C++异常安全类设计：拷贝赋值与继承

# C++ 异常安全类设计：拷贝赋值与继承 ## 1. 异常安全的三个常见级别 异常安全有三个常见级别，它们各自有着不同的特点和重要性，如下表所示： | 级别 | 解释 | 重要性 | | --- | --- | --- | | 基本保证 | 如果抛出异常，不会泄漏资源，对象保持可销毁和可用状态，但状态不一定可预测。 | 适用于调用代码能够处理已对对象状态产生更改的失败操作的情况，是最弱的可用异常安全级别。 | | 强保证 | 如果抛出异常，程序状态保持不变。此级别始终意味着提交或回滚语义，包括操作失败时容器的引用或迭代器不会失效。 | 提供了更严格的异常安全保证，确保操作的原子性。 | | 无抛出保证 | 函数在任何情况下都不会抛出异常。 | 某些函数必须提供此保证，否则可能无法实现强保证甚至基本保证，例如析构函数和内存释放函数。 | ## 2. 强异常安全拷贝赋值的规范形式 强异常安全拷贝赋值的规范形式包含两个步骤： 1. 提供一个不抛出异常的 `Swap()` 函数，用于交换两个对象的内部状态： ```cpp void T::Swap( T& other ) /* throw() */ { // ...swap the guts of *this and other... } ``` 2. 使用“创建临时对象并交换”的惯用法实现 `operator=()`： ```cpp T& T::operator=( const T& other ) { T temp( other ); // do all the work off to the side Swap( temp ); // then "commit" the work using return *this; // nonthrowing operations only } ``` ## 3. Cargill Widget 示例分析 考虑以下 `Widget` 类： ```cpp class Widget { public: Widget& operator=( const Widget& ); // ??? // ... private: T1 t1_; T2 t2_; }; ``` 假设任何 `T1` 或 `T2` 操作都可能抛出异常。在不改变类结构的情况下，无法编写一个强异常安全的 `Widget::operator=( const Widget& )`。原因如下： - 若尝试更改 `t1_` 时抛出异常，`t1_` 必须保持不变。这意味着 `Widget::operator=()` 的异常安全依赖于 `T1` 提供的异常安全保证，即 `T1::operator=()` 要么成功，要么不改变目标对象，这接近要求 `T1::operator=` 提供强保证，对 `T2::operator=` 同理。 - 若尝试更改 `t1_` 成功，但尝试更改 `t2_` 时抛出异常，就进入了“半途”状态，通常无法回滚对 `t1_` 已做的更改。例如，若尝试重新分配 `t1_` 的原始值或其他合理值也失败，`Widget` 对象甚至无法保证恢复到保持其不变量的一致状态。 ## 4. 通用技术：使用 Pimpl 惯用法 即使不改变 `Widget` 类的结构就无法使其 `operator=` 强异常安全，但可以使用以下简单转换来实现几乎强异常安全的赋值：通过指针而不是值来持有成员对象，最好使用 Pimpl 转换将所有成员对象放在一个指针后面。 ```cpp // Example 22-2: The general solution to // Cargill's Widget Example // class Widget { public: Widget(); // initializes pimpl_ with new WidgetImpl ~Widget(); // must be provided, because the implicit // version causes usage problems // (see Items 30 and 31) Widget& operator=( const Widget& ); // ... private: class WidgetImpl; auto_ptr<WidgetImpl> pimpl_; // ... provide copy construction that // works correctly, or suppress it ... }; // Then, typically in a separate // implementation file: // class Widget::WidgetImpl { public: // ... T1 t1_; T2 t2_; }; ``` 接下来可以轻松实现不抛出异常的 `Swap()` 函数，从而实现接近强保证的异常安全拷贝赋值： ```cpp void Widget::Swap( Widget& other ) /* throw() */ { auto_ptr<WidgetImpl> temp( pimpl_ ); pimpl_ = other.pimpl_; other.pimpl_ = temp; } Widget& Widget::operator=( const Widget& other ) { Widget temp( other ); // do all the work ```