淺談C++ 異常處理的語義和性能

異常處理是個十分深奧的主題，這裏只是淺論其對C++性能的影響。

在VC++中，有多個異常處理模式，三個最重要：

• No exception handling (無異常處理)
• C++ only （C++語言異常處理）
• C++ 加SEH （C++語言加windows 結構異常處理機制）

異常處理每增長一個級別，都要付出時空上的代價。咱們從下面簡單的C++例子着手，分析異常處理的原理及其性能：

 

// 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，咱們先選擇「no exception」，並將上面line1，line7，line8註釋掉。代碼的size是：

Exe	Obj
32,256 bytes	20,931 bytes

 

然而由於line4引入一個「除0」異常，咱們的程序非正常地中止了工做。這並不是什麼大的災難。可是若是這是關鍵的服務器程序，這樣的結果確定不能爲客戶接受。

 

第二步，咱們選擇了，C++ only flag（/EHsc）。代碼size變爲：

Exe	Obj
37,888 bytes	24,959 bytes

代碼size較前面選擇增長了近20%。

 

然而，這個選擇決定了若是是C++的throw產生的異常咱們能夠俘獲。操做系統產生的異常，好比windows SEH 異常機制產生的異常，也不能俘獲。測試時，將line1，line7，Line8註釋取消。

運行程序，「除0」異常仍然致使程序中止。然而，將line4輸入改成2時，C++ throw 的異常被line7俘獲。

 

第三步，咱們選擇「C++ 加 SHE （/EHa）」，代碼size變爲：

 

Exe	Obj
37.0 KB (37,888 bytes)	28,486 bytes

 

代碼 obj size 略有變化，可是不顯著。選擇了這個後，MyAppObject::DoSomething的兩種異常都能被俘獲了。

異常處理語義

加了異常處理，程序的「工做集（working set）」, 的增加度高達20%，這是至關顯著的。關鍵的軟件部件必須考慮到這一點。那麼，運行速度會不會受到影響呢？咱們先看看異常處理的語義吧。

上面的TestMyAppObject中，因爲C++必須保證一旦異常出現，能「正確地」地銷燬自動變量，好比TestMyAppObject中的so，ss，和 so2 變量。在有異常處理的狀況下，必須區分「現行程序」的「區域」和「熱點」。

好比，TestMyAppObject的區域有before try 和 in try。

TestMyAppObject熱點有line2 ~ line6 （每一個line都是一個熱點）。

TestMyAppObject異常處理的邏輯是：

• 作「stack unwinding (堆棧回滾）」：
  • 若是line2出異常，無須做什麼（除非有MyAppObject 裏有部分未完成構造的成員partially constructed member 問題）。
  • 若是line3出異常，so必須銷燬。
  • 若是line4出異常，so和ss都必須銷燬。
  • 若是line6出異常，so，ss，和so2都須銷燬。
• 若是找到catch,執行catch
• 若是此函數沒有catch,繼續往上面函數，重複以上步驟　　

VC++的stack unwinding實現大體如此：

異常處理邏輯能夠轉換成一個靜態的jump列表（列出上面的四個熱點的jump to 地址），和一個stack_unwind()函數（堆棧回滾函數），根據當前的」熱點」，經過此列表，動態地跳到異常處裏的回滾代碼處。

綜合起來，異常處理在C++中，根據函數的auto變量的分佈，必須在每一個可能出現異常的函數添加上訴jump列表，致使程序size和工做集明顯增長。可是測試代表，若是不出現異常，程序的執行速度的影響是可忽略的（僅僅須要保持熱點位置），TestMyAppObject的測試結果選擇異常處理（但不出異常）反而比選擇不支持異常處理稍快。 

出現異常後，TestMyAppObject的測試結果代表，程序速度的影響能夠在10%~15%以上。可是個人測試尚未加rethrow 獲者其它異常處理邏輯，僅僅俘獲而已。

另外一個有趣的問題是，函數中auto變量的分佈，對「熱點列表」size的影響, 熱點太多，會致使熱點列表變得很大，因此若是可能，儘可能把auto變量放在頂端：

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;

由於第一種分佈只有一個熱點（假設constructor 不會throw）。而第二種分佈至少有三個熱點。

測試結果

測試上述TestMyAppObject函數，循環1000次的結果： 

• 傳值0，使line4不出現異常（C++ throw)，時間是0.802秒。

        傳值1，使line4出現除零異常，時間是0.832秒。

• 傳值2，使line4出現異常（C++ throw)，測試1000次測試,時間是1.043秒。

這個結果我有下列觀察：

• C++ throw的代價明顯高於windows SEH。C++ throw 異常在上述測試的時間比不出現異常增長近20%。可是若是咱們throw簡單的primitive 值，速度可能增快（讀者能夠本身測試）。

• 除零異常在這裏和無異常速度接近，可是考慮到本測試的簡單性，和實際應用中try-catch可能縱跨多個函數，會線性增長stack-unwinding的代價。因此我認爲，實際結果中，若是異常出現後出現性能10%~15%降低是正常的。

• 另外要考慮的是OS和編譯版本。VC++的異常處理比前面版本的性能大大提升了。 

總結

異常處理是C++中具備重要附加值的語言構造，爲安全可靠的應用程序提供了基石。

可是它也同時具備時空兩方面的代價（trade off）,咱們在應用時要清楚這個方面。異常應該在「異常時」用 （好像是廢話，實際上是設計思想和模式的重要一環），不要把它看成方便的「控制構造 control construct」來用。若是應用允許，也要儘量減小「熱點」，減少熱點列表。