浅谈C++ 异常处理的语义和性能
异常处理是个十分深奥的主题,这里只是浅论其对C++性能的影响。
在VC++中,有多个异常处理模式,三个最重要:
- No exception handling (无异常处理)
- C++ only (C++语言异常处理)
- C++ 加SEH (C++语言加windows 结构异常处理机制)
异常处理每增加一个级别,都要付出时空上的代价。我们从下面简单的C++例子着手,分析异常处理的原理及其性能:
// simple class
class MyAppObject
{
public:
MyAppObject(int id) : _myID(id) {}
~MyAppObject();
int _myID;
void DoSomething(int throwWhat) ;
};
// can throw 2 different exception
void MyAppObject::DoSomething(int throwWhat)
{
printf("MyAppObject::DoSomething called for '%d'\n", _myID);
switch (throwWhat)
{
case 0:
break;
case 1:
this->_myID /= 0; // exception 1
break;
case 2:
throw SimpleString("error!"); // exception 2
break;
}
}
// Test exception for the above class
void TestMyAppObject()
{
printf("before try”);
try // line1
{
printf("in try”);
MyAppObject so = 1; // line2
SimpleString ss("test ex point one"); // line3
so.DoSomething(1); // line4
printf("so::ID called for '%d'\n", so._myID);
MyAppObject so2 = 2; // line5
printf("so2::ID called for '%d'\n", so2._myID);
so2.DoSomething(0); // line6
}
catch(const SimpleString &e) // line7
{
//printf("something happened: %s \n", e);
}
catch(...) //line8
{
//printf("something happened: %s \n", "SEH");
}
}
第一步,我们先选择“no exception”,并将上面line1,line7,line8注释掉。代码的size是:
Exe |
Obj |
32,256 bytes |
20,931 bytes |
然而因为line4引入一个“除0”异常,我们的程序非正常地停止了工作。这并非什么大的灾难。但是如果这是关键的服务器程序,这样的结果肯定不能为客户接受。
第二步,我们选择了,C++ only flag(/EHsc)。代码size变为:
Exe |
Obj |
37,888 bytes |
24,959 bytes |
代码size较前面选择增加了近20%。
然而,这个选择决定了如果是C++的throw产生的异常我们可以俘获。操作系统产生的异常,比如windows SEH 异常机制产生的异常,也不能俘获。测试时,将line1,line7,Line8注释取消。
运行程序,“除0”异常仍然导致程序停止。然而,将line4输入改为2时,C++ throw 的异常被line7俘获。
第三步,我们选择“C++ 加 SHE (/EHa)”,代码size变为:
Exe |
Obj |
37.0 KB (37,888 bytes) |
28,486 bytes |
代码 obj size 略有变化,但是不显著。选择了这个后,MyAppObject::DoSomething的两种异常都能被俘获了。
异常处理语义
加了异常处理,程序的“工作集(working set)”, 的增长度高达20%,这是相当显著的。关键的软件部件必须考虑到这一点。那么,运行速度会不会受到影响呢?我们先看看异常处理的语义吧。
上面的TestMyAppObject中,由于C++必须保证一旦异常出现,能“正确地”地销毁自动变量,比如TestMyAppObject中的so,ss,和 so2 变量。在有异常处理的情况下,必须区分“现行程序”的“区域”和“热点”。
比如,TestMyAppObject的区域有before try 和 in try。
TestMyAppObject热点有line2 ~ line6 (每个line都是一个热点)。
TestMyAppObject异常处理的逻辑是:
- 做“stack unwinding (堆栈回滚)”:
- 如果line2出异常,无须作什么(除非有MyAppObject 里有部分未完成构造的成员partially constructed member 问题)。
- 如果line3出异常,so必须销毁。
- 如果line4出异常,so和ss都必须销毁。
- 如果line6出异常,so,ss,和so2都须销毁。
- 如果找到catch,执行catch
- 如果此函数没有catch,继续往上面函数,重复以上步骤
VC++的stack unwinding实现大致如此:
异常处理逻辑可以转换成一个静态的jump列表(列出上面的四个热点的jump to 地址),和一个stack_unwind()函数(堆栈回滚函数),根据当前的”热点”,通过此列表,动态地跳到异常处里的回滚代码处。
综合起来,异常处理在C++中,根据函数的auto变量的分布,必须在每个可能出现异常的函数添加上诉jump列表,导致程序size和工作集明显增加。但是测试表明,如果不出现异常,程序的执行速度的影响是可忽略的(仅仅需要保持热点位置),TestMyAppObject的测试结果选择异常处理(但不出异常)反而比选择不支持异常处理稍快。
出现异常后,TestMyAppObject的测试结果表明,程序速度的影响可以在10%~15%以上。但是我的测试还没有加rethrow 获者其它异常处理逻辑,仅仅俘获而已。
另一个有趣的问题是,函数中auto变量的分布,对“热点列表”size的影响, 热点太多,会导致热点列表变得很大,所以如果可能,尽量把auto变量放在顶端:
X a, b;
Y c,d;
而不是
X a;
// do something (1)
X b;
// do something else (2)
Y c;
// do yet something else (3)
Y d;
因为第一种分布只有一个热点(假设constructor 不会throw)。而第二种分布至少有三个热点。
测试结果
测试上述TestMyAppObject函数,循环1000次的结果:
- 传值0,使line4不出现异常(C++ throw),时间是0.802秒。
传值1,使line4出现除零异常,时间是0.832秒。
- 传值2,使line4出现异常(C++ throw),测试1000次测试,时间是1.043秒。
这个结果我有下列观察:
- C++ throw的代价明显高于windows SEH。C++ throw 异常在上述测试的时间比不出现异常增加近20%。但是如果我们throw简单的primitive 值,速度可能增快(读者可以自己测试)。
- 除零异常在这里和无异常速度接近,但是考虑到本测试的简单性,和实际应用中try-catch可能纵跨多个函数,会线性增加stack-unwinding的代价。所以我认为,实际结果中,如果异常出现后出现性能10%~15%下降是正常的。
- 另外要考虑的是OS和编译版本。VC++的异常处理比前面版本的性能大大提高了。
总结
异常处理是C++中具有重要附加值的语言构造,为安全可靠的应用程序提供了基石。
但是它也同时具有时空两方面的代价(trade off),我们在应用时要清楚这个方面。异常应该在“异常时”用 (好像是废话,其实是设计思想和模式的重要一环),不要把它当作方便的“控制构造 control construct”来用。如果应用容许,也要尽可能减少“热点”,减小热点列表。
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