5.4、noexcept（异常规范）

1. 异常规范的历史与设计哲学

在C++03及之前，异常规范通过throw()语法指定函数是否抛出异常，例如：

void foo() throw();        // 不抛异常
void bar() throw(int);     // 只抛int类型异常

但这种机制存在诸多问题：

• • 语法复杂且易出错：必须列出所有可能抛出的异常类型，维护困难。
• • 运行时开销大：异常违反规范时调用std::unexpected，行为复杂且难以预测。
• • 编译器支持差：大多数编译器对动态异常规范支持不佳，甚至忽略。

C++11的noexcept特性，设计哲学核心是：

• • 简洁明了：只区分“可能抛异常”和“不抛异常”两种状态。
• • 编译时检查：通过noexcept操作符支持条件表达式，在编译期判断函数是否抛异常。
• • 性能优化：标记为noexcept的函数允许编译器做更激进的优化，特别是在移动语义和容器操作方面。
• • 行为确定：如果noexcept函数抛出异常，程序直接调用std::terminate，避免复杂的异常传播。

2. noexcept的基本用法与老语法对比

2.1 传统异常规范（C++03）

void foo() throw();       // 不抛异常
void bar() throw(int);    // 只抛int异常
void baz();               // 可能抛异常

缺点：

• • 维护异常类型列表繁琐。
• • 动态异常规范在C++17被废弃。
• • 编译器支持有限。

2.2 C++11的noexcept

void foo() noexcept;          // 不抛异常
void bar() noexcept(true);    // 等同于noexcept
void baz() noexcept(false);   // 可能抛异常，等同于不写
void qux();                   // 可能抛异常

noexcept还支持条件表达式：

template<typename T>
void func() noexcept(noexcept(T())) {
    // 只有当T的构造函数不抛异常时，func才被标记为noexcept
}

3. 代码案例解析

3.1 简单示例

#include <iostream>

void may_throw() {
    throw std::runtime_error("error");
}

void no_throw() noexcept {
    // 不抛异常
}

void test() noexcept {
    may_throw();  // 这里抛异常会导致程序终止
}

int main() {
    try {
        test();
    } catch (...) {
        std::cout << "Caught exception\n"; // 不会执行，因为test()抛异常会直接调用std::terminate
    }
}

解析：

• • test()被声明为noexcept，如果may_throw()抛异常，程序不会进入catch，而是直接终止。
• • 这是noexcept的设计意图：保证函数不会让异常逃逸，若违背则程序终止，避免异常传播复杂性。

3.2 条件noexcept与模板

#include <iostream>
#include <vector>

struct NoexceptMove {
    NoexceptMove() = default;
    NoexceptMove(NoexceptMove&&) noexcept {}  // 移动构造函数不抛异常
};

struct MayThrowMove {
    MayThrowMove() = default;
    MayThrowMove(MayThrowMove&&) {}  // 可能抛异常
};

template<typename T>
void foo() noexcept(noexcept(T(std::declval<T&&>()))) {
    // 只有当T的移动构造函数不抛异常时，foo才是noexcept
}

int main() {
    std::cout << std::boolalpha;
    std::cout << "foo<NoexceptMove> noexcept? " << noexcept(foo<NoexceptMove>()) << '\n'; // true
    std::cout << "foo<MayThrowMove> noexcept? " << noexcept(foo<MayThrowMove>()) << '\n'; // false
}

解析：

• • 利用noexcept操作符判断表达式是否抛异常，实现模板函数的条件异常规范。
• • 这对泛型编程和标准库容器的异常安全至关重要。

4. 设计哲学深度解读

noexcept的设计体现了C++对异常安全和性能权衡的深刻理解：

• • 异常安全的明确承诺：函数标记为noexcept，告诉调用者“绝对不会抛异常”，调用者可据此放心使用。
• • 性能优化的钥匙：标准库容器如std::vector在元素移动构造函数标记为noexcept时，会优先使用移动而非拷贝，极大提升效率。
• • 简化异常传播逻辑：程序员明确标记函数异常行为，编译器和运行时能做更精确的优化和错误处理。

5. 最佳使用场景

• • 移动构造函数和移动赋值操作符：应尽量标记为noexcept，保证容器等使用移动语义时性能最大化。
• • 析构函数：应声明为noexcept，避免异常传播导致程序终止。
• • 关键性能路径函数：标记为noexcept，让编译器优化调用。
• • 模板库代码：利用条件noexcept实现异常安全的泛型编程。

6. 实际项目中的优缺点

优点

• • 提高代码可读性和异常安全文档化。
• • 允许编译器生成更高效代码，特别是移动语义相关。
• • 简化异常传播，避免复杂的异常处理逻辑。
• • 减少运行时开销，避免动态异常规范的性能损失。

缺点

• • 错误标记noexcept会导致程序异常时直接终止，增加调试难度。
• • 过度使用noexcept可能限制代码灵活性，使异常处理不够优雅。
• • 编译器对noexcept的优化支持存在差异，需结合具体编译器版本。

7. 常见错误及后果

• • 在noexcept函数中抛出异常：程序调用std::terminate直接终止，可能导致资源未释放。
• • 错误判断函数是否抛异常，误用noexcept(true)：导致程序不稳定。
• • 忽略条件noexcept的使用：模板代码异常安全难以保证，影响性能。
• • 用noexcept区分函数重载：noexcept不参与函数重载决议，误用导致编译错误。

8. 总结

noexcept是C++11对异常规范的精简与升级，它用更简单、更明确的方式表达函数的异常行为，既是程序员对异常安全的承诺，也是编译器优化的依据。它的设计哲学在于“明确承诺，权责分明”，让异常处理更可控、更高效。

但noexcept绝非万能，滥用或误用会带来程序终止风险和调试难度。真正的高手懂得结合代码语义和性能需求，合理标记noexcept，在保证异常安全的同时，释放性能潜力。特别是在泛型编程和标准库设计中，条件noexcept的使用是现代C++不可或缺的利器。
本文首发于【讳疾忌医-note】公众号，未经授权，不得转载。
（加入我的知识星球，免费获取账号，解锁所有文章。）