C++ noexcept运算符 异常规范检测

noexcept运算符用于编译时检查表达式是否可能抛出异常，返回bool值。true表示不抛异常，false表示可能抛出。它可用于优化性能、支持移动语义、确保析构函数安全，并与RaiI结合提升代码健壮性。在模板中可结合type traits进行条件优化，自定义分配器也应合理使用noexcept以避免意外终止。滥用noexcept可能导致程序崩溃，需谨慎使用。

C++

noexcept

运算符用于在编译时检查表达式是否可能抛出异常。它返回一个

bool

类型的值，

true

表示表达式保证不抛出异常，

false

表示表达式可能抛出异常。这对于优化异常处理、编写更健壮的代码以及与异常规范（在 C++17 中已弃用，C++20 中已移除）配合使用非常有用。

解决方案

noexcept

运算符的基本用法如下：

#include <iostream>  void func1() noexcept {     // 保证不抛出异常的代码     std::cout << "func1 called" << std::endl; }  void func2() {     // 可能抛出异常的代码     throw std::runtime_error("Error in func2"); }  int main() {     std::cout << std::boolalpha; // 设置输出为 true/false      std::cout << "func1() is noexcept: " << noexcept(func1()) << std::endl; // 输出 true     std::cout << "func2() is noexcept: " << noexcept(func2()) << std::endl; // 输出 false      return 0; }

在这个例子中，

noexcept(func1())

返回

true

，因为

func1

被声明为

noexcept

。

noexcept(func2())

返回

false

，因为

func2

没有

noexcept

声明，并且我们手动

throw

了一个异常。

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更复杂的例子：

#include <iostream> #include <vector>  struct MyClass {     int* data;      MyClass() noexcept : data(new int[10]) {} // 构造函数保证不抛异常      ~MyClass() {         delete[] data;     }      MyClass(const MyClass& other) noexcept : data(new int[10]) {         std::copy(other.data, other.data + 10, data);     }      MyClass& operator=(const MyClass& other) noexcept {         std::copy(other.data, other.data + 10, data);         return *this;     } };  int main() {     std::cout << std::boolalpha;     std::cout << "MyClass constructor is noexcept: " << noexcept(MyClass()) << std::endl;     std::cout << "MyClass copy constructor is noexcept: " << noexcept(MyClass(MyClass())) << std::endl;     std::cout << "MyClass assignment operator is noexcept: " << noexcept(MyClass() = MyClass()) << std::endl;      std::vector<MyClass> vec;     vec.emplace_back(); // 如果 MyClass 的 move constructor 和 move assignment operator 是 noexcept，vector 的 reallocation 会使用 move semantics, 否则使用 copy semantics. 优化性能。      return 0; }

这个例子展示了

noexcept

在类中的应用，特别是构造函数、析构函数、拷贝构造函数和赋值运算符。 将这些特殊成员函数标记为

noexcept

可以显著提高性能，尤其是在使用标准库容器时。

noexcept

与异常规范的关系

在 C++11 引入

noexcept

之前，C++ 使用异常规范来声明函数可能抛出的异常。 例如：

void func() throw(int, std::bad_alloc); // 函数 func 可能抛出 int 或 std::bad_alloc 类型的异常

然而，异常规范存在一些问题，例如运行时检查开销和与模板代码的兼容性问题。 因此，C++17 弃用了异常规范，并在 C++20 中将其移除。

noexcept

运算符是

noexcept

规范的一部分，提供了一种更简洁、更可靠的方式来声明函数是否可能抛出异常。

noexcept

规范有两种形式：

1. noexcept

   ：表示函数保证不抛出异常。

2. noexcept(expression)

   ：表示函数是否抛出异常取决于表达式的值。

为什么

noexcept

很重要？

• 优化: 编译器可以利用

  noexcept

  信息进行优化，例如避免在函数调用前后插入额外的异常处理代码。

• 移动语义: 标准库容器（如

  std::vector

  ）在重新分配内存时，如果元素的移动构造函数和移动赋值运算符被标记为

  noexcept

  ，则会使用移动语义，否则会使用拷贝语义。 这可以显著提高性能。

• 避免意外终止: 如果一个

  noexcept

  函数抛出了异常，程序会立即终止（调用

  std::terminate

  ）。 这可以防止异常逃逸到不期望的地方，导致程序状态损坏。

• 保证析构函数不抛出异常: 析构函数应该始终被声明为

  noexcept

  ，因为在栈展开期间抛出异常会导致未定义行为。

如何确定函数是否应该声明为

noexcept

？

• 函数是否可能抛出异常？ 如果函数的所有操作都保证不会抛出异常，则可以声明为

  noexcept

  。 例如，简单的算术运算、内存分配（如果可以保证不会失败）等。

• 函数是否调用了可能抛出异常的其他函数？ 如果函数调用了其他可能抛出异常的函数，则该函数也可能抛出异常，除非你可以保证捕获并处理所有这些异常。
• 函数是否需要执行清理操作？ 如果函数需要在异常情况下执行清理操作（例如释放资源），则可能需要捕获异常并执行清理操作，然后重新抛出异常或返回错误代码。 在这种情况下，函数不应该声明为

  noexcept

  。

noexcept

说明符对性能的影响

noexcept

说明符允许编译器进行更积极的优化。 当编译器知道一个函数不会抛出异常时，它可以避免生成用于异常处理的额外代码。 这可以减少函数调用的开销，并提高程序的整体性能。 尤其是在使用标准库容器时，如果元素的移动构造函数和移动赋值运算符被标记为

noexcept

，则容器在重新分配内存时可以使用移动语义而不是复制语义，从而显著提高性能。

noexcept

的使用场景：何时应该使用？

1. 析构函数： 析构函数绝对应该声明为

   noexcept

   。在栈展开期间，如果析构函数抛出异常，会导致程序终止。

2. 移动构造函数和移动赋值运算符： 声明为

   noexcept

   可以允许标准库容器（如

   std::vector

   ）在重新分配内存时使用移动语义，从而提高性能。

3. 叶子函数： 叶子函数是指不调用其他函数的函数。如果叶子函数本身不执行任何可能抛出异常的操作，则可以声明为

   noexcept

   。

4. 低级函数： 低级函数是指直接操作硬件或操作系统的函数。这些函数通常不抛出异常，因此可以声明为

   noexcept

   。

5. 保证不抛出异常的函数： 如果你可以保证函数的所有操作都不会抛出异常，则可以声明为

   noexcept

   。

noexcept

的误用：常见错误和陷阱

• 过度使用

  noexcept

  ： 不要盲目地将所有函数都声明为

  noexcept

  。只有当你能够保证函数不会抛出异常时，才应该使用

  noexcept

  。

• 忽略潜在的异常： 即使你认为函数不会抛出异常，也要仔细检查代码，确保没有潜在的异常源。例如，内存分配失败、文件 I/O 错误等。
• 在

  noexcept

  函数中抛出异常： 如果一个

  noexcept

  函数抛出了异常，程序会立即终止。这可能会导致数据丢失或程序状态损坏。因此，在

  noexcept

  函数中应该避免抛出异常。 如果确实需要处理异常，应该捕获异常并执行清理操作，然后重新抛出异常或返回错误代码。

• 忘记更新

  noexcept

  说明符： 如果你修改了一个函数，使其可能抛出异常，则应该移除

  noexcept

  说明符。否则，程序可能会在运行时终止。

noexcept

与 RAII (Resource Acquisition Is Initialization) 的关系

RAII 是一种 C++ 编程技术，用于自动管理资源。它依赖于对象的生命周期来确保资源在不再需要时被释放。

noexcept

与 RAII 结合使用可以编写更健壮的代码。 如果一个 RAII 类的析构函数被声明为

noexcept

，则可以保证在栈展开期间资源会被正确释放，即使在其他地方发生了异常。 这可以防止资源泄漏和其他问题。 例如：

#include <iostream> #include <memory>  class Resource { public:     Resource() {         std::cout << "Resource acquired" << std::endl;     }     ~Resource() noexcept {         std::cout << "Resource released" << std::endl;     } };  void func() noexcept {     Resource r; // Resource acquired     // ...     // Resource released (when func exits, even if an exception is thrown elsewhere) }  int main() {     try {         func();         throw std::runtime_error("An error occurred");     } catch (const std::exception& e) {         std::cerr << "Exception caught: " << e.what() << std::endl;     }     return 0; }

在这个例子中，即使

main

函数抛出了异常，

Resource

类的析构函数仍然会被调用，从而确保资源被正确释放。 这是因为

Resource

类的析构函数被声明为

noexcept

。

如何在模板代码中使用

noexcept

？

在模板代码中，可以使用

std::is_nothrow_move_constructible

和

std::is_nothrow_move_assignable

类型特征来检查模板参数类型是否具有

noexcept

移动构造函数和移动赋值运算符。 这可以用于优化模板代码的性能。 例如：

#include <iostream> #include <type_traits>  template <typename T> void process(T&& value) {     if constexpr (std::is_nothrow_move_constructible_v<T>) {         std::cout << "Using move semantics" << std::endl;         T localValue = std::move(value); // Use move constructor     } else {         std::cout << "Using copy semantics" << std::endl;         T localValue = value; // Use copy constructor     } }  int main() {     int x = 10;     process(x); // Using copy semantics      std::string str = "Hello";     process(std::move(str)); // Using move semantics      return 0; }

在这个例子中，

process

函数使用

std::is_nothrow_move_constructible

来检查模板参数类型

T

是否具有

noexcept

移动构造函数。 如果是，则使用移动构造函数来创建

localValue

。 否则，使用拷贝构造函数。 这可以提高

process

函数的性能，特别是当

T

是一个大型对象时。

noexcept

与自定义内存分配器

如果你正在使用自定义内存分配器，你应该确保你的分配器在内存分配失败时不会抛出异常。 相反，你的分配器应该返回一个空指针或抛出一个

std::bad_alloc

异常。 如果你的分配器抛出其他类型的异常，则可能会导致程序终止。 你可以使用

noexcept

说明符来声明你的分配器不会抛出异常。 例如：

#include <iostream> #include <memory>  class MyAllocator { public:     using value_type = int;      MyAllocator() noexcept {}      int* allocate(std::size_t n) {         int* ptr = static_cast<int*>(std::malloc(n * sizeof(int)));         if (ptr == nullptr) {             throw std::bad_alloc();         }         return ptr;     }      void deallocate(int* p, std::size_t n) noexcept {         std::free(p);     } };  int main() {     std::allocator_traits<MyAllocator>::allocate(MyAllocator(), 10);     return 0; }

在这个例子中，

MyAllocator

类实现了一个自定义内存分配器。

allocate

函数在内存分配失败时抛出一个

std::bad_alloc

异常。

deallocate

函数被声明为

noexcept

，因为它不会抛出异常。