C++ 异常处理机制详解：从基础语法到工程实践

一、引言

在 C++ 中，异常处理是一种重要的错误管理机制，用于捕获程序运行时出现的问题并优雅地进行处理。相比传统的错误返回码，异常提供了结构化、清晰的处理方式，使代码逻辑更清晰、可维护性更强。

本文将深入剖析 C++ 异常处理的设计哲学、语法细节、异常安全性级别、以及在实际工程中的应用建议。

二、为什么需要异常处理？

传统错误处理通常依赖返回值判断：

cpp复制编辑int divide(int a, int b) {
    if (b == 0) return -1; // 错误码
    return a / b;
}

这种方法的缺点包括：

• 容易忽略返回值检查，导致程序崩溃
• 错误信息不明确，调试困难
• 代码被大量错误处理逻辑干扰，降低可读性

而异常机制将错误检测和错误处理分离，极大提升代码整洁度和安全性。

三、C++ 异常处理语法基础

3.1 try-catch 结构

cpp复制编辑try {
    // 可能抛出异常的代码
} catch (const std::exception& e) {
    // 异常处理逻辑
}

3.2 throw 抛出异常

cpp复制编辑throw std::runtime_error("Something went wrong");

可以抛出任意类型的对象（但建议使用继承自 std::exception 的类型）。

3.3 多重 catch 分支

cpp复制编辑try {
    // ...
} catch (const std::invalid_argument& e) {
    // 特定处理
} catch (const std::exception& e) {
    // 通用处理
} catch (...) {
    // 捕获所有异常
}

四、标准异常类体系（<stdexcept>）

C++ 标准库中提供了一组通用异常类：

cpp复制编辑#include <stdexcept>

标准异常类都实现了 what() 方法用于获取错误信息：

cpp复制编辑catch (const std::exception& e) {
    std::cerr << e.what() << std::endl;
}

五、自定义异常类

可以根据项目需求自定义异常类型，继承 std::exception：

cpp复制编辑class MyException : public std::exception {
public:
    const char* what() const noexcept override {
        return "自定义异常发生";
    }
};

也可以传递动态信息：

cpp复制编辑class DetailedException : public std::runtime_error {
public:
    DetailedException(const std::string& msg)
        : std::runtime_error(msg) {}
};

六、异常传播与栈展开（Stack Unwinding）

当异常发生时，C++ 会执行以下流程：

1. 程序跳过当前函数中异常之后的代码
2. 依次调用作用域内栈上对象的析构函数
3. 向上传播异常直到被 catch 捕获

这意味着即使发生异常，也能确保局部对象正确释放资源。

例子：

cpp复制编辑class Guard {
public:
    Guard() { std::cout << "Init\n"; }
    ~Guard() { std::cout << "Cleanup\n"; }
};

void test() {
    Guard g;
    throw std::runtime_error("error");
}

输出：

sql复制编辑Init
Cleanup
terminate called after ...

七、异常安全性（Exception Safety）

C++ 中函数按异常安全性可分为四个级别：

7.1 不安全（No Guarantee）

函数可能抛出异常，且对象状态不可预测，容易造成资源泄漏。

7.2 基本保证（Basic Guarantee）

即使发生异常，程序保持有效状态，不泄漏资源。

7.3 强保证（Strong Guarantee）

操作失败时，原始对象保持完全不变（事务式）。

7.4 不抛异常（No-throw Guarantee）

函数保证永远不会抛出异常（如 swap()、析构函数）。

cpp复制编辑void safe_swap(std::vector<int>& a, std::vector<int>& b) noexcept {
    a.swap(b);
}

建议所有析构函数和移动操作声明为 noexcept。

八、异常与资源管理：RAII 搭配异常处理

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）天然适配异常机制：

cpp复制编辑class File {
public:
    File(const std::string& path) {
        handle = fopen(path.c_str(), "r");
        if (!handle) throw std::runtime_error("打开失败");
    }
    ~File() {
        if (handle) fclose(handle);
    }
private:
    FILE* handle;
};

即使抛出异常，File 析构也会自动关闭文件。

九、异常在构造函数和析构函数中的表现

9.1 构造函数抛异常

构造函数中抛出的异常将导致对象创建失败，未完成的成员会被自动销毁。

cpp复制编辑class A {
public:
    A() {
        throw std::runtime_error("构造失败");
    }
};

9.2 析构函数禁止抛异常

析构函数应为 noexcept，否则若在栈展开过程中再次抛异常，程序将直接调用 std::terminate() 终止运行。

十、异常与多线程

• 在 C++11 后，线程不能直接传播异常到主线程
• 若在线程函数中发生异常，应手动捕获并传递至主线程处理

cpp复制编辑std::exception_ptr eptr;

void worker() {
    try {
        throw std::runtime_error("线程异常");
    } catch (...) {
        eptr = std::current_exception();
    }
}

主线程可用 std::rethrow_exception(eptr) 重新抛出。

十一、异常处理的工程建议

✅ 建议

• 抛出标准异常类型，利于统一处理
• catch 使用 const std::exception& 捕获所有标准异常
• 析构函数必须 noexcept
• 使用 RAII 管理资源，避免 try/catch 中手动 delete
• 尽可能提供异常安全保证（basic/strong）

❌ 避免

• 抛出基本类型异常（如 int）
• 抛出指针对象，易造成内存泄漏
• 在构造函数之外手动 catch 多层嵌套异常逻辑（应解耦）

十二、使用 noexcept 的最佳实践

12.1 指定函数不抛异常

cpp复制编辑void foo() noexcept;

适用于：

• 析构函数
• 移动构造和移动赋值函数
• 工具函数（如 swap()）

12.2 条件 noexcept（C++11+）

cpp复制编辑template<typename T>
void safe_swap(T& a, T& b) noexcept(noexcept(a.swap(b))) {
    a.swap(b);
}

根据实际类型决定是否抛异常，提升泛型代码健壮性。

十三、总结

C++ 的异常处理机制功能强大，但也充满陷阱。理解异常的传播机制、RAII 与异常的协作、异常安全级别等核心概念，是编写健壮、高质量 C++ 代码的前提。

关键要点总结：

• 使用标准异常体系，避免裸指针和基本类型作为异常
• 构造函数中抛异常是合理的，但析构函数应避免抛出异常
• 使用智能指针和 RAII 避免资源泄漏
• 注意多线程环境下异常传递的特殊性