C++ 异常安全与错误处理
更新时间：2026-08-25。本文是
languages/cpp/主题高手层第 7 篇。异常是 C++ 处理错误的机制，但"能用异常"和"异常安全"是两回事。异常安全三级别是 C++ 工程质量的试金石，它和 RAII 一起，决定你的代码在出错时是"优雅回退"还是"崩溃损坏"。
本文要回答的问题
- 异常是怎么工作的？
throw之后发生了什么？ - 什么是"异常安全三级别"？为什么
vector::push_back提供强保证？ - 什么时候该用异常，什么时候该用错误码？
noexcept该不该乱加？
一、异常机制基础
1.1 throw / try / catch
cpp
#include <stdexcept>
int divide(int a, int b) {
if (b == 0) throw std::invalid_argument("div by zero"); // 抛出异常
return a / b;
}
try {
int r = divide(10, 0);
} catch (const std::invalid_argument &e) { // 捕获特定异常
std::cerr << e.what() << "\n";
} catch (...) { // 捕获所有
std::cerr << "unknown error\n";
}1.2 throw 之后发生了什么：栈展开
抛出异常后，程序沿调用栈向上"展开"（stack unwinding）：
- 当前函数立即停止执行
- 沿途每个作用域中的局部对象被析构（RAII 生效！）
- 直到找到匹配的
catch，或程序terminate
cpp
void f() {
File file("/tmp/a"); // RAII 对象
risky_call(); // 这里抛异常
// file 的析构会自动执行，文件被正确关闭
}这就是 RAII 与异常安全的结合点：只要资源用 RAII 管理，异常展开时就不会泄漏。
二、异常安全三级别
这是 C++ 异常处理的核心概念，由 Dave Abrahams 提出。三个级别像阶梯一样递进——保证越强，实现成本越高：
这是 C++ 异常处理的核心概念，由 Dave Abrahams 提出：
| 级别 | 保证 | 含义 |
|---|---|---|
| 无异常保证 | 无 | 抛异常后对象状态可能损坏 |
| 基本保证 | 对象仍可用 | 状态有效但可能已改变，无泄漏 |
| 强保证 | 操作要么成功要么无效果 | 失败时回滚到操作前（原子性） |
| 无抛保证（nothrow） | 绝不抛异常 | 如析构、swap |
2.1 基本保证 vs 强保证
cpp
// 基本保证：失败后 vec 仍然有效，但可能被部分修改
void weak_insert(std::vector<int> &v, int x) {
v.push_back(x); // 可能抛异常，但 vector 仍是有效状态
}
// 强保证：失败后 v 完全不变
void strong_insert(std::vector<int> &v, int x) {
auto tmp = v; // 先拷贝到临时
tmp.push_back(x); // 在临时上操作
v.swap(tmp); // 成功才交换（swap 不抛异常）
}std::vector::push_back 本身提供强保证（C++ 标准要求）：要么插入成功，要么抛出异常且 vector 不变。
2.2 为什么强保证要靠 copy-and-swap
copy-and-swap 惯用法：先构造临时副本 → 在副本上修改 → 用不抛异常的 swap 交换。这是实现强异常安全的标准技巧。
三、noexcept 的正确用法
3.1 noexcept 是什么
cpp
void safe() noexcept; // 声明：此函数不抛异常
void maybe_throwing(); // 可能抛异常noexcept 函数如果内部抛了异常，会直接 std::terminate（崩溃）。
3.2 该不该加 noexcept
| 函数类型 | 是否 noexcept | 原因 |
|---|---|---|
| 析构函数 | 默认是 | 析构抛异常是灾难 |
| 移动构造/赋值 | 应加 | vector 扩容时依赖它 |
| swap | 应加 | copy-and-swap 的基础 |
| 普通业务函数 | 视情况 | 别乱加，加了就不能抛异常 |
铁律：
- 析构函数绝不抛异常（默认 noexcept）。
- 移动构造/赋值尽量 noexcept——否则
vector扩容时不敢用移动、退回拷贝（性能损失），见 移动语义。
四、异常 vs 错误码
| 维度 | 异常 | 错误码（返回值/std::expected） |
|---|---|---|
| 性能 | 正常路径零开销，抛出时昂贵 | 每次调用都要检查 |
| 可读性 | 主逻辑干净，错误处理分离 | 错误检查混在主逻辑 |
| 适用 | 罕见的、非预期的错误 | 高频的、可预期的错误 |
| 强制处理 | 不 catch 就向上传播 | 可被忽略 |
经验法则：
- 预期内、高频的错误（如"文件可能不存在"）→ 错误码或
std::optional/std::expected（C++23） - 罕见、致命的错误（如"内存耗尽"）→ 异常
五、常见异常安全陷阱
cpp
// 陷阱 1：在析构函数里抛异常
~Foo() {
throw std::runtime_error("bad"); // 危险！析构抛异常会 terminate
}
// 陷阱 2：裸指针 + 异常 = 泄漏
void bad() {
int *p = new int;
risky_call(); // 抛异常，p 泄漏了！
delete p;
}
// 正确：用 unique_ptr（RAII）
void good() {
auto p = std::make_unique<int>();
risky_call(); // 抛异常，p 自动释放
}六、与本站主线衔接
- RAII：异常安全的根基是 RAII，见 RAII 与智能指针。
- 异常与信号：异常是语言层错误处理，信号是 OS 层，见 crash 异常与信号。
- 异常开销：异常的表驱动实现（Itanium ABI）对正常路径零开销，见 对象内存布局。
- 崩溃排查：未捕获异常导致 terminate，用 gdb 抓调用栈，见 crash 排查线。
一句话总结
异常安全 = 记住三级别（基本/强/无抛）+ 靠 RAII 保证栈展开不泄漏 + 用 copy-and-swap 实现强保证 + 析构和移动务必 noexcept；掌握它，你的代码在出错时才能"优雅回退"而不是崩溃。