Exception Safety issue

Posted on 2018-03-26 Edited on 2018-06-13

~~Edit~~

问题描述

Evaluation Orders and Disorders

//  Example 1(a)
//
f( expr1, expr2 );
//  Example 1(b)
//
f( g( expr1 ), h( expr2 ) );

编译器只要满足下面的规则，为了便于优化执行顺序，而C++标准并不要求具体指令顺序：
expr1在g执行之前完成，expr2在h执行之前完成
g, h在f执行之前完成

首先，在函数正式执行之前，所有的Expression Evaluation要完成。
其次，有可能出现乱序。
所以有可能出现下面的执行顺序：
顺序一

expr1
expr2
g
h

顺序二

expr1
g
expr2
h

上面两种情况都符合。

Exception Safety Problems

当C++编译器调用new操作符的时候会做两件事：1. 开辟内存，2. 调用类构造函数。所以下面的code如果处理得当，是不会有内存泄漏：

T1* t1 = new T1;
T2* t2 = new T2;

当T1构造函数出现异常时，相应的内存会被释放掉。当T2构造函数出现异常时，T2的内存会被释放，T1的内存也有机会被释放。（解决方法是在两条语句之间加上异常处理，当然用smart pointer也可以解决问题。后面会阐述smart pointer的方法）

但是在遇到Expression Evaluation的时候，情况会变得复杂：

//  In some header file:
void f( T1*, T2* );
//  In some implementation file:
f( new T1, new T2 );

T2构造函数异常时，根本没有机会释放T1的内存。用异常处理也没办法，因为T1的内存开辟出来赋值给了一个临时变量。而这个变量的有效期就只在那个括号里。
乱序让问题更加复杂，因为你不知道是T1先构造还是T2先构造，你不知道是下面的哪种顺序，但是每一种顺序都有问题。所以无从下手。
- 顺序一
  - 1: allocate memory for T1
    2: construct T1
    3: allocate memory for T2
    4: construct T2
    5: call f()
- 顺序二
  - 1: allocate memory for T1
    2: allocate memory for T2
    3: construct T1
    4: construct T2
    5: call f()

解决方案

看起来像的解决方案

用auto_ptr

//  In some header file:
void f( auto_ptr<T1>, auto_ptr<T2> );
//  In some implementation file:
f( auto_ptr<T1>( new T1 ), auto_ptr<T2>( new T2 ) );

看起来用了smart pointer，应该不存在释放内存的问题了。但其实并没有改善，因为乱序问题，你没法保证auto_ptr<T1>在new T2之前调用。如果T2构造失败了，new T1的内存就泄露了。Vice versa。

用参数默认值

//  In some header file:
void f( auto_ptr<T1> = auto_ptr<T1>( new T1 ),
        auto_ptr<T2> = auto_ptr<T1>( new T2 ) );
//  In some implementation file:
f();

没有本质的改善。因为虽然参数默认值是在函数声明中，但是那些new和auto_ptr<>是在执行时才会去做的事情。一样会有乱序。

真正的解决方案

//  In some header file (same as in Example 2b):
void f( auto_ptr<T1>, auto_ptr<T2> );
//  In some implementation file:
f( auto_ptr_new<T1>(), auto_ptr_new<T2>() );

看起来和之前的假解决方案很像对不对，区别是相应的new和auto_ptr<>构造函数放到一起了。这样不管是auto_ptr_new<T1>()在前，还是auto_ptr_new<T2>()在前，都不会引起Exception Safety问题。

这个方案也就是网上经常有人问到的“为什么要用make_xxx_ptr，而不用new xxx_ptr?”的原因之一，xxx_ptr可以是任何的smart pointer（包括但不限于：auto_ptr, shared_ptr, unique_ptr）：
可以避免Exception Safety问题
避免显示使用new运算符，避免潜在问题
局限是只能用默认构造函数，而无法使用带参数构造函数

下面也是一个办法：

//  In some header file:
void f( auto_ptr<T1>, auto_ptr<T2> );
//  In some implementation file:
{
  auto_ptr<T1> t1( new T1 );
  f( t1, auto_ptr<T2>( new T2 ) );
}

这个方法更好：

//  In some header file:
void f( auto_ptr<T1>, auto_ptr<T2> );
//  In some implementation file:
{
  auto_ptr<T1> t1( new T1 );
  auto_ptr<T2> t2( new T2 );
  f( t1, t2 );
}

总结

以Exception-Safe Function Calls作者的guide lines作总结：

Perform every resource allocation (e.g., new) in its own code statement which immediately gives the new resource to a manager object (e.g., auto_ptr).

意思是一行就只分配一个资源，并且立即将该资源交给smart pointer管理。

参考文献

Exception-Safe Function Calls
GotW #89 Solution: Smart Pointer