Язык программирования C++. Пятое издание - Стенли Липпман

Язык предоставляет некоторые средства, которые полезней в больших и сложных системах, чем в простых. Это средства обработки исключений, пространства имен и множественное наследование, являющиеся темой данной главы.

Крупномасштабное программирование предъявляет к языку более высокие требования чем те, которых достаточно для небольших групп разработчиков. К этим требованиям относятся следующие.

• Способность обрабатывать ошибки при помощи независимой подсистемы.

• Способность использовать библиотеки, разработанные более или менее независимо.

• Способность моделировать более сложные прикладные концепции.

В данной главе рассматриваются три предназначенных для этого средства языка С++: обработка исключений, пространства имен и множественное наследование.

18.1. Обработка исключений

Обработка исключений (exception handling) позволяет независимо разработанным частям программы взаимодействовать и решать проблемы, возникающие во время выполнения. Исключения позволяют отделять код обнаружения проблемы от кода ее решения. Часть программы, ответственная за обнаружение проблемы, может передать информацию о возникшей ситуации другой части программы, которая специально предназначена для решения подобных проблем.

Основы концепции применения исключений в языке С++ представлены в разделе 5.6. В данном разделе эта тема рассматривается подробней. Эффективное использование обработки исключений требует понимания происходящего при передаче исключения, его обработки и смысла объектов, сообщающих о том, что пошло не так.

18.1.1. Передача исключений

В языке С++ исключение передается (raise) выражением throw (передача исключения). Тип выражения throw, вместе с текущей цепочкой вызова, определяет, какой обработчик (handler) будет обрабатывать исключение. Выбирается ближайший обработчик в цепочке вызовов, соответствующий типу переданного объекта. Тип и содержимое этого объекта позволяют передающей части программы сообщать обрабатывающей части о том, что пошло не так.

Когда выполняется оператор throw, расположенные после него выражения игнорируются. Оператор throw передает управление соответствующему блоку catch. Блок catch может быть локальным для той же функции или функции, непосредственно или косвенно вызвавшей ту, в которой произошла ошибка, приведшая к передаче исключения. Тот факт, что управление передается из одного места в другое, имеет два важных следствия.

• Функции можно преждевременно покидать по цепочке вызовов.

• По достижении обработчика созданные цепочкой вызова объекты будут уничтожены.

Поскольку операторы после оператора throw не выполняются, он похож на оператор return: он обычно является частью условного оператора или последним (или единственным) оператором функции.

При передаче исключения выполнение текущей функции приостанавливается и начинается поиск соответствующей директивы catch. Поиск начинается с проверки того, расположен ли оператор throw непосредственно в блоке try (try block). Если это так, проверяется соответствие переданного объекта одному из обработчиков того блока catch, с которым связан данный блок try. Если соответствие в блоке catch найдено, исключение обрабатывается. В противном случае осуществляется выход из текущей функции, ее память освобождается, а локальные объекты удаляются. Затем поиск продолжается в вызывающей функции.

Если обращение к передавшей исключение функции находится в блоке try, проверяются обработчики того блока catch, который связан с ним. Если соответствие найдено, исключение обрабатывается. В противном случае осуществляется выход и из вызывающей функции, а поиск продолжается в той функции, которая вызвала ее, и так далее.

Этот процесс, известный как прокрутка стека (stack unwinding), продолжается по цепи обращений вложенных функций до тех пор, пока не будет найден соответствующий исключению обработчик catch, а если он найден не будет, то до конца функции main().

Как только способный обрабатывать исключение блок catch будет найден, выполнение продолжится в этом обработчике. По завершении работы обработчика выполнение продолжится с точки, расположенной непосредственно после последней директивы блока catch.

Если соответствующий блок catch не найден, программа завершает работу. Исключения предназначены для событий, препятствующих нормальному продолжению выполнения программы. Поэтому переданное исключение не может остаться необработанным. Если соответствующий блок catch не найден, программа вызывает библиотечную функцию terminate(), которая прекращает выполнение программы.

Необработанное исключение завершает программу.

В ходе прокрутки стека происходит преждевременный выход из функции, содержащей оператор throw, а возможно, и из других функций по цепи обращений. Как правило, функции создают локальные объекты, которые при выходе из функции удаляются. При выходе из функции в связи с передачей исключения компилятор гарантирует правильное удаление локальных объектов. Когда завершается работа любой функции, ее локальное хранилище освобождается. Перед освобождением памяти удаляются все локальные объекты, которые были созданы до передачи исключения. Если локальный объект имеет тип класса, для него автоматически вызывается деструктор. Как обычно, для удаления объектов встроенного типа компилятор ничего не делает.

Если исключение происходит в конструкторе, значит, объект находится еще на стадии создания и может быть закончен только частично. Некоторые из его членов, возможно, уже инициализированы, а другие, возможно, нет. Даже если объект создан только частично, следует гарантировать корректное удаление составляющих его членов.

Точно так же исключение могло бы произойти во время инициализации элементов массива или контейнера библиотечного типа. Корректное удаление элементов, созданных прежде, чем произошло исключение, также следует гарантировать.

Тот факт, что деструктор запущен, но код в функции, освобождающий ресурс, может быть пропущен, влияет на структуру создаваемых программ. Как упоминалось в разделе 12.1.4, если блок резервирует ресурс, а исключение происходит перед кодом, который его освобождает, освобождающий ресурс код не будет выполнен. С другой стороны, ресурсы, распределенные объектом класса, обычно освобождаются их деструктором. Использование классов для контроля резервирования ресурсов гарантирует правильность их освобождаются, если функция завершается нормально или в результате исключения.

Факт запуска деструктора во время прокрутки стека влияет на то, как следует создавать деструкторы. Во время прокрутки стека исключение уже передано, но еще не обработано. Если во время прокрутки стека передается новое исключение и не обрабатывается в передавшей его функции, то вызывается функция terminate(). Поскольку деструкторы могут быть вызваны во время прокрутки стека, они никогда не должны передавать исключений, которые не обрабатывает сам деструктор. Таким образом, если деструктор выполняет операцию, которая могла бы передать исключение, он должен заключить ее в блок try и обработать локально в деструкторе.

На практике, поскольку деструкторы освобождают ресурсы, маловероятно, что они передадут исключения. Все типы стандартной библиотеки гарантируют, что их деструкторы не будут передавать исключение.

Во время прокрутки стека для локальных объектов классов выполняются деструкторы. Поскольку деструкторы выполняются автоматически, они не должны передавать исключений. Если во время прокрутки стека деструктор передаст исключение, которое он не обрабатывает, то программа будет завершена.

Компилятор использует выражения передачи исключения для инициализации копией (см. раздел 13.1.1) специального объекта известного как объект исключения (exception object). В результате, у выражения в блоке throw должен быть полный тип (см. раздел 7.3.3). Кроме того, если у выражения тип класса, то его деструктор, конструктор копий и конструктор перемещения должны быть доступны. Если выражение имеет тип массива или функции, выражение преобразовывается в соответствующий ему тип указателя.

Объект исключения располагается в управляемой компилятором области памяти, которая будет гарантировано доступна для любого обработчика. Объект исключения удаляется после того, как исключение будет полностью обработано.