Разрушительные исключения

Ещё раз о том, почему плохо бросать исключения в деструкторах

Многие знатоки C++ (например, Герб Саттер) учат нас, что бросать исключения в деструкторах плохо, потому что в деструктор можно попасть во время раскрутки стека при уже выброшенном исключении, и если в этот момент будет выброшено ещё одно исключение, в результате будет вызван std::terminate(). Стандарт языка C++17 (здесь и далее я ссылаюсь на свободно доступную версию драфта N4713) на эту тему сообщает нам следующее:

18.5.1 The std::terminate() function [except.terminate]

1 In some situations exception handling must be abandoned for less subtle error handling techniques. [ Note:

These situations are:

…

(1.4) when the destruction of an object during stack unwinding (18.2) terminates by throwing an exception, or

…

— end note ]

Проверим на простом примере:

#include <iostream>

class PrintInDestructor {

public:
    ~PrintInDestructor() noexcept {
        std::cerr << "~PrintInDestructor() invokedn";
    }

};

void throw_int_func() {
    std::cerr << "throw_int_func() invokedn";
    throw 1;
}

class ThrowInDestructor {

public:
    ~ThrowInDestructor() noexcept(false) {
        std::cerr << "~ThrowInDestructor() invokedn";
        throw_int_func();
    }

private:
    PrintInDestructor member_;

};

int main(int, char**) {

    try {
        ThrowInDestructor bad;
        throw "BANG!";
    } catch (int i) {
        std::cerr << "Catched int exception: " << i << "n";
    } catch (const char* c) {
        std::cerr << "Catched const char* exception: " << c << "n";
    } catch (...) {
        std::cerr << "Catched unknown exceptionn";
    }

    return 0;

}

Результат:

~ThrowInDestructor() invoked
throw_int_func() invoked
~PrintInDestructor() invoked
terminate called after throwing an instance of 'int'
Aborted

Обратите внимание, что деструктор PrintInDestructor всё же вызывается, т.е. после выбрасывания второго исключения раскрутка стека не прерывается. В Стандарте (тот же самый пункт 18.5.1) на эту тему сказано следующее:

2… In the situation where no matching handler is found,
it is implementation-defined whether or not the stack is unwound before std::terminate() is called. In
the situation where the search for a handler (18.3) encounters the outermost block of a function with a
non-throwing exception specification (18.4), it is implementation-defined whether the stack is unwound,
unwound partially, or not unwound at all before std::terminate() is called ...

Я проверял этот пример на нескольких версиях GCC (8.2, 7.3) и Clang (6.0, 5.0), везде раскрутка стека продолжается. Если вы встретите компилятор, где implementation-defined по-другому, пожалуйста, напишите об этом в комментариях.

Следует заметить также, что std::terminate() при раскрутке стека вызывается только тогда, когда исключение выбрасывается наружу из деструктора. Если внутри деструктора находится try/catch блок, который ловит исключение и не пробрасывается дальше, это не приводит к прерыванию раскрутки стека внешнего исключения.

class ThrowCatchInDestructor {

public:
    ~ThrowCatchInDestructor() noexcept(false) {
        try {
            throw_int_func();
        } catch (int i) {
            std::cerr << "Catched int in ~ThrowCatchInDestructor(): " << i << "n";
        }
    }

private:
    PrintInDestructor member_;

};

int main(int, char**) {

    try {
        ThrowCatchInDestructor good;
        std::cerr << "ThrowCatchInDestructor instance createdn";
        throw "BANG!";
    } catch (int i) {
        std::cerr << "Catched int exception: " << i << "n";
    } catch (const char* s) {
        std::cerr << "Catched const char* exception: " << s << "n";
    } catch (...) {
        std::cerr << "Catched unknown exceptionn";
    }

    return 0;

}

выводит

ThrowCatchInDestructor instance created
throw_int_func() invoked
Catched int in ~ThrowCatchInDestructor(): 1
~PrintInDestructor() invoked
Catched const char* exception: BANG!

Как же избегать неприятных ситуаций? В теории всё просто: никогда не бросать исключения в деструкторе. Однако, на практике красиво и изящно реализовать это простое требование бывает не так просто.

Если нельзя, но очень хочется...

Сразу отмечу, что я не пытаюсь оправдать выбрасывание исключений из деструктора, и вслед за Саттером, Мейерсом и другими гуру C++ призываю вас постараться никогда этого не делать (по крайней мере, в новом коде). Тем не менее, программист в реальной практике вполне может столкнуться с legacy-кодом, который не так просто привести к высоким стандартам. Кроме того, зачастую описанные ниже методики могут пригодиться в процессе отладки.

Например, мы разрабатываем библиотеку с классом-обёрткой, инкапсулирующей работу с неким ресурсом. В соответствии с принципами RAII мы захватываем ресурс в конструкторе и должны освободить его в деструкторе. Но что если попытка освободить ресурс заканчивается ошибкой? Варианты решения этой проблемы:

• Проигнорировать ошибку. Плохо, потому что мы скрываем проблему, которая может повлиять на другие части системы.
• Написать в лог. Лучше, чем просто проигнорировать, но всё равно плохо, т.к. наша библиотека ничего не знает о политиках логирования, принятых в системе, которая её использует. Стандартный лог может быть перенаправлен в /dev/null, в результате чего, опять же, ошибку мы не увидим.
• Вынести освобождение ресурса в отдельную функцию, которая возвращает значение или бросает исключение, и заставлять пользователя класса вызывать её самостоятельно. Плохо, потому что пользователь вообще может забыть это сделать, и мы получим утечку ресурса.
• Выбросить исключение. Хорошо в обычных случаях, т.к. пользователь класса может поймать исключение и стандартным образом получить информацию о возникшей ошибке. Плохо во время раскрутки стека, т.к. приводит к std::terminate().

Как же понять, находимся ли мы в данный момент в процессе раскрутке стека по исключению или нет? В C++ для этого есть специальная функция std::uncaught_exception(). С её помощью мы можем безопасно кидать исключение в обычной ситуации, либо делать что-либо менее правильное, но не приводящее к выбросу исключения во время раскрутки стека.

class ThrowInDestructor {

public:
    ~ThrowInDestructor() noexcept(false) {
        if (std::uncaught_exception()) {
            std::cerr << "~ThrowInDestructor() stack unwinding, not throwingn";
        } else {
            std::cerr << "~ThrowInDestructor() normal case, throwingn";
            throw_int_func();
        }
    }

private:
    PrintInDestructor member_;

};

int main(int, char**) {

    try {
        ThrowInDestructor normal;
        std::cerr << "ThrowInDestructor normal destructionn";
    } catch (int i) {
        std::cerr << "Catched int exception: " << i << "n";
    }

    try {
        ThrowInDestructor stack_unwind;
        std::cerr << "ThrowInDestructor stack unwindingn";
        throw "BANG!";
    } catch (int i) {
        std::cerr << "Catched int exception: " << i << "n";
    } catch (const char* s) {
        std::cerr << "Catched const char* exception: " << s << "n";
    } catch (...) {
        std::cerr << "Catched unknown exceptionn";
    }

    return 0;

}

Результат:

ThrowInDestructor normal destruction
~ThrowInDestructor() normal case, throwing
throw_int_func() invoked
~PrintInDestructor() invoked
Catched int exception: 1
ThrowInDestructor stack unwinding
~ThrowInDestructor() stack unwinding, not throwing
~PrintInDestructor() invoked
Catched const char* exception: BANG!

Обратите внимание, что функция std::uncaught_exception() является deprecated начиная со Стандарта C++17, поэтому чтобы скомпилировать пример, соответствующий ворнинг приходится подавлять (с.м. репозитарий с примерами из статьи).

Проблема с этой функцией в том, что она проверяет находимся ли мы в процессе раскрутки стека по исключению. Но вот понять, вызван ли текущий деструктор в процессе раскрутки стека, с помощью этой функции невозможно. В результате, если происходит раскрутка стека, но деструктор какого-то объекта вызывается нормальным образом, std::uncaught_exception() всё равно вернёт true.

class MayThrowInDestructor {

public:
    ~MayThrowInDestructor() noexcept(false) {
        if (std::uncaught_exception()) {
            std::cerr << "~MayThrowInDestructor() stack unwinding, not throwingn";
        } else {
            std::cerr << "~MayThrowInDestructor() normal case, throwingn";
            throw_int_func();
        }
    }

};

class ThrowCatchInDestructor {

public:
    ~ThrowCatchInDestructor() noexcept(false) {
        try {
            MayThrowInDestructor may_throw;
        } catch (int i) {
            std::cerr << "Catched int in ~ThrowCatchInDestructor(): " << i << "n";
        }
    }

private:
    PrintInDestructor member_;

};

int main(int, char**) {

    try {
        ThrowCatchInDestructor stack_unwind;
        std::cerr << "ThrowInDestructor stack unwindingn";
        throw "BANG!";
    } catch (int i) {
        std::cerr << "Catched int exception: " << i << "n";
    } catch (const char* s) {
        std::cerr << "Catched const char* exception: " << s << "n";
    } catch (...) {
        std::cerr << "Catched unknown exceptionn";
    }

    return 0;

}

Результат:

ThrowInDestructor stack unwinding
~MayThrowInDestructor() stack unwinding, not throwing
~PrintInDestructor() invoked
Catched const char* exception: BANG!

В новом Стандарте C++17 на замену std::uncaught_exception() была представлена функция std::uncaught_exceptions() (обратите внимание на множественное число), которая вместо булевого значения возвращает количество активных в данный момент исключений (вот подробное обоснование).

Вот как описанная выше проблема решается при помощи std::uncaught_exceptions():

class MayThrowInDestructor {

public:
    MayThrowInDestructor() : exceptions_(std::uncaught_exceptions()) {}
    ~MayThrowInDestructor() noexcept(false) {
        if (std::uncaught_exceptions() > exceptions_) {
            std::cerr << "~MayThrowInDestructor() stack unwinding, not throwingn";
        } else {
            std::cerr << "~MayThrowInDestructor() normal case, throwingn";
            throw_int_func();
        }
    }

private:
    int exceptions_;

};

class ThrowCatchInDestructor {

public:
    ~ThrowCatchInDestructor() noexcept(false) {
        try {
            MayThrowInDestructor may_throw;
        } catch (int i) {
            std::cerr << "Catched int in ~ThrowCatchInDestructor(): " << i << "n";
        }
    }

private:
    PrintInDestructor member_;

};

int main(int, char**) {

    try {
        ThrowCatchInDestructor stack_unwind;
        std::cerr << "ThrowInDestructor stack unwindingn";
        throw "BANG!";
    } catch (int i) {
        std::cerr << "Catched int exception: " << i << "n";
    } catch (const char* s) {
        std::cerr << "Catched const char* exception: " << s << "n";
    } catch (...) {
        std::cerr << "Catched unknown exceptionn";
    }

    return 0;

}

Результат:

ThrowInDestructor stack unwinding
~MayThrowInDestructor() normal case, throwing
throw_int_func() invoked
Catched int in ~ThrowCatchInDestructor(): 1
~PrintInDestructor() invoked
Catched const char* exception: BANG!

Когда очень-очень хочется выбросить сразу несколько исключений

std::uncaught_exceptions() позволяет избежать вызова std::terminate(), но не помогает корректно обрабатывать множественные исключения. В идеале хотелось бы иметь механизм, который позволял бы сохранять все выброшенные исключения, а затем обработать их в одном месте.

Хочу ещё раз напомнить, что предложенный мной ниже механизм служит только для демонстрации концепции и не рекомендован к использованию в реальном промышленном коде.

Суть идеи состоит в том, чтобы ловить исключения и сохранять их в контейнер, а затем по одному доставать и обрабатывать. Для того, чтобы сохранять объекты исключений, в языке C++ есть специальный тип std::exception_ptr. Структура типа в Стандарте не раскрывается, но говорится, что это по сути своей shared_ptr на объект исключения.

Как же потом обработать эти исключения? Для этого есть функция std::rethrow_exception(), которая принимает указатель std::exception_ptr и выбрасывает соответствующее исключение. Нам нужно только поймать его соответствующей catch-секцией и обработать, после чего можно переходить к следующему объекту исключения.

using exceptions_queue = std::stack<std::exception_ptr>;

// Get exceptions queue for current thread
exceptions_queue& get_queue() {
    thread_local exceptions_queue queue_;
    return queue_;
}

// Invoke functor and save exception in queue
void safe_invoke(std::function<void()> f) noexcept {
    try {
        f();
    } catch (...) {
        get_queue().push(std::current_exception());
    }
}

class ThrowInDestructor {

public:
    ~ThrowInDestructor() noexcept {
        std::cerr << "~ThrowInDestructor() invokedn";
        safe_invoke([]() {
            throw_int_func();
        });
    }

private:
    PrintInDestructor member_;

};

int main(int, char**) {

    safe_invoke([]() {
        ThrowInDestructor bad;
        throw "BANG!";
    });

    auto& q = get_queue();
    while (!q.empty()) {
        try {
            std::exception_ptr ex = q.top();
            q.pop();
            if (ex != nullptr) {
                std::rethrow_exception(ex);
            }
        } catch (int i) {
            std::cerr << "Catched int exception: " << i << "n";
        } catch (const char* s) {
            std::cerr << "Catched const char* exception: " << s << "n";
        } catch (...) {
            std::cerr << "Catched unknown exceptionn";
        }
    }

    return 0;

}

Результат:

~ThrowInDestructor() invoked
throw_int_func() invoked
~PrintInDestructor() invoked
Catched const char* exception: BANG!
Catched int exception: 1

В примере выше для сохранения объектов исключений используется стек, однако обработка исключений будет производиться по принципу FIFO (т.е. логически это очередь — выброшенное первым исключение будет первым же и обработано).

Выводы

Выбрасывание исключений в деструкторах объектов действительно является плохой идеей, и в любом новом коде я настоятельно рекомендую этого не делать, объявляя деструкторы noexcept. Однако, при поддержке и отладке legacy-кода может возникнуть потребность корректно обрабатывать исключения, выбрасываемые из деструкторов, в том числе и при раскрутке стека, и современный C++ предоставляет нам механизмы для этого. Надеюсь, представленные в статье идеи помогут вам на этом нелёгком пути.

Ссылки

Репозитарий с примерами из статьи

Автор: igorsemenov

Источник