c++ 從vector擴容看noexcept應用場景

張雅宸發表於2020-12-02
C++

c++11提供了關鍵字noexcept，用來指明某個函式無法——或不打算——丟擲異常：

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

所以我們需要了解以下兩點：

  • noexcept有什麼優點，例如效能、可讀性等等。
  • 需不需要在程式碼中大量使用noexcept。

noexcept優點

我們先從std::vector入手來看一下第一點。

我們知道，vector有自己的capacity，當我們呼叫push_back但是vector容量滿時，vector會申請一片更大的空間給新容器，將容器內原有的元素copy到新容器內：

image

但是如果在擴容元素時出現異常怎麼辦？

  • 申請新空間時出現異常：舊vector還是保持原有狀態，丟擲的異常交由使用者自己處理。
  • copy元素時出現異常：所有已經被copy的元素利用元素的解構函式釋放，已經分配的空間釋放掉，丟擲的異常交由使用者自己處理。

這種擴容方式比較完美，有異常時也會保持上游呼叫push_back時原有的狀態。

但是為什麼說比較完美，因為這裡擴容還是copy的，當vector內是一個類且持有資源較多時，這會很耗時。所以c++11推出了一個新特性：move，它會將資源從舊元素中“偷”給新元素（對move不熟悉的同學可以自己查下資料，這裡不展開說了）。應用到vector擴容的場景中：當vector中的元素的移動拷貝建構函式是noexcept時，vector就不會使用copy方式，而是使用move方式將舊容器的元素放到新容器中：

image

利用move的交換類資源所有權的特性，使用vector擴容效率大大提高，但是當發生異常時怎麼辦：
原有容器的狀態已經被破壞，有部分元素的資源已經被偷走。若要恢復會極大增加程式碼的複雜性和不可預測性。所以只有當vector中元素的move constructor是noexcept時，vector擴容才會採取move方式來提高效能。

剛才總結了利用noexcept如何提高vector擴容。實際上，noexcept還大量應用在swap函式和move assignment中，原理都是一樣的。

noexcept使用場景

上面提到了noexcept可以使用的場景：

  • move constructor
  • move assignment
  • swap

很多人的第一念頭可能是：我的函式現在看起來明顯不會拋異常，又說宣告noexcept編譯器可以生成更高效的程式碼，那能加就加唄。但是事實是這樣嗎？

這個問題想要討論清楚，我們首先需要知道以下幾點：

  • 函式自己不拋異常，但是不代表它們內部的呼叫不會丟擲異常，並且編譯器不會提供呼叫者與被呼叫者的noexcept一致性檢查，例如下述程式碼是合法的：
void g(){
    ...       //some code
}
void f() noexcept
{
    … 			//some code
    g();
}
  • 當一個宣告為noexcept的函式丟擲異常時，程式會被終止並呼叫std::terminate();

所以在我們的程式碼內部呼叫複雜，鏈路較長，且隨時有可能加入新feature時，過早給函式加上noexcept可能不是一個好的選擇，因為noexcept一旦加上，後續再去掉也會變得困難 : 呼叫方有可能看到你的函式宣告為noexcept，呼叫方也會宣告為noexcept。但是當你把函式的noexcept去掉卻沒有修改呼叫方的程式碼時，當異常丟擲到呼叫方會導致程式終止。

目前主流的觀點是：

  • 加noexcept
    • 函式在c++98版本中已經被宣告為throw()
    • 上文提到過的三種情況：move constructor、move assignmemt、swap。如果這些實現不丟擲異常，一定要使用noexcept。
    • leaf function. 例如獲取類成員變數，類成員變數的簡單運算等。下面是stl的正向iterator中的幾個成員函式：
# 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況，其餘的函式不要加noexcept就可以。

最後我們看一下vector如何實現利用noexcept move constructor擴容以及move constructor是否宣告noexcept對擴容的效能影響。

如何實現利用noexcept move constructor擴容

這裡就不貼大段的程式碼了，每個平臺的實現可能都不一樣，我們只關注vector是怎麼判斷呼叫copy constructor還是move constructor的。

其中利用到的核心技術有：

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

核心程式碼：

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 {};

這裡用type trait和iterator trait聯合判斷：假如元素有noexcept move constructor，那麼is_nothrow_move_constructible=1 => __move_if_noexcept_cond=0 => __make_move_if_noexcept_iterator返回一個move iterator。這裡move iterator迭代器介面卡也是一個c++11新特性，用來將任何對底層元素的處理轉換為一個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返回一個std::move_iterator

然後上游利用生成的move iterator進行迴圈元素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)...);      //實際copy(或者move)元素
}

其中_Construct就是實際copy(或者move)元素的函式。這裡很關鍵的一點是：對move iterator進行解引用操作，返回的是一個右值引用。，這也就保證了，當__first型別是move iterator時，用_T1(std::forward<_Args>(__args)...進行“完美轉發”才呼叫_T1型別的move constructor，生成的新物件被放到新vector的__p地址中。

總結一下過程就是：

  • 利用type trait和iterator trait生成指向舊容器的normal iterator或者move iterator
  • 迴圈將舊容器的元素搬到新容器。如果指向舊容器的是move iterator，那麼解引用會返回右值引用，會呼叫元素的move constructor，否則呼叫copy constructor。

大家可以用下面這段簡單的程式碼在自己的平臺打斷點除錯一下：

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對效能的影響

這篇文章C++ NOEXCEPT AND MOVE CONSTRUCTORS EFFECT ON PERFORMANCE IN STL CONTAINERS介紹了noexcept move constructor對耗時以及記憶體的影響，這裡不重複贅述了，感興趣的可以自己試一下。

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參考資料：

（完）

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