异常处理、动态内存申请在不同编译器之间的表现差异

续上节内容 c++中的异常处理 ...

目录

　　1、在main() 函数中抛出异常会发生什么

　　2、在析构函数中抛出异常会发生什么

　　3、函数的异常规格说明

　   4、动态内存申请结果的分析

　   5、关于 new 关键字的新用法

1、在main() 函数中抛出异常会发生什么

　　由上节中的 异常抛出（throw exception）的逻辑分析  可知，异常抛出后，会顺着函数调用栈向上传播，在这期间，若异常被捕获，则程序正常运行；若异常在 main() 函数中依然没有被捕获，也就是说在 main() 函数中抛出异常会发生什么呢？（程序崩溃，但因编译器的不同，结果也会略有差异）　　

#include <iostream>
#include <cstdlib>

using namespace std;

class Test
{
public:
    Test()
    {
        cout << "Test()" << endl;
    }
    
    ~Test()
    {
        cout << "~Test()" << endl;
    }
};

int main()
{
    cout << "main() begin..." << endl;

    static Test t;
    
    throw 1;  
              
    cout << "main() end..." << endl;
          
    return 0;
}

 　将上述代码在不同的编译器上运行，结果也会不同；

　　在 g++下运行，结果如下：

main() begin...

Test()

terminate called after throwing an instance of 'int'

Aborted (core dumped)

　　在 vs2013下运行，结果如下：

　　main() begin...

　　Test()

　　弹出异常调试对话框

 　　从运行结果来看，在 main() 中抛出异常后会调用一个全局的 terminate() 结束函数，在 terminal() 函数中不同编译器处理的方式有所不同。

　　c++ 支持自定义结束函数，通过调用 set_terminate() 函数来设置自定义的结束函数，此时系统默认的 terminal() 函数就会失效；

　（1）自定义结束函数的特点：与默认的 terminal() 结束函数 原型一样，无参无返回值；

　　　  关于使用 自定义结束函数的注意事项：

　　　　1）不能在该函数中再次抛出异常，这是最后一次处理异常的机会了；

　　　　2）必须以某种方式结束当前程序，如 exit(1)、abort();

　　　　exit()：结束当前的程序，并且可以确保所有的全局对象和静态局部对象全部都正常析构；

　　　　abort()：异常终止一个程序，并且异常终止的时候不会调用任何对象的析构函数；

　（2）set_terminate() 函数的特点：1）参数类型为函数指针 void(*)()；2）返回值为自定义的 terminate() 函数入口地址；

#include <iostream>
#include <cstdlib>

using namespace std;

class Test
{
public:
    Test()
    {
        cout << "Test()" << endl;
    }
    
    ~Test()
    {
        cout << "~Test()" << endl;
    }
};

void mterminate()
{
    cout << "void mterminate()" << endl;
    abort();   // 异常终止一个程序，不会析构任何对象
    //exit(1); // 结束当前程序，但会析构所有的全局和静态局部对象
}

int main()
{
    terminate_handler f = set_terminate(mterminate);
    
    cout << "terminate() 函数的入口地址 = " << f << "::" << mterminate << endl;
    
    cout << "main() begin..." << endl;
 
    static Test t;  
    
    throw 1;  
              
    cout << "main() end..." << endl;
          
    return 0;
}
/**
 * 以 exit(1) 结束程序时的运行结果：
 * terminate() 函数的入口地址 = 1::1
 * main() begin...
 * Test()
 * void mterminate()
 * ~Test()
 */

/**
 * 以 abort() 结束程序时的运行结果：
 * terminate() 函数的入口地址 = 1::1，《为什么全局函数的地址都是 1 ？》
 * main() begin...
 * Test()
 * void mterminate()
 * Aborted (core dumped)
 */

2、在析构函数中抛出异常会发生什么

　　一般而言，在析构函数中销毁所使用的资源，若在资源销毁的过程中抛出异常，那么会导致所使用的资源无法完全销毁；若对这一解释深入挖掘，那么会发生什么呢？

　　试想程序在 main() 函数中抛出了异常，然而该异常并没有被捕获，那么该异常就会触发系统默认的结束函数 terminal()；因为不同编译器对 terminal() 函数的内部实现有所差异，

　（1）若 terminal() 函数是以 exit(1) 这种方式结束程序的话，那么就会有可能调用到析构函数，而此时的析构函数中又抛出了一个异常，就会导致二次调用 terminal() 函数，后果不堪设想（类似堆空间的二次释放），但是，强大的 windows、Linux系统会帮我们解决这个问题，不过在一些嵌入式的操作系统中可能就会产生问题。

　（2）若 terminal() 函数是以 abort() 这种方式结束程序的话，就不会发生（1）中的情况，这就是 g++ 编译器为什么会这么做的原因了。

　　注：terminal() 结束函数是最后处理异常的一个函数，所以该函数中不可以再次抛出异常，而（1）中就是违反了这条规则；

　　　　若在 terminal() 结束函数中抛出异常，就会导致二次调用 terminal() 结束函数。

　　结论：在析构函数中抛出异常时，若 terminate() 函数中以 exit() 这种方式结束程序的话会很危险，有可能二次调用 terminate() 函数，甚至死循环。

#include <iostream>
#include <cstdlib>

using namespace std;

class Test
{
public:
    Test()
    {
        cout << "Test()" << endl;
    }
    
    ~Test()
    {
        cout << "~Test()" << endl;

        throw 1； // 代码分析：会二次调用 mterminate()
    }
};

void mterminate()
{
    cout << "void mterminate()" << endl;
    exit(1); // 结束当前程序，但会析构所有的全局和静态局部对象
}

int main()
{
    set_terminate(mterminate);

    cout << "main() begin..." << endl;

    static Test t;  
    
    throw 1;  
              
    cout << "main() end..." << endl;
          
    return 0;
}

  　将上述代码在不同的编译器上运行，结果也会不同；

　　在 g++下运行，结果如下：

main() begin...

Test()

void mterminate()　　　　　 // 在 main() 函数中第一次抛出异常，调用 自定义结束函数 mterminate()

~Test()　　　　　　　　　　// exit(1) 程序结束时，调用了析构函数，在析构函数中再次抛出了异常，会调用 abort() 函数

Aborted (core dumped)　　  // 注：一些旧版本的编译器可能会调用 自定义结束函数 mterminate()，此行显示 void mterminate()

　　在 vs2013下运行，结果如下：

main() begin...

Test()

void mterminate()

~Test()　　　　　　　　　　// exit(1) 程序结束时，调用了析构函数，在析构函数中再次抛出了异常，会 弹出异常调试对话框

弹出异常调试对话框 　　      // 注：一些旧版本的编译器可能会调用 自定义结束函数 mterminate()，此行显示 void mterminate()

　　结论：新版本的编译器对 析构函数中抛出异常这种行为 做了优化，直接让程序异常终止。

3、函数的异常规格说明

　　如何判断某个函数是否会抛出异常，或许有很多办法，如查看函数的实现（可惜第三方库不提供函数实现）、查看技术文档（可能查看的文档与当前所使用的函数版本不一致），但刚才列举的这些方法都会存在缺陷。其实有一种更为简单高效的方法，就是直接通过异常声明来判断这个函数是否会抛出异常，简称为函数的异常规格说明。

　　异常声明作为函数声明的修饰符，写在参数列表的后面；　　

/* 可能抛出任何异常 */
void func1();

/* 只能抛出的异常类型：char 和 int */
void func2() throw(char, int);

/* 不抛出任何异常 */
void func3() throw();

　　异常规格说明的意义：

    　（1）提示函数调用者必须做好异常处理的准备；（如果想知道调用的函数会抛出哪些类型的异常时，只用打开头文件看看这个函数是怎么声明的就可以了；）

　　（2）提示函数的维护者不要抛出其它异常；

       （3）异常规格说明是函数接口的一部分；（用于说明这个函数如何正确的使用；）

#include <iostream>

using namespace std;

void func() throw(int)
{
    cout << "func()" << endl;
    
    throw 'c';
}

int main()
{
    try 
    {
        func();
    } 
    catch(int) 
    {
        cout << "catch(int)" << endl;
    } 
    catch(char) 
    {
        cout << "catch(char)" << endl;
    }

    return 0;
}

将上述代码在不同的编译器上运行，结果也会不同；

　　在 g++下运行，结果如下：

func()

terminate called after throwing an instance of 'char'

Aborted (core dumped)

　　在 vs2013下运行，结果如下：

func()

catch(char)　　// 竟然捕获了该异常，说明不受异常规格说明限制

　　通过对上述代码结果的再次研究，我们发现在 g++中，当异常不在函数异常规格说明中，就会调用一个 全局函数 unexpected()，在该函数中再调用默认的全局结束函数 terminate()；

　　但在 vs2013中，异常并不会受限于函数异常规格说明的限制。

　　结论：g++ 编译器遵循了c++规范，然而 vs2013 编译器并不受限于这个约束。

　　提示：不同编译器对函数异常规格说明的处理方式有所不同，所以在进行项目开发时，有必要测试当前所使用的编译器。

　　c++ 中支持自定义异常函数；通过调用 set_unexpected() 函数来设置自定义异常函数，此时系统默认的 全局函数 unexpected() 就会失效；

　   （1）自定义异常函数的特点：与默认的 全局函数 unexpected() 原型一样，无参无返回值；

   　（2）关于使用 自定义异常函数 的注意事项：

　　　　可以在函数中抛出异常（当异常符合触发函数的异常规格说明时，恢复程序执行；否则，调用全局 terminate() 函数结束程序）；

　   （3）set_unexpected() 函数的特点：1）参数类型为函数指针 void(*)()；2）返回值为自定义的 unexpected() 函数入口地址；

#include <iostream>
#include <cstdlib>

using namespace std;

void m_unexpected()
{
    cout << "void m_unexpected()" << endl;
  
    throw 1;  // 2 这个异常符合异常规格说明，所以可以被捕获
    // terminate(); // 若这么写，与上个程序的运行结果相同
}

void func() throw(int)
{
    cout << "func()" << endl;
    
    throw 'c';  // 1 由于不符合异常规格说明，此时会调用 m_unexpected() 函数
}

int main()
{
    set_unexpected(m_unexpected);
    
    try 
    {
        func();
    } 
    catch(int) 
    {
        cout << "catch(int)" << endl;
    } 
    catch(char) 
    {
        cout << "catch(char)" << endl;
    }

    return 0;
}

　　将上述代码在不同的编译器上运行，结果也会不同；

　　在 g++下运行，结果如下：

func()

void m_unexpected()

catch(int)　　// 由于自定义异常函数 m_unexpected() 中抛出的异常 throw 1 符合函数异常规格说明，所以该异常被捕获

　   在 vs2013下运行，结果如下：

func()

catch(char)　　// vs2013 没有遵循c++规范，不受异常规格说明的限制，直接捕获函数异常规格说明中 throw ‘c’这个异常

　　结论：（g++）unexpected() 函数是正确处理异常的最后机会，如果没有抓住，terminate() 函数会被调用，当前程序以异常告终；

　　　　　（vs2013）没有函数异常规格说明的限制，所有的函数都可以抛出任意异常。

 4、动态内存申请结果的分析

　　在 c 语言中，使用 malloc 函数进行动态内存申请时，若成功，则返回对应的内存首地址；若失败，则返回 NULL 值。

　　在 c++规范中，通过重载 new、new[] 操作符去动态申请足够大的内存空间时，

　　（1）若成功，则在获取的空间中调用构造函数创建对象，并返回对象地址；

　　（2）若失败（内存空间不足），根据编译器的不同，结果也会不同；

　　　　1）返回 NULL 值；（早期编译器的行为，不属于 c++ 规范）

　　　　2）抛出 std::bad_alloc 异常；（后期的编译器会抛出异常，一些早期的编译器依然返回 NULL 值）

　　  注：不同编译器  对如何抛出异常  也是不确定的，c++ 规范是在 new_handler() 函数中抛出 std::bad_alloc 异常，而 new_handler() 函数是在内存申请失败时自动调用的。

　　 当内存空间不足时，会调用全局的 new_hander() 函数，调用该函数的意义就是让我们有机会整理出足够的内存空间；所以，我们可以自定义 new_hander() 函数，并通过全局函数 set_new_hander() 去设置自定义 new_hander() 函数。（通过实验证明， 有些编译器没有定义全局的 new_hander() 函数，比如 vs2013、g++ ，见案例1 ）

　　特别注意：set_new_hander() 的返回值是默认的全局 new_hander() 函数的入口地址。

　　　　　　  而 set_terminate() 函数的返回值是自定义 terminate() 函数的入口地址；

　　　　　　　　set_unexpected() 函数的返回值是自定义 unexpected() 函数的入口地址。

#include <iostream>

using namespace std;

void my_new_handler()
{
    cout << "void my_new_handler()" << endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    // 若编译器有全局 new_handler() 函数，则 func ！= NULL，否则，func == NULL；
    new_handler func = set_new_handler(my_new_handler);

    try
    {
        cout << "func = " << func << endl;  
        
        if( func )
        {
            func();
        }
    }
    catch(const bad_alloc&)
    {
        cout << "catch(const bad_alloc&)" << endl;
    }
    
    return 0;
}

　　将上述代码在不同的编译器上运行，结果也会不同；

　　在 vs2013 和 g++下运行，结果如下：

func = 0 　　// => vs2013 and g++ 中没有定义 全局 new_handler() 函数 

 　　在 BCC下运行，结果如下：

func = 00401468

catch(const bad_alloc&)　　// 在 BCC 中定义了全局 new_handler() 函数，并在该函数中抛出了 std::bad_alloc 异常

#include <iostream>
#include <new>
#include <cstdlib>
#include <exception>

using namespace std;

class Test
{
    int m_value;
public:
    Test()
    {
        cout << "Test()" << endl;
        
        m_value = 0;
    }
    
    ~Test()
    {
        cout << "~Test()" << endl;  
    }
    
    void* operator new (size_t size)
    {
        cout << "operator new: " << size << endl;
        
        return NULL;
    }
    
    void operator delete (void* p)
    {
        cout << "operator delete: " << p << endl;
        
        free(p);
    }
    
    void* operator new[] (size_t size)
    {
        cout << "operator new[]: " << size << endl;
        
        return NULL;
    }
    
    void operator delete[] (void* p)
    {
        cout << "operator delete[]: " << p << endl;
        
        free(p);
    }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Test* pt = new Test();  
    
    cout << "pt = " << pt << endl;
    
    delete pt;
    
    pt = new Test[5];
    
    cout << "pt = " << pt << endl;
    
    delete[] pt; 
    
    return 0;
}

　　将上述代码在不同的编译器上运行，结果也会不同；

　　在 g++下运行，结果如下：　

operator new: 4

Test()　　// 由于堆空间申请失败，返回 NULL 值，接着又在这片失败的空间上创建对象，当执行到 m_value = 0;时（相当于在 非法地址上赋值），编译器报 段错误

Segmentation fault (core dumped)

 　　在 vs2013下运行，结果如下：

operator new: 4

pt = 00000000

operator new[]: 24

pt = 00000000

　　在 BCC下运行，结果如下：　

operator new: 4

pt = 00000000

operator new[]: 24

pt = 00000000

operator delete[]: 00000000

 　　总结：在 g++ 编译器中，内存空间申请失败，也会继续调用构造函数创建对象，这样会产生 段错误；在 vs2013、BCC 编译器中，内存空间申请失败，直接返回NULL。

 　　为了让不同编译器在内存申请时的行为统一，所以必须要重载 new、delete 或者 new[]、delete[] 操作符，当内存申请失败时，直接返回 NULL 值，而不是抛出 std::bad_alloc 异常，这就必须通过 throw() 修饰 内存申请函数。

#include <iostream>
#include <new>
#include <cstdlib>
#include <exception>

using namespace std;

class Test
{
    int m_value;
public:
    Test()
    {
        cout << "Test()" << endl;
        
        m_value = 0;
    }
    
    ~Test()
    {
        cout << "~Test()" << endl;  
    }
    
    void* operator new (size_t size) throw()
    {
        cout << "operator new: " << size << endl;
        
        return NULL;
    }
    
    void operator delete (void* p)
    {
        cout << "operator delete: " << p << endl;
        
        free(p);
    }
    
    void* operator new[] (size_t size) throw()
    {
        cout << "operator new[]: " << size << endl;
        
        return NULL;
    }
    
    void operator delete[] (void* p)
    {
        cout << "operator delete[]: " << p << endl;
        
        free(p);
    }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Test* pt = new Test();
    
    cout << "pt = " << pt << endl;
    
    delete pt;
    
    pt = new Test[5];
    
    cout << "pt = " << pt << endl;
    
    delete[] pt; 
    
    return 0;
}

　　通过测试，g++、vs2013、BCC 3款编译器的运行结果一样，输出结果如下：

operator new: 4

pt = 00000000

operator new[]: 24

pt = 00000000

5、关于 new 关键字的新用法

（1）nothrow 关键字

#include <iostream>
#include <exception>

using namespace std;

void func1()
{
    try
    {
        int* p = new(nothrow) int[-1]; 
        
        cout << p << endl;
        
        delete[] p; 
    }
    catch(const bad_alloc&)
    {
        cout << "catch(const bad_alloc&)" << endl;
    }    
    
    cout << "--------------------" << endl;
    
    try
    {
        int* p = new int[-1];
        
        cout << p << endl;
        
        delete[] p; 
    }
    catch(const bad_alloc&)
    {
        cout << "catch(const bad_alloc&)" << endl;
    }    
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    func1();
    
    return 0;
}

　　将上述代码在不同的编译器上运行，结果也会不同；

　　在 g++、BCC下运行，结果如下：

0　　　　　　　　　　　     // 使用了 nothrow 关键字，在动态内存申请失败时，直接返回 NULL
--------------------
catch(const bad_alloc&)　　// 没有 nothrow 关键字，动态内存申请失败时，抛出 std::bad_alloc 异常

   　在 vs2013下编译失败：

原因是 内存申请太大，即数组的总大小不得超过 0x7fffffff 字节；

　　结论：nothrow 关键字的作用：无论动态内存申请结果是什么，都不会抛出异常，并且这种现象在不同编译器之间也会有差异。

（2）通过 new 在指定的地址上创建对象

#include <iostream>

using namespace std;

void func2()
{
    int bb[2] = {0};
    
    struct ST
    {
        int x;
        int y;
    };
    
    // 通过 new 在指定的地址上创制对象
    // 将动态内存ST 创建到栈空间上（int bb[2] = {0}），但要保证二者的内存模型相同，此处是 8 bytes
    ST* pt = new(bb) ST();  
    
    pt->x = 1;
    pt->y = 2;
    
    cout << bb[0] << "::" << bb[1] << endl;
    
    bb[0] = 3;
    bb[1] = 4;
    
    cout << pt->x << "::" << pt->y << endl;
    
    pt->~ST();  // 由于指定了创建对象的空间，必选显示的调用析构函数
}

int main(int argc, char *argv[])
{   
    func2();
    
    return 0;
}

　　在 g++、vs2013、BCC下运行，结果如下：

1::2

3::4

 动态内存申请的结论：

    （1）不同的编译器在动态内存分配上的实现细节不同；

    （2）编译器可能重定义 new 的实现，并在实现中抛出 bad_alloc 异常；（vs2013、g++）

    （3）编译器的默认实现中，可能没有设置全局的 new_handler() 函数；（vs2013、g++）

    （4）对于移植性要求高的代码，需要考虑 new 的具体细节；

　　我们可以进一步验证上述结论，就以 vs2013 举例，在编译器的安装包找到 new.cpp、new2.cpp 这两个文件（文 件路径：C:Program Files (x86)Microsoft Visual Studio 12.0VCcrtsrc）,分析其源码发现，在内存申请失败时，会调用 _callnewh(cb) 函数，该函数可以通过如下方式查看：https://docs.microsoft.com/zh-cn/cpp/c-runtime-library/reference/callnewh?view=vs-2015；

　　

 　　

　　所以在 vs中，当动态内存申请失败时，会抛出 std::bad_alloc异常，而不会返回 NULL 值；

#ifdef _SYSCRT
#include <cruntime.h>
#include <crtdbg.h>
#include <malloc.h>
#include <new.h>
#include <stdlib.h>
#include <winheap.h>
#include <rtcsup.h>
#include <internal.h>

// 两个版本的 new 实现方式，失败时都会抛出 bad_alloc 异常
void * operator new( size_t cb )
{
    void *res;

    for (;;) {

        //  allocate memory block
        res = _heap_alloc(cb);

        //  if successful allocation, return pointer to memory

        if (res)
            break;

        //  call installed new handler
        if (!_callnewh(cb))  // 申请失败，则抛出 bad_alloc 异常
            break;

        //  new handler was successful -- try to allocate again
    }

    RTCCALLBACK(_RTC_Allocate_hook, (res, cb, 0));

    return res;
}
#else  /* _SYSCRT */

#include <cstdlib>
#include <new>

_C_LIB_DECL
int __cdecl _callnewh(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc);
_END_C_LIB_DECL

void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
        {       // try to allocate size bytes
        void *p;
        while ((p = malloc(size)) == 0)
                if (_callnewh(size) == 0)
                {       // report no memory
                        _THROW_NCEE(_XSTD bad_alloc, );
                }

        return (p);
        }

#include <cruntime.h>
#include <malloc.h>
#include <new.h>
#include <stdlib.h>
#include <winheap.h>
#include <rtcsup.h>

void *__CRTDECL operator new(size_t) /*_THROW1(std::bad_alloc)*/;

void * operator new[]( size_t cb )
{
    void *res = operator new(cb);

    RTCCALLBACK(_RTC_Allocate_hook, (res, cb, 0));

    return res;
}