器上執行,結果也會不同;
在 g++下執行,結果如下:
func()
terminate called after throwing an instance of 'char'
Aborted (core dumped)
在 vs2013下執行,結果如下:
func()
catch(char) // 竟然捕獲了該異常,說明不受異常規格說明限制
通過對上述程式碼結果的再次研究,我們發現在 g++中,當異常不在函式異常規格說明中,就會呼叫一個 全域性函式 unexpected(),在該函式中再呼叫預設的全域性結束函式 terminate();
但在 vs2013中,異常並不會受限於函式異常規格說明的限制。
結論:g++ 編譯器遵循了c++規範,然而 vs2013 編譯器並不受限於這個約束。
提示:不同編譯器對函式異常規格說明的處理方式有所不同,所以在進行專案開發時,有必要測試當前所使用的編譯器。
c++ 中支援自定義異常函式;通過呼叫 set_unexpected() 函式來設定自定義異常函式,此時系統預設的 全域性函式 unexpected() 就會失效;
(1)自定義異常函式的特點:與預設的 全域性函式 unexpected() 原型一樣,無參無返回值;
(2)關於使用 自定義異常函式 的注意事項:
可以在函式中丟擲異常(當異常符合觸發函式的異常規格說明時,恢復程式執行;否則,呼叫全域性 terminate() 函式結束程式);
(3)set_unexpected() 函式的特點:1)引數型別為函式指標 void(*)();2)返回值為自定義的 unexpected() 函式入口地址;
1 #include <iostream> 2 #include <cstdlib> 3 4 using namespace std; 5 6 void m_unexpected() 7 { 8 cout << "void m_unexpected()" << endl; 9 10 throw 1; // 2 這個異常符合異常規格說明,所以可以被捕獲 11 // terminate(); // 若這麼寫,與上個程式的執行結果相同 12 } 13 14 void func() throw(int) 15 { 16 cout << "func()" << endl; 17 18 throw 'c'; // 1 由於不符合異常規格說明,此時會呼叫 m_unexpected() 函式 19 } 20 21 int main() 22 { 23 set_unexpected(m_unexpected); 24 25 try 26 { 27 func(); 28 } 29 catch(int) 30 { 31 cout << "catch(int)" << endl; 32 } 33 catch(char) 34 { 35 cout << "catch(char)" << endl; 36 } 37 38 return 0; 39 }自定義 unexpected() 函式的測試案例
將上述程式碼在不同的編譯器上執行,結果也會不同;
在 g++下執行,結果如下:
func()
void m_unexpected()
catch(int) // 由於自定義異常函式 m_unexpected() 中丟擲的異常 throw 1 符合函式異常規格說明,所以該異常被捕獲
在 vs2013下執行,結果如下:
func()
catch(char) // vs2013 沒有遵循c++規範,不受異常規格說明的限制,直接捕獲函式異常規格說明中 throw ‘c’這個異常
結論:(g++)unexpected() 函式是正確處理異常的最後機會,如果沒有抓住,terminate() 函式會被呼叫,當前程式以異常告終;
(vs2013)沒有函式異常規格說明的限制,所有的函式都可以丟擲任意異常。
4、動態記憶體申請結果的分析
在 c 語言中,使用 malloc 函式進行動態記憶體申請時,若成功,則返回對應的記憶體首地址;若失敗,則返回 NULL 值。
在 c++規範中,通過過載 new、new[] 操作符去動態申請足夠大的記憶體空間時,
(1)若成功,則在獲取的空間中呼叫建構函式建立物件,並返回物件地址;
(2)若失敗(記憶體空間不足),根據編譯器的不同,結果也會不同;
1)返回 NULL 值;(早期編譯器的行為,不屬於 c++ 規範)
2)丟擲 std::bad_alloc 異常;(後期的編譯器會丟擲異常,一些早期的編譯器依然返回 NULL 值)
注:不同編譯器 對如何丟擲異常 也是不確定的,c++ 規範是在 new_handler() 函式中丟擲 std::bad_alloc 異常,而 new_handler() 函式是在記憶體申請失敗時自動呼叫的。
當記憶體空間不足時,會呼叫全域性的 new_hander() 函式,呼叫該函式的意義就是讓我們有機會整理出足夠的記憶體空間;所以,我們可以自定義 new_hander() 函式,並通過全域性函式 set_new_hander() 去設定自定義 new_hander() 函式。(通過實驗證明, 有些編譯器沒有定義全域性的 new_hander() 函式,比如 vs2013、g++ ,見案例1 )
特別注意:set_new_hander() 的返回值是預設的全域性 new_hander() 函式的入口地址。
而 set_terminate() 函式的返回值是自定義 terminate() 函式的入口地址;
set_unexpected() 函式的返回值是自定義 unexpected() 函式的入口地址。
1 #include <iostream> 2 3 using namespace std; 4 5 void my_new_handler() 6 { 7 cout << "void my_new_handler()" << endl; 8 } 9 10 int main(int argc, char *argv[]) 11 { 12 // 若編譯器有全域性 new_handler() 函式,則 func != NULL,否則,func == NULL; 13 new_handler func = set_new_handler(my_new_handler); 14 15 try 16 { 17 cout << "func = " << func << endl; 18 19 if( func ) 20 { 21 func(); 22 } 23 } 24 catch(const bad_alloc&) 25 { 26 cout << "catch(const bad_alloc&)" << endl; 27 } 28 29 return 0; 30 }案例1:證明 編譯器是否定義了全域性 new_handler() 函式
將上述程式碼在不同的編譯器上執行,結果也會不同;
在 vs2013 和 g++下執行,結果如下:
func = 0 // => vs2013 and g++ 中沒有定義 全域性 new_handler() 函式
在 BCC下執行,結果如下:
func = 00401468
catch(const bad_alloc&) // 在 BCC 中定義了全域性 new_handler() 函式,並在該函式中丟擲了 std::bad_alloc 異常
1 #include <iostream> 2 #include <new> 3 #include <cstdlib> 4 #include <exception> 5 6 using namespace std; 7 8 class Test 9 { 10 int m_value; 11 public: 12 Test() 13 { 14 cout << "Test()" << endl; 15 16 m_value = 0; 17 } 18 19 ~Test() 20 { 21 cout << "~Test()" << endl; 22 } 23 24 void* operator new (size_t size) 25 { 26 cout << "operator new: " << size << endl; 27 28 return NULL; 29 } 30 31 void operator delete (void* p) 32 { 33 cout << "operator delete: " << p << endl; 34 35 free(p); 36 } 37 38 void* operator new[] (size_t size) 39 { 40 cout << "operator new[]: " << size << endl; 41 42 return NULL; 43 } 44 45 void operator delete[] (void* p) 46 { 47 cout << "operator delete[]: " << p << endl; 48 49 free(p); 50 } 51 }; 52 53 int main(int argc, char *argv[]) 54 { 55 Test* pt = new Test(); 56 57 cout << "pt = " << pt << endl; 58 59 delete pt; 60 61 pt = new Test[5]; 62 63 cout << "pt = " << pt << endl; 64 65 delete[] pt; 66 67 return 0; 68 }案例2:不同編譯器在記憶體申請失敗時的表現
將上述程式碼在不同的編譯器上執行,結果也會不同;
在 g++下執行,結果如下:
operator new: 4
Test() // 由於堆空間申請失敗,返回 NULL 值,接著又在這片失敗的空間上建立物件,當執行到 m_value = 0;時(相當於在 非法地址上賦值),編譯器報 段錯誤
Segmentation fault (core dumped)
在 vs2013下執行,結果如下:
operator new: 4
pt = 00000000
operator new[]: 24
pt = 00000000
在 BCC下執行,結果如下:
operator new: 4
pt = 00000000
operator new[]: 24
pt = 00000000
operator delete[]: 00000000
總結:在 g++ 編譯器中,記憶體空間申請失敗,也會繼續呼叫建構函式建立物件,這樣會產生 段錯誤;在 vs2013、BCC 編譯器中,記憶體空間申請失敗,直接返回NULL。
為了讓不同編譯器在記憶體申請時的行為統一,所以必須要過載 new、delete 或者 new[]、delete[] 操作符,當記憶體申請失敗時,直接返回 NULL 值,而不是丟擲 std::bad_alloc 異常,這就必須通過 throw() 修飾 記憶體申請函式。
1 #include <iostream> 2 #include <new> 3 #include <cstdlib> 4 #include <exception> 5 6 using namespace std; 7 8 class Test 9 { 10 int m_value; 11 public: 12 Test() 13 { 14 cout << "Test()" << endl; 15 16 m_value = 0; 17 } 18 19 ~Test() 20 { 21 cout << "~Test()" << endl; 22 } 23 24 void* operator new (size_t size) throw() 25 { 26 cout << "operator new: " << size << endl; 27 28 return NULL; 29 } 30 31 void operator delete (void* p) 32 { 33 cout << "operator delete: " << p << endl; 34 35 free(p); 36 } 37 38 void* operator new[] (size_t size) throw() 39 { 40 cout << "operator new[]: " << size << endl; 41 42 return NULL; 43 } 44 45 void operator delete[] (void* p) 46 { 47 cout << "operator delete[]: " << p << endl; 48 49 free(p); 50 } 51 }; 52 53 int main(int argc, char *argv[]) 54 { 55 Test* pt = new Test(); 56 57 cout << "pt = " << pt << endl; 58 59 delete pt; 60 61 pt = new Test[5]; 62 63 cout << "pt = " << pt << endl; 64 65 delete[] pt; 66 67 return 0; 68 }案例3:(優化)不同編譯器在記憶體申請失敗時的表現
通過測試,g++、vs2013、BCC 3款編譯器的執行結果一樣,輸出結果如下:
operator new: 4
pt = 00000000
operator new[]: 24
pt = 00000000
5、關於 new 關鍵字的新用法
(1)nothrow 關鍵字
1 #include <iostream> 2 #include <exception> 3 4 using namespace std; 5 6 void func1() 7 { 8 try 9 { 10 int* p = new(nothrow) int[-1]; 11 12 cout << p << endl; 13 14 delete[] p; 15 } 16 catch(const bad_alloc&) 17 { 18 cout << "catch(const bad_alloc&)" << endl; 19 } 20 21 cout << "--------------------" << endl; 22 23 try 24 { 25 int* p = new int[-1]; 26 27 cout << p << endl; 28 29 delete[] p; 30 } 31 catch(const bad_alloc&) 32 { 33 cout << "catch(const bad_alloc&)" << endl; 34 } 35 } 36 37 int main(int argc, char *argv[]) 38 { 39 func1(); 40 41 return 0; 42 }nothrow 關鍵字的使用
將上述程式碼在不同的編譯器上執行,結果也會不同;
在 g++、BCC下執行,結果如下:
0 // 使用了 nothrow 關鍵字,在動態記憶體申請失敗時,直接返回 NULL
--------------------
catch(const bad_alloc&) // 沒有 nothrow 關鍵字,動態記憶體申請失敗時,丟擲 std::bad_alloc 異常
在 vs2013下編譯失敗:
原因是 記憶體申請太大,即陣列的總大小不得超過 0x7fffffff 位元組;
結論:nothrow 關鍵字的作用:無論動態記憶體申請結果是什麼,都不要丟擲異常,然而不同編譯器之間也會有差異。
(2)通過 new 在指定的地址上建立物件
1 #include <iostream> 2 3 using namespace std; 4 5 void func2() 6 { 7 int bb[2] = {0}; 8 9 struct ST 10 { 11 int x; 12 int y; 13 }; 14 15 // 通過 new 在指定的地址上創制物件 16 // 將動態記憶體ST 建立到棧空間上(int bb[2] = {0}),但要保證二者的記憶體模型相同,此處是 8 bytes 17 ST* pt = new(bb) ST(); 18 19 pt->x = 1; 20 pt->y = 2; 21 22 cout << bb[0] << "::" << bb[1] << endl; 23 24 bb[0] = 3; 25 bb[1] = 4; 26 27 cout << pt->x << "::" << pt->y << endl; 28 29 pt->~ST(); // 由於指定了建立物件的空間,必選顯示的呼叫解構函式 30 } 31 32 int main(int argc, char *argv[]) 33 { 34 func2(); 35 36 return 0; 37 }通過 new 在指定的地址上創制物件
在 g++、vs2013、BCC下執行,結果如下:
1::2
3::4
動態記憶體申請的結論:
(1)不同的編譯器在動態記憶體分配上的實現細節不同;
(2)編譯器可能重定義 new 的實現,並在實現中丟擲 bad_alloc 異常;(vs2013、g++)
(3)編譯器的預設實現中,可能沒有設定全域性的 new_handler() 函式;(vs2013、g++)
(4)對於移植性要求高的程式碼,需要考慮 new 的具體細節;
我們可以進一步驗證上述結論,就以 vs2013 舉例,在編譯器的安裝包找到 new.cpp、new2.cpp 這兩個檔案(文 件路徑:C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 12.0\VC\crt\src),分析其原始碼發現,在記憶體申請失敗時,會呼叫 _callnewh(cb) 函式,該函式可以通過如下方式檢視:https://docs.microsoft.com/zh-cn/cpp/c-runtime-library/reference/callnewh?view=vs-2015;
所以在 vs中,當動態記憶體申請失敗時,會丟擲 std::bad_alloc異常,而不會返回 NULL 值;
1 #ifdef _SYSCRT 2 #include <cruntime.h> 3 #include <crtdbg.h> 4 #include <malloc.h> 5 #include <new.h> 6 #include <stdlib.h> 7 #include <winheap.h> 8 #include <rtcsup.h> 9 #include <internal.h> 10 11 // 兩個版本的 new 實現方式,失敗時都會丟擲 bad_alloc 異常 12 void * operator new( size_t cb ) 13 { 14 void *res; 15 16 for (;;) { 17 18 // allocate memory block 19 res = _heap_alloc(cb); 20 21 // if successful allocation, return pointer to memory 22 23 if (res) 24 break; 25 26 // call installed new handler 27 if (!_callnewh(cb)) // 申請失敗,則丟擲 bad_alloc 異常 28 break; 29 30 // new handler was successful -- try to allocate again 31 } 32 33 RTCCALLBACK(_RTC_Allocate_hook, (res, cb, 0)); 34 35 return res; 36 } 37 #else /* _SYSCRT */ 38 39 #include <cstdlib> 40 #include <new> 41 42 _C_LIB_DECL 43 int __cdecl _callnewh(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc); 44 _END_C_LIB_DECL 45 46 void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc) 47 { // try to allocate size bytes 48 void *p; 49 while ((p = malloc(size)) == 0) 50 if (_callnewh(size) == 0) 51 { // report no memory 52 _THROW_NCEE(_XSTD bad_alloc, ); 53 } 54 55 return (p); 56 }原始碼分析 new.cpp
1 #include <cruntime.h> 2 #include <malloc.h> 3 #include <new.h> 4 #include <stdlib.h> 5 #include <winheap.h> 6 #include <rtcsup.h> 7 8 void *__CRTDECL operator new(size_t) /*_THROW1(std::bad_alloc)*/; 9 10 void * operator new[]( size_t cb ) 11 { 12 void *res = operator new(cb); 13 14 RTCCALLBACK(_RTC_Allocate_hook, (res, cb, 0)); 15 16 return res; 17 }原始碼分析 new2.cpp
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