C++14 noexcept指定符：优化异常处理性能的6个核心技巧

# 1. 理解C++14中的noexcept指定符

C++14引入了`noexcept`指定符，这是一项关键的语言特性，用于告知编译器和开发者，某个函数不会抛出异常。从基础层面看，`noexcept`可以用于提高代码的安全性，性能和可预测性。它既可以作为函数声明的一部分，也可以出现在异常规格说明中。理解`noexcept`的语义和用法，对于写出高效且稳定的C++代码至关重要。

## noexcept与异常安全性

在C++中，异常安全性指的是当程序发生异常时，程序仍然保持其完整性，即拥有合理的行为。`noexcept`通过向编译器提供一个明确的承诺，来帮助增强异常安全性。让我们深入了解`noexcept`的语义和承诺，以及它如何与异常安全性和资源管理相互作用。

### 异常安全性的基本概念

#### 异常安全性的定义与重要性

异常安全性是指当异常发生时，程序的状态保持不变或者处于一个合法的、可恢复的状态。它直接关系到程序的健壮性，是编写高可靠软件不可或缺的部分。

#### 异常安全性的三个保证层次

1. 基本保证：在异常发生后，程序仍然可以执行，且资源得到释放。
2. 强烈保证：异常发生后，程序的状态不会被改变，就像这次操作从未发生过一样。
3. 抛出保证：如果操作不能提供强烈保证，则必须确保对象保持在有效状态。

### noexcept的语义与承诺

#### noexcept表达式的作用

`noexcept`表达式用于声明某个函数不会抛出异常。在函数声明中使用`noexcept`，编译器可以生成更优化的代码，比如在某些情况下省略异常处理机制，减少堆栈展开带来的性能开销。

#### noexcept与函数接口设计

在接口设计时，合理使用`noexcept`可以明确函数的行为预期，避免了异常引发的不确定性，有助于提高性能和简化异常处理逻辑。

#### noexcept的限制和假设

尽管`noexcept`提供诸多好处，但它也带来限制。如果承诺了`noexcept`的函数实际上抛出了异常，程序将调用`std::terminate`立即终止。因此，在某些情况下，准确评估函数是否可以安全地标记为`noexcept`是至关重要的。

# 2. noexcept与异常安全性

### 2.1 异常安全性的基本概念
异常安全性是C++编程中确保程序在面对异常时能够保持稳定运行状态的一种设计理念。其基本目标是在异常发生时，要么保证对象处于有效的状态，要么程序能够恢复到异常抛出之前的状态，避免资源泄露或数据损坏。

#### 2.1.1 异常安全性的定义与重要性
异常安全性分为以下几个层次：

- 基本异常安全性：确保当异常发生时，程序不泄露资源，且对象保持有效的状态。
- 强异常安全性：保证异常发生后，程序状态与抛出异常前一致。
- 不抛出异常安全性：保证函数在任何情况下都不会抛出异常。

理解并实现异常安全性对于编写健壮的代码至关重要，特别是在资源管理和并发编程中，异常安全性直接关系到程序的稳定性和可靠性。

#### 2.1.2 异常安全性的三个保证层次
异常安全性的三个层次包括：

1. **基本保证**：发生异常时，资源不会泄露，所有对象处于有效的但是未指定的状态。
2. **强保证**：发生异常时，整个操作要么完全成功，要么保持不变，即不会留下中间状态。
3. **不抛出保证**：承诺不会抛出异常，所有操作总是安全的。

每个层次都有其适用的场景，开发者应根据实际需要选择合适的异常安全性保证。

### 2.2 noexcept的语义与承诺

#### 2.2.1 noexcept表达式的作用
`noexcept` 关键字用于告诉编译器和调用者，函数不会抛出异常。在C++11及之后的版本中，`noexcept` 可以作为函数声明的一部分，提供给编译器优化的线索。编译器可以基于此信息做出更激进的优化决策。

#### 2.2.2 noexcept与函数接口设计
在设计函数接口时，合理使用`noexcept`可以向用户明确承诺函数在特定条件下不会抛出异常，从而帮助调用者更好地理解函数的行为，并优化性能。

void safeFunction() noexcept {
    // ...
}

在上述例子中，`safeFunction`承诺不会抛出异常，编译器可以根据这一信息在异常处理时省略一些不必要的开销。

#### 2.2.3 noexcept的限制和假设
`noexcept` 虽然有其优势，但也有一些限制和假设。例如，如果函数体内某个调用可能会抛出异常，而该函数被声明为`noexcept`，则编译器会将该函数标记为潜在的未定义行为，这可能引起程序崩溃。

void mayThrow() {
    throw std::runtime_error("error");
}

void neverThrow() noexcept {
    mayThrow(); // 这会引发未定义行为
}

### 2.3 异常处理与资源管理

#### 2.3.1 RAII原则与资源管理
RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是C++中管理资源的一个重要原则，通过对象的构造和析构来控制资源的生命周期。结合`noexcept`，可以实现异常安全的资源管理。

class ResourceHolder {
public:
    ResourceHolder() noexcept {
        // acquire resource
    }
    ~ResourceHolder() noexcept {
        // release resource
    }
};

#### 2.3.2 使用noexcept的资源管理技巧
使用`noexcept`，可以指定对象的析构函数不会抛出异常，从而保证在异常发生时资源得到安全释放。

void example() noexcept {
    ResourceHolder holder; // 析构函数不抛出异常
    // ...
}

### 2.4 noexcept的应用实例

#### 2.4.1 异常安全的智能指针实现
标准库中的`std::unique_ptr`是一个异常安全的智能指针实现，其析构函数被声明为`noexcept`，保证了即使在异常发生时，指针所管理的资源也会安全释放。

std::unique_ptr<ExpensiveResource> p(new ExpensiveResource);
// ...
// p 被销毁时，ExpensiveResource 资源会被自动释放，即使在异常发生时

#### 2.4.2 异常安全的容器操作
标准库容器如`std::vector`和`std::string`在操作中，当异常可能被抛出时，仍能保证容器的异常安全性。例如，插入操作可能会引发内存重新分配，但标准库保证在异常发生时不会泄露内存。

std::vector<int> v;
try {
    v.push_back(1); // 若抛出异常，v仍然保持不变
} catch(...) {
    // ...
}

通过合理使用`noexcep