如何设计具有强异常保证的函数？

Question

我有一个功能，我希望有强大的异常保证：

class X {
   /* Fields and stuff */
   void some_function() {
       vector1.push_back(/*...*/); // May Throw
       vector2.push_back(/*...*/); // May Throw
       vector3.push_back(/*...*/); // May Throw
       vector4.push_back(/*...*/); // May Throw
   }
};

我能想到使其具有强大的异常保证的唯一方法是：

class X {
   /* Fields and stuff */
   void some_function() {
       try { vector1.push_back(/*...*/);};
       catch (Vector1PushBackException) {
            throw Vector1PushBackException;
       }
       try { vector2.push_back(/*...*/);};
       catch (Vector2PushBackException) {
            vector1.pop_back();
            throw Vector2PushBackException;
       }
       try { vector3.push_back(/*...*/);};
       catch (Vector3PushBackException) {
            vector1.pop_back();
            vector2.pop_back();
            throw Vector3PushBackException;
       }
       try { vector4.push_back(/*...*/);};
       catch (Vector4PushBackException) {
            vector1.pop_back();
            vector2.pop_back();
            vector3.pop_back();
            throw Vector4PushBackException;
       }
   }
};

但是，这真的很丑而且容易出错！！有没有比我上面提到的更好的解决方案？我可以听到有人告诉我需要使用 RAII，但我无法弄清楚如何使用，因为函数正常返回时不能执行 pop_back 操作。

我还希望任何解决方案都是零 - 快乐路径上的开销；我真的需要尽可能快的快乐之路。

Answer 1

解决方法是使用scope guards。

请参阅this answer 以获取它们的示例实现；我不打算在这里重复。使用范围保护，您的代码将如下所示：

vector1.push_back(/*...*/);
FINALLY_ON_THROW( vector1.pop_back(); )
vector2.push_back(/*...*/);
FINALLY_ON_THROW( vector2.pop_back(); )
vector3.push_back(/*...*/);
FINALLY_ON_THROW( vector3.pop_back(); )
vector4.push_back(/*...*/);
FINALLY_ON_THROW( vector4.pop_back(); )

这里，FINALLY_ON_THROW 是一个宏（参见上面的链接）。它不是立即执行它的参数，而是在您因为异常而离开当前范围时执行它。如果您以正常方式离开范围，则忽略该参数。如果您在控制权首先到达守卫之前离开范围，它也会被忽略。

请注意，如果最后一个守卫（在同一范围内）后面没有任何东西可以抛出，那么最后一个守卫是多余的。

Answer 2

简单地弹回的一个问题是它不一定会将向量恢复到原始状态。如果添加元素导致任何向量重新分配，则对元素的迭代器/引用将失效，并且该失效无法回滚，从而无法保证强异常。

一种安全、简单且通用的解决方案是对副本进行修改。复制当然需要额外的费用。

void some_function() {
    auto copy = *this;
    copy.vector1.push_back(/*...*/); // May Throw
    copy.vector2.push_back(/*...*/); // May Throw
    copy.vector3.push_back(/*...*/); // May Throw
    copy.vector4.push_back(/*...*/); // May Throw
    *this = std::move(copy);
}

---

HolyBlackCat's 范围保护建议是一个优雅的解决方案，在可能回滚的情况下，例如如果您使用了另一个不会使迭代器/引用无效的容器，或者您根本不关心失效，或者如果您有防止函数在容量已满时被调用的类不变量。

您可以以边际额外成本可行地首先检查所有向量是否具有额外容量，然后根据检查在复制和回滚之间进行选择。这允许调用者在事先保留足够容量的情况下不支付复制成本。然而，这确实偏离了优雅。

Answer 3

您可以通过多种方式做到这一点...例如：

#include <vector>
#include <type_traits>
#include <exception>


template<class F>
struct on_fail
{
    F   f_;
    int count_{ std::uncaught_exceptions() };

    ~on_fail()
    {
        // C++20 is here and still no easy way to tell "unwinding" and "leaving scope" apart
        if (std::uncaught_exceptions() > count_) f_();
    }
};

template<class F> on_fail(F) -> on_fail<F>;


auto emplace_back_x(auto& v, auto&& x)
{
    v.emplace_back(std::forward<decltype(x)>(x));
    return on_fail{[&v]{ v.pop_back(); }};
}


int bar();


template<class F>
struct inplacer
{
    F f_;
    operator std::invoke_result_t<F&>() { return f_(); }
};

template<class F> inplacer(F) -> inplacer<F>;


void foo()
{
    std::vector<int> v1, v2, v3;
    auto rollback1 = emplace_back_x(v1, 1);
    auto rollback2 = emplace_back_x(v2, inplacer{ bar });
    auto rollback3 = emplace_back_x(v3, inplacer{ []{ return bar() + 1; } });
}

请注意，您的示例不正确：如果 push_back() 失败并出现 std::bad_alloc（或任何其他异常） - 您无法执行撤消步骤。

另外，在您的情况下，使用基本保证是否有意义？在实践中，您通常可以在更高的层次上处理它——例如断开连接并丢弃整个累积状态，让客户端重新连接并重复尝试。

Answer 4

这个怎么样？

class X {
   /* Fields and stuff */
   void some_function() {
       vector1.push_back(/*...*/); // May Throw
       try {
           vector2.push_back(/*...*/); // May Throw
           try {
               vector3.push_back(/*...*/); // May Throw
               try {
                   vector4.push_back(/*...*/); // May Throw
               } catch(...) {
                   vector3.pop_back();
                   throw;
               }
           } catch(...) {
               vector2.pop_back();
               throw;
           }
       } catch(...) {
           vector1.pop_back();
           throw;
       }
   }
};

但是……你真的需要 4 个不同的向量吗？

class X {
   /* Fields and stuff */
   void some_function() {
       vector1234.push_back(std::make_tuple(/*...*/, /*...*/, /*...*/, /*...*/)); // May Throw
   }
};