c++ 从vector扩容看noexcept应用场景

[zhangyachen]

c++11提供了关键字noexcept，用来指明某个函数无法——或不打算——抛出异常：

void foo() noexcept;             // a function specified as will never throw
void foo2() noexcept(true);      // same as foo
void bar();                      // a function might throw exception
void bar2() noexcept(false);     // same as bar

所以我们需要了解以下两点：

• noexcept有什么优点，例如性能、可读性等等。
• 需不需要在代码中大量使用noexcept。

noexcept优点

我们先从std::vector入手来看一下第一点。

我们知道，vector有自己的capacity，当我们调用push_back但是vector容量满时，vector会申请一片更大的空间给新容器，将容器内原有的元素copy到新容器内：

但是如果在扩容元素时出现异常怎么办？

• 申请新空间时出现异常：旧vector还是保持原有状态，抛出的异常交由用户自己处理。
• copy元素时出现异常：所有已经被copy的元素利用元素的析构函数释放，已经分配的空间释放掉，抛出的异常交由用户自己处理。

这种扩容方式比较完美，有异常时也会保持上游调用push_back时原有的状态。

但是为什么说比较完美，因为这里扩容还是copy的，当vector内是一个类且持有资源较多时，这会很耗时。所以c++11推出了一个新特性：move，它会将资源从旧元素中“偷”给新元素（对move不熟悉的同学可以自己查下资料，这里不展开说了）。应用到vector扩容的场景中：当vector中的元素的移动拷贝构造函数是noexcept时，vector就不会使用copy方式，而是使用move方式将旧容器的元素放到新容器中：

利用move的交换类资源所有权的特性，使用vector扩容效率大大提高，但是当发生异常时怎么办：
原有容器的状态已经被破坏，有部分元素的资源已经被偷走。若要恢复会极大增加代码的复杂性和不可预测性。所以只有当vector中元素的move constructor是noexcept时，vector扩容才会采取move方式来提高性能。

刚才总结了利用noexcept如何提高vector扩容。实际上，noexcept还大量应用在swap函数和move assignment中，原理都是一样的。

noexcept使用场景

上面提到了noexcept可以使用的场景：

• move constructor
• move assignment
• swap

很多人的第一念头可能是：我的函数现在看起来明显不会抛异常，又说声明noexcept编译器可以生成更高效的代码，那能加就加呗。但是事实是这样吗？

这个问题想要讨论清楚，我们首先需要知道以下几点：

• 函数自己不抛异常，但是不代表它们内部的调用不会抛出异常，并且编译器不会提供调用者与被调用者的noexcept一致性检查，例如下述代码是合法的：

void g(){
    ...       //some code
}
void f() noexcept
{
    … 			//some code
    g();
}

• 当一个声明为noexcept的函数抛出异常时，程序会被终止并调用std::terminate();

所以在我们的代码内部调用复杂，链路较长，且随时有可能加入新feature时，过早给函数加上noexcept可能不是一个好的选择，因为noexcept一旦加上，后续再去掉也会变得困难 : 调用方有可能看到你的函数声明为noexcept，调用方也会声明为noexcept。但是当你把函数的noexcept去掉却没有修改调用方的代码时，当异常抛出到调用方会导致程序终止。

目前主流的观点是：

• 加noexcept
  • 函数在c++98版本中已经被声明为throw()
  • 上文提到过的三种情况：move constructor、move assignmemt、swap。如果这些实现不抛出异常，一定要使用noexcept。
  • leaf function. 例如获取类成员变量，类成员变量的简单运算等。下面是stl的正向iterator中的几个成员函数：

# if __cplusplus >= 201103L
#  define _GLIBCXX_NOEXCEPT noexcept
# else
#  define _GLIBCXX_NOEXCEPT

 reference
      operator*() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
      { return *_M_current; }

      pointer
      operator->() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
      { return _M_current; }

      __normal_iterator&
      operator++() _GLIBCXX_NOEXCEPT
      {
	++_M_current;
	return *this;
      }

      __normal_iterator
      operator++(int) _GLIBCXX_NOEXCEPT
      { return __normal_iterator(_M_current++); }

• 不加noexcept
  除了上面的要加的情况，其余的函数不要加noexcept就可以。

最后我们看一下vector如何实现利用noexcept move constructor扩容以及move constructor是否声明noexcept对扩容的性能影响。

如何实现利用noexcept move constructor扩容

这里就不贴大段的代码了，每个平台的实现可能都不一样，我们只关注vector是怎么判断调用copy constructor还是move constructor的。

其中利用到的核心技术有：

• type trait
• iterator trait
• move iterator
• std::forward

核心代码：

template <typename _Iterator, typename _ReturnType = typename conditional<
                                  __move_if_noexcept_cond<typename iterator_traits<_Iterator>::value_type>::value,
                                  _Iterator, move_iterator<_Iterator>>::type>
inline _GLIBCXX17_CONSTEXPR _ReturnType __make_move_if_noexcept_iterator(_Iterator __i) {
  return _ReturnType(__i);
}

template <typename _Tp>
struct __move_if_noexcept_cond
    : public __and_<__not_<is_nothrow_move_constructible<_Tp>>, is_copy_constructible<_Tp>>::type {};

这里用type trait和iterator trait联合判断：假如元素有noexcept move constructor，那么is_nothrow_move_constructible=1 => __move_if_noexcept_cond=0 => __make_move_if_noexcept_iterator返回一个move iterator。这里move iterator迭代器适配器也是一个c++11新特性，用来将任何对底层元素的处理转换为一个move操作，例如：

std::list<std::string> s;
std::vector<string> v(make_move_iterator(s.begin()),make_move_iterator(s.end()));     //make_move_iterator返回一个std::move_iterator

然后上游利用生成的move iterator进行循环元素move:

{
  for (; __first != __last; ++__first, (void)++__cur) std::_Construct(std::__addressof(*__cur), *__first);
  return __cur;
}

template <typename _T1, typename... _Args>
inline void _Construct(_T1 *__p, _Args &&... __args) {
  ::new (static_cast<void *>(__p)) _T1(std::forward<_Args>(__args)...);      //实际copy(或者move)元素
}

其中_Construct就是实际copy(或者move)元素的函数。这里很关键的一点是：对move iterator进行解引用操作，返回的是一个右值引用。，这也就保证了，当__first类型是move iterator时，用_T1(std::forward<_Args>(__args)...进行“完美转发”才调用_T1类型的move constructor，生成的新对象被放到新vector的__p地址中。

总结一下过程就是：

• 利用type trait和iterator trait生成指向旧容器的normal iterator或者move iterator
• 循环将旧容器的元素搬到新容器。如果指向旧容器的是move iterator，那么解引用会返回右值引用，会调用元素的move constructor，否则调用copy constructor。

大家可以用下面这段简单的代码在自己的平台打断点调试一下：

class A {
 public:
  A() { std::cout << "constructor" << std::endl; }
  A(const A &a) { std::cout << "copy constructor" << std::endl; }
  A(const A &&a) noexcept { std::cout << "move constructor" << std::endl; }
};

int main() {
  std::vector<A> v;
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    A a;
    v.push_back(a);
  }

  return 0;
}

noexcept move constructor对性能的影响

这篇文章C++ NOEXCEPT AND MOVE CONSTRUCTORS EFFECT ON PERFORMANCE IN STL CONTAINERS介绍了noexcept move constructor对耗时以及内存的影响，这里不重复赘述了，感兴趣的可以自己试一下。

参考资料：

• When to Use noexcept And When to Not
• Does noexcept improve performance?
• EffectiveModernCppChinese Item14
• C++11的noexcept标识符与操作符应如何正确使用？

朋友们可以关注下我的公众号，获得最及时的更新：