一、引言

在大型 C++ 项目中，错误处理是不可或缺的一部分。相比返回码、断言等方式，异常（Exception）机制提供了结构化、统一且类型安全的错误处理方案。C++ 支持基于 try-catch 的异常模型，可以实现精细的错误恢复与传播。

本文将系统性地讲解 C++ 异常处理机制的设计思想、运行原理、实践策略以及性能优化，帮助读者提升错误管理的能力，写出更健壮的程序。

二、C++ 异常处理基础

2.1 异常的基本语法

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try {

    // 可能抛出异常的代码

} catch (const std::exception& e) {

    // 处理异常

}

异常流程：

• 出现异常时 throw 抛出；
• 程序在调用栈中逐层寻找 catch；
• 找到匹配的处理器后执行其代码块；
• 未处理的异常最终由 std::terminate() 终止程序。
  

2.2 抛出异常

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throw std::runtime_error("文件未找到");

也可以抛出自定义类型或任意对象。

三、标准异常类型

C++ 标准库定义了一系列异常类型，均派生自 std::exception：

每个异常类型可通过 .what() 获取详细说明。

四、自定义异常类

可继承 std::exception 实现自己的异常类型：

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classFileException : public std::exception {

    std::string message;

public:

    FileException(const std::string& msg) : message(msg) {}

    constchar* what()constnoexceptoverride {

        return message.c_str();

    }

};

然后使用：

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throwFileException("配置文件加载失败");

五、异常传播机制与栈展开

5.1 栈展开（Stack Unwinding）

异常抛出后，程序会依次销毁函数调用栈上的局部变量（即自动对象），直到找到匹配的 catch 块。

注意：异常传播过程中，不会执行同层的后续代码。

5.2 RAII 保证资源释放

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classFileHandle {

public:

    FileHandle(const std::string& path) {

        // 打开文件

    }

    ~FileHandle() {

        // 自动关闭文件

    }

};



voidread_file(const std::string& path) {

    FileHandle fh(path);

    throw std::runtime_error("读取失败");

    // fh 的析构函数仍然会被调用

}

六、异常安全性等级（Exception Safety Guarantee）

异常安全分级：

• 基本保证（Basic Guarantee）：发生异常后，程序保持在有效状态，不泄露资源。
• 强保证（Strong Guarantee）：操作失败不会影响原有状态（事务性回滚）。
• 无异常抛出（No-throw Guarantee）：操作永远不会抛出异常。
  

示例：

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voidpush_back_safe(std::vector<int>& v, int value) {

    std::vector<int> tmp = v;  // 复制可能抛异常

    tmp.push_back(value);

    v = std::move(tmp);

}

保证强安全性：若失败，v 不变。

七、异常与构造函数

构造函数中抛出异常，会阻止对象构造完成，不会调用析构函数。但已经成功构造的子对象会正确析构。

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classA {

public:

    A() {

        throw std::runtime_error("失败");

    }

};



classB {

    A a; // 构造时失败

};

八、异常与多线程

标准库支持在线程中抛出和捕获异常：

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voidworker() {

    throw std::runtime_error("线程失败");

}



intmain() {

    try {

        std::thread t(worker);

        t.join();

    } catch (...) {

        std::cout << "捕获到异常\n";

    }

}

但上述代码无法捕获异常！原因是异常发生在子线程，主线程无法感知。

解决方案：使用 std::promise 与 std::future 传递异常。

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voidworker(std::promise<void>&& p) {

    try {

        throw std::runtime_error("线程异常");

    } catch (...) {

        p.set_exception(std::current_exception());

    }

}

主线程使用 .get() 获取异常。

九、异常的性能与优化

9.1 成本分析

• 常规执行路径性能好：异常机制在不抛异常时几乎无开销。
• 抛出异常时性能差：涉及栈展开、析构、多态开销。
  

因此：

• 异常只用于“非正常流程”处理，不要用于控制逻辑流程。
• 避免在高频代码路径中抛异常。
  

9.2 避免异常的建议

• 小函数中返回错误码（如 I/O 或网络函数）
• 批量操作中记录错误日志而非立即抛出
• 不在析构函数中抛异常（否则会触发 terminate()）
  

十、现代 C++ 的替代方案：std::expected（C++23）

为解决异常机制的性能问题，C++23 引入 std::expected<T, E> 表示返回结果或错误。

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std::expected<int, std::string> parse(const std::string& s) {

    if (s.empty()) return std::unexpected("空字符串");

    return std::stoi(s);

}

避免异常机制的开销，兼顾类型安全。

十一、总结

C++ 异常机制为错误处理提供了结构化方案，但也带来了资源管理与性能挑战。通过掌握异常类型、自定义机制、RAII 和异常安全原则，结合实际场景合理使用，可以构建更稳健的系统。

未来随着 std::expected 的普及，将出现更多基于类型的错误处理新范式，但异常依然在大型系统中扮演重要角色。