C++ 异常 - 容器和 std::vector
之前几篇文章中讲述了如何通过 RAII 设计出异常安全的类，但是有一个问题被（故意的）忽略掉了，那就是容器类的异常安全：容器需要在动态储存区构造一组对象，但是如何保证当第 n 个对象构造时发生异常，前 n - 1 个对象不发生内存泄漏？最傻瓜的方法是使用一个额外的迭代器，将已经构造的对象和未构造的对象进行划分，然后在 try 中进行构造，在 catch 中对已构造的对象进行析构，然后重新抛出异常，但是这种设计显然造成了额外的负担，因此，标准库使用了一种额外的设计来避免显式在容器的构造函数中使用 try 块。
本文是《C++ 异常》系列第四篇文章。
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本文以 vector 为示例，介绍标准库容器的异常安全设计。vector 所需的关键资源是用来存放其元素的内存空间，只要提供一个可以表示 vector 内存的辅助类，我们就能在简化代码的同时大大降低忘记释放内存的可能性 1：
template<typename T, class A = std::allocator<T>>
struct vector_base {
A alloc;
T* elem;
T* space;
T* last;
vector_base(const A& a, typename A::size_type n)
:alloc(a), elem(alloc.allocate(n)), space(elem + n), last(elem + n) {}
~vector_base() { alloc.deallocate(elem, last - elem); }
vector_base(const vector_base&) = delete;
vector_base& operator=(const vector_base&) = delete;
vector_base(vector_base&&);
vector_base& operator=(const vector_base&&);
};
vector_base 并不处理 T 的对象，而是 T 的内存，因此构造和析构都是由 vector 负责。
vector_base 唯一的目的就是作为 vector 实现的一部分。复制 vector_base 没有什么意义，但是可以移动 vector_base：
template<typename T, class A>
vector_base<T, A>::vector_base(vector_base&& a)
:alloc(a.alloc), elem(a.elem), space(a.space), last(a.space)
{
a.elem = a.space = a.last = nullptr;
}
template<typename T, class A>
vector_base<T, A>::& vector_base<T, A>::operator=(vector_base&& a)
{
std::swap(this->alloc, a.alloc);
std::swap(this->elem, a.elem);
std::swap(this->space, a.space);
std::swap(this->last, a.last);
return *this;
}
虽然上面已经是 vector_base 完整的定义了，但是显然对于 vector_base 的实现还是有点摸不到头脑，因为实现内存分配的实际上不是 vector_base，而是 std::allocator（定义于 <memory>）：
std::allocator 是一个无状态的内存分配器，并没有任何数据成员，构造函数等一系列函数也就没实际作用。
C++20 的 std::allocator 有如下定义（简化） 2：
template<typename T>
struct allocator {
using value_type = T;
using size_type = std::size_t;
using difference_type = std::ptrdiff_t;
using propagate_on_container_move_assignment = std::true_type; // 暂且不用管
allocator() noexcept = default;
allocator(const allocator&) noexcept = default;
~allocator() = default;
allocator& operator=(const allocator&) = default;
void deallocate(T* const ptr, const std::size_t count)
{
::operator delete(ptr, count);
}
[[nodiscard]] T* allocate(const std::size_t count)
{
::operator new(sizeof(size_type) * count);
}
};
不难发现，deallocate 实际上就是 operator delete，allocate 就是 operator new。
回到 vector_base：
vector_base(const A& a, typename A::size_type n)
:alloc(a), elem(alloc.allocate(n)), space(elem + n), last(elem + n) {}
~vector_base() { alloc.deallocate(elem, last - elem); }
vector_base 的构造过程首先接收一个 allocator，然后通过 allocator 构造其他成员。注意，vector_base 本身不负责任何对象的构造，其中 allocate 有可能抛出内存分配失败的异常。
在 vector_base 的基础上，我们可以重新定义 vector：
template<typename T, class A = std::allocator<T>>
class vector {
vector_base<T, A> vb;
void distroy_elements();
public:
using size_type = std::size_t;
explict vector(size_type n, const T& val = T(), const A& = A());
vector(const vector &a);
vector& operator=(const vector &a);
vector(vector &&a);
vector& operator=(vector &&a);
~vector() { destroy_elements(); }
size_type size() const {return vb.space - vb.elem; }
size_type capacity() const {return vb.last - vb.elem; }
void reserve(size_type);
void resize(size_type, T = {});
void clear() { resize(0); }
void push_back(const T&);
}
void vector<T, A>::destory_elements()
{
for (T* p = vb.elem; p!= vb.space; ++p)
p->~T(); // 显式调用析构函数
vb.space = vb.elem;
}
vector 的析构函数为每个元素显式调用了析构函数，而不是用 delete，这有两个原因：
- 最浅显的原因是内存的分配不是
vector负责的，而是vector_base负责的 - 深层原因是：使用
vector_base可以整块的释放内存，只需要delete1 次，防止内存变得支离破碎
上面的代码不考虑析构函数抛出异常的情况，因为析构函数抛出异常是不可以接受的。虽然某些析构函数确实存在对象的构造，导致析构函数抛出异常，但是设想一下如果析构函数抛出了异常，那么异常就具有了嵌套结构，实际上就无法顺序的处理，此时最好的措施就是立即终止程序。所以为了避免程序被终止，请避免在析构函数中进行可能抛异常的操作。
构造函数被定义为如下形式：
template<typename T, class A>
vector<T, A>::vector(size_type n, const T& val, const A& a)
:vb(a, n)
{
std::uninitialized_fill(vb.elem, vb.elem + n, val);
}
注意，vector_base 是 vector 的 成员，同时 vector_base 自身是个异常安全的 Handle 类，那么 vector 的内存分配过程就是异常安全的。
如果 vector 直接操纵 vector_base 的成员，那么就做不到这一点，这也是标准库容器保证内存分配异常安全的关键。
std::uninitialized_fill 是标准库提供的一个函数模板，实现如下 3：
template<class ForwardIt, class T>
void uninitialized_fill(ForwardIt first, ForwardIt last, const T& value)
{
using V = typename std::iterator_traits<ForwardIt>::value_type;
ForwardIt current = first;
try {
for (; current != last; ++current) {
::new (const_cast<void*>(static_cast<const volatile void*>(
std::addressof(*current)))) V(value);
}
} catch (...) {
for (; first != current; ++first) {
first->~V();
}
throw;
}
}
实际上就是一个能在发生异常时析构已构造元素的布置 new。
复制构造函数使用 std::uninitialized_copy：
template<typename T, class A>
vector<T, A>::vector(const vector<T, A>& a)
:vb(a.alloc, a.size())
{
std::uninitialized_copy(a.begin(),a.end(),vb.elem);
}
template<class InputIt, class NoThrowForwardIt>
NoThrowForwardIt uninitialized_copy(InputIt first, InputIt last, NoThrowForwardIt d_first)
{
using T = typename std::iterator_traits<NoThrowForwardIt>::value_type;
NoThrowForwardIt current = d_first;
try {
for (; first != last; ++first, ++current) {
::new (const_cast<void*>(static_cast<const volatile void*>(
std::addressof(*current)))) T(*first);
}
return current;
} catch (...) {
for (; d_first != current; ++d_first) {
d_first->~T();
}
throw;
}
}
移动构造和移动赋值就简单许多：
template<typename T, class A>
vector<T, A>::vector(vector&& a)
:vb(std::move(a.vb)) noexcept {}
template<typename T, class A>
vector<T, A>::& vector<T, A>::operator=(vector&& a) noexcept
{
std::swap(this->vb, a.vb);
}
虽然使用 swap 会多出一次对象构造和移动，但是首先这两个多余操作可能被优化掉，其次即使没有被优化，这种开销相比复制操作本身也是微不足道的。
同时，不需要检查自赋值，因为 vector 中仅仅储存了 vector_base 中的一个 allocator 和 3 个指针，并且判断自赋值也是一种开销，不一定比直接自我交换快。
复制赋值因为不是简单的交换成员，所以需要绕一下：先对使用复制构造对参数（右侧对象）进行复制，然后交换这个对象和 *this，则可以完成复制赋值，同时保证了强异常安全以及自赋值安全。因而没必要为了极少数的自赋值情况去写额外的代码。
当目标 vector 的容量足够放入新的 vector，则无需分配新空间，此时复制赋值可以使用如下改进：
template<typename T, class A>
vector<T, A>& vector<T,A>::operator=(const vector& a)
{
if(this.capacity() < a.size())
{
vector temp{a};
std::swap(*this, temp);
return *this;
}
size_type sz = this.size();
size_type asz = a.size();
this.vb.alloc = a.vb.alloc;
if (asz <= sz) {
std::copy(a.begin(), a.begin() + asz, vb.elem);
for (T* p = vb.elem + asz; p != vb.space; ++p)
p->~T();
}
else
{
std::copy(a.begin(), a.begin() + asz, vb.elem);
std::uninitialized_copy(a.begin() + sz, a.end(), vb.space);
}
vb.sapce = vb.elem + asz;
return *this;
}
但需要注意，无条件丢弃当前储存的复制赋值是强异常安全的，它保证复制失败时，左侧对象不被改变，而这个优化后的版本不能保证这一点。
其他成员函数也不过是重复上述代码罢了，所以不进行过多叙述。
注意，在 vector 的实现中，除了 std::uninitialized_copy 之外，并没有用到 try 块，该设计确保抛出异常时，vector 仍然有效而且没有内存泄漏。