浅谈C++ 异常处理的语义和性能

异常处理是个十分深奥的主题，这里只是浅论其对C++性能的影响。

在VC++中，有多个异常处理模式，三个最重要：

• No exception handling (无异常处理)
• C++ only （C++语言异常处理）
• C++ 加SEH （C++语言加windows 结构异常处理机制）

异常处理每增加一个级别，都要付出时空上的代价。我们从下面简单的C++例子着手，分析异常处理的原理及其性能：

 

// simple class

class MyAppObject

{

    public:

       MyAppObject(int id) : _myID(id) {}

       ~MyAppObject();

       int _myID;

       void DoSomething(int throwWhat) ;

}; 

// can throw 2 different exception

void MyAppObject::DoSomething(int throwWhat)

{

    printf("MyAppObject::DoSomething called for '%d'\n", _myID);

    switch (throwWhat)

    {

       case 0:

             break;

       case 1:

             this->_myID /= 0;             // exception 1

             break;

       case 2:

             throw SimpleString("error!"); // exception 2

             break;

       }

}

 // Test exception for the above class

void TestMyAppObject()

{

       printf("before try”); 

       try                                                          // line1

       {

              printf("in try”);

 

             MyAppObject so = 1;                          // line2

             SimpleString ss("test ex point one");    // line3

             so.DoSomething(1);                           // line4

 

             printf("so::ID called for '%d'\n", so._myID);

             MyAppObject so2 = 2;                       // line5

 

             printf("so2::ID called for '%d'\n", so2._myID);

             so2.DoSomething(0);                        // line6

       }

       catch(const SimpleString &e)                   // line7

       {

             //printf("something happened: %s \n", e);

       }

       catch(...)                                    //line8

       {

             //printf("something happened: %s \n", "SEH");

       }

} 

 

第一步，我们先选择“no exception”，并将上面line1，line7，line8注释掉。代码的size是：

Exe	Obj
32,256 bytes	20,931 bytes

 

然而因为line4引入一个“除0”异常，我们的程序非正常地停止了工作。这并非什么大的灾难。但是如果这是关键的服务器程序，这样的结果肯定不能为客户接受。

 

第二步，我们选择了，C++ only flag（/EHsc）。代码size变为：

Exe	Obj
37,888 bytes	24,959 bytes

代码size较前面选择增加了近20%。

 

然而，这个选择决定了如果是C++的throw产生的异常我们可以俘获。操作系统产生的异常，比如windows SEH 异常机制产生的异常，也不能俘获。测试时，将line1，line7，Line8注释取消。

运行程序，“除0”异常仍然导致程序停止。然而，将line4输入改为2时，C++ throw 的异常被line7俘获。

 

第三步，我们选择“C++ 加 SHE （/EHa）”，代码size变为：

 

Exe	Obj
37.0 KB (37,888 bytes)	28,486 bytes

 

代码 obj size 略有变化，但是不显著。选择了这个后，MyAppObject::DoSomething的两种异常都能被俘获了。

异常处理语义

加了异常处理，程序的“工作集（working set）”, 的增长度高达20%，这是相当显著的。关键的软件部件必须考虑到这一点。那么，运行速度会不会受到影响呢？我们先看看异常处理的语义吧。

上面的TestMyAppObject中，由于C++必须保证一旦异常出现，能“正确地”地销毁自动变量，比如TestMyAppObject中的so，ss，和 so2 变量。在有异常处理的情况下，必须区分“现行程序”的“区域”和“热点”。

比如，TestMyAppObject的区域有before try 和 in try。

TestMyAppObject热点有line2 ~ line6 （每个line都是一个热点）。

TestMyAppObject异常处理的逻辑是：

• 做“stack unwinding (堆栈回滚）”：
  • 如果line2出异常，无须作什么（除非有MyAppObject 里有部分未完成构造的成员partially constructed member 问题）。
  • 如果line3出异常，so必须销毁。
  • 如果line4出异常，so和ss都必须销毁。
  • 如果line6出异常，so，ss，和so2都须销毁。
• 如果找到catch,执行catch
• 如果此函数没有catch,继续往上面函数，重复以上步骤　　

VC++的stack unwinding实现大致如此：

异常处理逻辑可以转换成一个静态的jump列表（列出上面的四个热点的jump to 地址），和一个stack_unwind()函数（堆栈回滚函数），根据当前的”热点”，通过此列表，动态地跳到异常处里的回滚代码处。

综合起来，异常处理在C++中，根据函数的auto变量的分布，必须在每个可能出现异常的函数添加上诉jump列表，导致程序size和工作集明显增加。但是测试表明，如果不出现异常，程序的执行速度的影响是可忽略的（仅仅需要保持热点位置），TestMyAppObject的测试结果选择异常处理（但不出异常）反而比选择不支持异常处理稍快。 

出现异常后，TestMyAppObject的测试结果表明，程序速度的影响可以在10%~15%以上。但是我的测试还没有加rethrow 获者其它异常处理逻辑，仅仅俘获而已。

另一个有趣的问题是，函数中auto变量的分布，对“热点列表”size的影响, 热点太多，会导致热点列表变得很大，所以如果可能，尽量把auto变量放在顶端：

X a， b；

Y c，d；

而不是

X a；

// do something （1）

X b;

// do something else （2）

Y c;

// do yet something else （3）

Y d;

因为第一种分布只有一个热点（假设constructor 不会throw）。而第二种分布至少有三个热点。

测试结果

测试上述TestMyAppObject函数，循环1000次的结果： 

• 传值0，使line4不出现异常（C++ throw)，时间是0.802秒。

        传值1，使line4出现除零异常，时间是0.832秒。

• 传值2，使line4出现异常（C++ throw)，测试1000次测试,时间是1.043秒。

这个结果我有下列观察：

• C++ throw的代价明显高于windows SEH。C++ throw 异常在上述测试的时间比不出现异常增加近20%。但是如果我们throw简单的primitive 值，速度可能增快（读者可以自己测试）。

• 除零异常在这里和无异常速度接近，但是考虑到本测试的简单性，和实际应用中try-catch可能纵跨多个函数，会线性增加stack-unwinding的代价。所以我认为，实际结果中，如果异常出现后出现性能10%~15%下降是正常的。

• 另外要考虑的是OS和编译版本。VC++的异常处理比前面版本的性能大大提高了。 

总结

异常处理是C++中具有重要附加值的语言构造，为安全可靠的应用程序提供了基石。

但是它也同时具有时空两方面的代价（trade off）,我们在应用时要清楚这个方面。异常应该在“异常时”用 （好像是废话，其实是设计思想和模式的重要一环），不要把它当作方便的“控制构造 control construct”来用。如果应用容许，也要尽可能减少“热点”，减小热点列表。