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浅谈C++ 异常处理的语义和性能

异常处理是个十分深奥的主题,这里只是浅论其对C++性能的影响。

在VC++中,有多个异常处理模式,三个最重要:

  • No exception handling (无异常处理)
  • C++ only (C++语言异常处理)
  • C++ 加SEH (C++语言加windows 结构异常处理机制)

异常处理每增加一个级别,都要付出时空上的代价。我们从下面简单的C++例子着手,分析异常处理的原理及其性能:

 

// simple class

class MyAppObject

{

    public:

       MyAppObject(int id) : _myID(id) {}

       ~MyAppObject();

       int _myID;

       void DoSomething(int throwWhat) ;

}; 

// can throw 2 different exception

void MyAppObject::DoSomething(int throwWhat)

{

    printf("MyAppObject::DoSomething called for ‘%d‘\n", _myID);

    switch (throwWhat)

    {

       case 0:

             break;

       case 1:

             this->_myID /= 0;             // exception 1

             break;

       case 2:

             throw SimpleString("error!"); // exception 2

             break;

       }

}

 // Test exception for the above class

void TestMyAppObject()

{

       printf("before try”); 

       try                                                          // line1

       {

              printf("in try”);

 

             MyAppObject so = 1;                          // line2

             SimpleString ss("test ex point one");    // line3

             so.DoSomething(1);                           // line4

 

             printf("so::ID called for ‘%d‘\n", so._myID);

             MyAppObject so2 = 2;                       // line5

 

             printf("so2::ID called for ‘%d‘\n", so2._myID);

             so2.DoSomething(0);                        // line6

       }

       catch(const SimpleString &e)                   // line7

       {

             //printf("something happened: %s \n", e);

       }

       catch(...)                                    //line8

       {

             //printf("something happened: %s \n", "SEH");

       }

 

第一步,我们先选择“no exception”,并将上面line1,line7,line8注释掉。代码的size是:

Exe

Obj

32,256 bytes

20,931 bytes

 

然而因为line4引入一个“除0”异常,我们的程序非正常地停止了工作。这并非什么大的灾难。但是如果这是关键的服务器程序,这样的结果肯定不能为客户接受。

 

第二步,我们选择了,C++ only flag(/EHsc)。代码size变为:

Exe

Obj

37,888 bytes

24,959 bytes

代码size较前面选择增加了近20%

 

然而,这个选择决定了如果是C++的throw产生的异常我们可以俘获。操作系统产生的异常,比如windows SEH 异常机制产生的异常,也不能俘获。测试时,将line1line7Line8注释取消。

运行程序,“0”异常仍然导致程序停止。然而,将line4输入改为2时,C++ throw 的异常被line7俘获。

 

第三步,我们选择“C++ 加 SHE (/EHa)”,代码size变为:

 

Exe

Obj

37.0 KB (37,888 bytes)

28,486 bytes

 

代码 obj size 略有变化,但是不显著。选择了这个后,MyAppObject::DoSomething的两种异常都能被俘获了。

异常处理语义

加了异常处理,程序的“工作集(working set)”, 的增长度高达20%,这是相当显著的。关键的软件部件必须考虑到这一点。那么,运行速度会不会受到影响呢?我们先看看异常处理的语义吧。

上面的TestMyAppObject中,由于C++必须保证一旦异常出现,能“正确地”地销毁自动变量,比如TestMyAppObject中的soss,和 so2 变量。在有异常处理的情况下,必须区分“现行程序”的“区域”和“热点”。

比如,TestMyAppObject区域before tryin try

TestMyAppObject热点有line2 ~ line6 (每个line都是一个热点)。

TestMyAppObject异常处理的逻辑是:

  • 如果line2出异常,无须作什么(除非有MyAppObject 里有部分未完成构造的成员partially constructed member 问题)。
  • 如果line3出异常,so必须销毁。
  • 如果line4出异常,soss都必须销毁。
  • 如果line6出异常,sossso2都须销毁。

VC++的实现大致如此:

异常处理逻辑可以转换成一个静态的jump列表(列出上面的四个热点的jump to 地址),和一个stack_unwind()函数(堆栈回滚函数),根据当前的”热点”,通过此列表,动态地跳到异常处里的回滚代码处。

综合起来,异常处理在C++中,根据函数的auto变量的分布,必须在每个可能出现异常的函数添加上诉jump列表,导致程序size和工作集明显增加。但是测试表明,如果不出现异常,程序的执行速度的影响是可忽略的(仅仅需要保持热点位置),TestMyAppObject的测试结果选择异常处理(但不出异常)反而比选择不支持异常处理稍快。 

出现异常后,TestMyAppObject的测试结果表明,程序速度的影响可以在10%~15%以上。但是我的测试还没有加rethrow 获者其它异常处理逻辑,仅仅俘获而已。

另一个有趣的问题是,函数中auto变量的分布,对“热点列表”size的影响, 热点太多,会导致热点列表变得很大,所以如果可能,尽量把auto变量放在顶端:

X a, b

Y c,d

而不是

X a

// do something (1

X b;

// do something else (2

Y c;

// do yet something else (3

Y d;

因为第一种分布只有一个热点(假设constructor 不会throw)。而第二种分布至少有三个热点。

总结

异常处理是C++中具有重要附加值的语言构造,为安全可靠的应用程序提供了基石。

但是它也同时具有时空两方面的代价(trade off),我们在应用时要清楚这个方面。异常应该在“异常时”用 (好像是废话,其实是设计思想和模式的重要一环),不要把它当作方便的“控制构造 control construct”来用。如果应用容许,也要尽可能减少“热点”,减小热点列表。

 

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