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作者:roanhe,腾讯TEG云架平台部
| 导语 异常处理是写代码过程中无法避开的部分。正确使用异常机制,需要我们对其性能以及背后实现有一个基本的理解,本文的写作目的是对C++ Exception机制进行简单测试,并且对其实现进行简单分析,以帮助广大C++程序员更好地使用Exception。
很多编程语言中都有 Exception 机制。利用 Exception 机制,一段代码可以绕过正常的代码执行路径去通知另一段代码,有一些意外事件或者错误情况发生。另一种常见的异常/错误处理机制是ErrorCode,熟悉 C 语言的同学应该体会很深,比如操作系统提供的接口很多都是以 ErrorCode 的形式判断是否发生异常。
C++ 并不像 Java 一样强制程序员使用 Exception,但是在 C++ 中处理 Exception 是不可避免的,比如当内存不足时,new 操作符会抛出std::bad_alloc。同时在 C++ 中单纯使用 ErrorCode 来标记异常情况也有其他问题:
- ErrorCode 没有统一标准,没有严格标准规定到底是返回使用-1表示Error还是使用0表示Error,所以你需要额外配合使用枚举;
- ErrorCode 可能会被忽略,虽然C++17中有了[[nodiscard]]属性,但是你还是有可能会忘记加 nodiscard!毕竟忘记加 nodiscard 并不比忘记处理 ErrorCode 难多少。。
因此,掌握 C++ Exception 的原理以及正确使用方式是非常必要的。同时 C++ 目前依然是在高性能编程场景下的首选编程序言,很多同学出于性能考虑不敢使用 C++ Exception,只知道 Exception 慢,但是并不知道到底是为什么慢,究竟慢在哪里。
本文的目的是对 C++ Exception 进行简单测试与分析。首先对 Exception 的性能进行评测,探究 C++ Exception 对程序性能的影响,然后对 C++ Exception 的实现机制做一个简单探索,让大家明白 Exception 对程序运行到底产生了哪些影响,进而写出更高质量的代码。
Benchmark
首先我们先通过性能测试直观地感受一下添加 Exception 对程序性能的影响。
参考Investigating the Performance Overhead of C++ Exceptions的测试思路,我们对其测试用例进行改动。简单解释一下我们的测试代码: 我们定义一个函数,该函数会根据概率决定是否调用目标函数:
const int randomRange = 2;
const int errorInt = 1;
int getRandom() { return random() % randomRange; }
template<typename T>
T testFunction(const std::function<T()>& fn) {
auto num = getRandom();
for (int i{0}; i < 5; ++i) {
if (num == errorInt) {
return fn();
}
}
}
执行 testFunction 时,目标函数 fn 有 50% 的概率被调用。
void exitWithStdException() {
testFunction<void>([]() -> void {
throw std::runtime_error("Exception!");
});
}
void BM_exitWithStdException(benchmark::State& state) {
for (auto _ : state) {
try {
exitWithStdException();
} catch (const std::runtime_error &ex) {
BLACKHOLE(ex);
}
}
}
BM_exitWithStdException 用于测试函数 exitWithStdException,该函数会抛出一个 Exception,然后在 BM_exitWithStdException 中立刻被 catch,catch 后我们什么也不做。
类似的,我们设计用于测试 ErrorCode 模式的代码如下:
void BM_exitWithErrorCode(benchmark::State& state) {
for (auto _ : state) {
auto err = exitWithErrorCode();
if (err < 0) {
// handle_error()
BLACKHOLE(err);
}
}
}
int exitWithErrorCode() {
testFunction<int>([]() -> int {
return -1;
});
return 0;
}
将 ErrorCode 测试代码放进 try{…}catch{…} 测试只进入 try 是否会对性能有影响:
void BM_exitWithErrorCodeWithinTry(benchmark::State& state) {
for (auto _ : state) {
try {
auto err = exitWithErrorCode();
if (err < 0) {
BLACKHOLE(err);
}
} catch(...) {
}
}
}
利用 gtest/banchmark 开始我们的测试:
BENCHMARK(BM_exitWithStdException);
BENCHMARK(BM_exitWithErrorCode);
BENCHMARK(BM_exitWithErrorCodeWithinTry);
BENCHMARK_MAIN();
测试结果:
2021-07-08 20:59:44
Running ./benchmarkTests/benchmarkTests
Run on (12 X 2600 MHz CPU s)
CPU Caches:
L1 Data 32K (x6)
L1 Instruction 32K (x6)
L2 Unified 262K (x6)
L3 Unified 12582K (x1)
Load Average: 2.06, 1.88, 1.94
***WARNING*** Library was built as DEBUG. Timings may be affected.
------------------------------------------------------------------------
Benchmark Time CPU Iterations
------------------------------------------------------------------------
BM_exitWithStdException 1449 ns 1447 ns 470424
BM_exitWithErrorCode 126 ns 126 ns 5536967
BM_exitWithErrorCodeWithinTry 126 ns 126 ns 5589001
这是我在自己的 mac 上测试的结果,使用的编译器版本为gcc version 10.2.0,异常模型为DWARF2。可以看到,当 Error/Exception 发生率为 50% 时,Exception 的处理速度要比返回 ErrorCode 慢 10 多倍。同时,对一段不会抛出异常的代码添加 try{…}catch{…} 则不会对性能有影响。我们可以再将 Error/Exception 的发生率调的更低测试下:
const int randomRange = 100;
const int errorInt = 1;
int getRandom() { return random() % randomRange; }
我们将异常的概率降低到了 1%,继续测试:
2021-07-08 21:16:01
Running ./benchmarkTests/benchmarkTests
Run on (12 X 2600 MHz CPU s)
CPU Caches:
L1 Data 32K (x6)
L1 Instruction 32K (x6)
L2 Unified 262K (x6)
L3 Unified 12582K (x1)
Load Average: 2.80, 2.22, 1.93
***WARNING*** Library was built as DEBUG. Timings may be affected.
------------------------------------------------------------------------
Benchmark Time CPU Iterations
------------------------------------------------------------------------
BM_exitWithStdException 140 ns 140 ns 4717998
BM_exitWithErrorCode 111 ns 111 ns 6209692
BM_exitWithErrorCodeWithinTry 113 ns 113 ns 6230807
可以看到,Exception 模式的性能大幅提高,接近了 ErrorCode 模式。
从实验结果,我们可以得出如下的结论:
- 在 throw 发生的很频繁的情况(50%)下,Exception 机制相比 ErrorCode 会慢非常多;
- 在 throw 并不是经常发生的情况(1%)下,Exception 机制并不会比 ErrorCode 慢;
由此结论,我们可以进而得到如下的使用建议:
- 不要使用 try{throw …}catch(){…} 来充当你的代码控制流,这会导致你的 C++ 慢的离谱
- 应当把 Exception 用在真正发生异常的情况下,比如内存超限、数据格式错误等较为严重却不会经常发生的场景下
libc++ Exception 实现浅探
前一节我们验证了 C++ Exception 在频繁发生异常的情况下会导致程序性能变慢的现象,这一节开始我们尝试去寻找导致这一现象的原因。
首先,Exception 机制的实现位于C++标准库中,而由于 C 语言中没有 Exception 机制,我们可以尝试将具有 throw 关键字的由 .cpp 编译而来的可重定位二进制文件与由 .c 编译得到的包含 main 函数的二进制进行链接。目的是找出对于 throw 关键字,libc++ 为我们最终生成的可执行文件添加了哪些额外函数。
throw.h:
/// throw.h
struct Exception {};
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
void raiseException();
#ifdef __cplusplus
};
#endif
throw.cpp
/// throw.cpp
#include "throw.h"
extern "C" {
void raiseException() {
throw Exception();
}
}
raiseException 函数只是简单的抛出异常。这里我们使用 extern “C” 告诉 C++ 编译器,按照 C 语言的规则去生成临时函数名,目的是为了让生成的可重定位目标文件能够被后续用 C 语言完成的 main 函数链接。main.c 如下:
/// main.c
#include "throw.h"
int main() {
raiseException();
return 0;
}
我们分别编译 throw.cpp 和 main.c:
> g++ -c -o throw.o -O0 -ggdb throw.cpp
> gcc -c -o main.o -O0 -ggdb main.c
直觉来说,我们是可以完成链接的,毕竟函数 raiseException 的定义是完整的。试验一下:
> gcc main.o throw.o -o app
Undefined symbols for architecture x86_64:
"__ZTVN10__cxxabiv117__class_type_infoE", referenced from:
__ZTI9Exception in throw.o
NOTE: a missing vtable usually means the first non-inline virtual member function has no definition.
"___cxa_allocate_exception", referenced from:
_raiseException in throw.o
"___cxa_throw", referenced from:
_raiseException in throw.o
ld: symbol(s) not found for architecture x86_64
collect2: error: ld returned 1 exit status
链接出错了,报错信息看上去好像懂了——应该跟 Exception 相关,但是很明显我们并没有完全懂——这三个未定义的符号到底是啥?
这三个符号:__ZTVN10__cxxabiv117__class_type_infoE, ___cxa_allocate_exception, ___cxa_throw,均代表了 libc++ 中对应 Exception 处理机制的入口函数。是编译器在编译时添加的部分,链接时的会在 libc++ 中寻找这三个符号的完整定义。 我们链接时使用的是 gcc 指令,只会链接 libc,C 语言中并没有这三个符号的定义,所以我们在链接时才会报错。改用 g++ 链接之后确实没问题了:
> g++ main.o throw.o -o app
> ./app
terminate called after throwing an instance of 'Exception'
[1] 37016 abort ./app
通过这个 demo 我们知道,g++ 确实在编译与链接时做了一些额外的工作,帮我们实现了 throw 关键字。对于try {…} catch () {…}来说也一样,链接时会链接到 libc++ 中对应的函数实现,我们通过汇编代码再来体会一下:
...
void raise() {
throw Exception();
}
void try_but_dont_catch() {
try {
raise();
} catch(Fake_Exception&) {
printf("Running try_but_dont_catch::catch(Fake_Exception)\n");
}
printf("try_but_dont_catch handled an exception and resumed execution");
}
...
对应的汇编(精简过后):
...
_Z5raisev:
call __cxa_allocate_exception
call __cxa_throw
_Z18try_but_dont_catchv:
.cfi_startproc
.cfi_personality 0,__gxx_personality_v0
.cfi_lsda 0,.LLSDA1
...
call _Z5raisev
jmp .L8
...
_Z5raisev 对应函数 raise 函数的实现,从字面意思就可以看出__cxa_allocate_exception是为 Exception 类型分配空间,__cxa_throw函数的实现位于 libc++ 中,该函数是后续 Exception 处理机制的入口。z18try_but_dont_catchv 的的前三行先不管,直接看到 call _Z5raisev。到这里也很好理解,如果 _Z5raisev 执行正常的话,跳到 .L8 程序正常退出。
.L8:
leave
.cfi_restore 5
.cfi_def_cfa 4, 4
ret
.cfi_endproc
如果 try 内的代码执行出现问题,那么会执行这段代码(怎么跳过来的我们目前还不知道):
cmpl $1, %edx
je .L5
.LEHB1:
call _Unwind_Resume
.LEHE1:
.L5:
call __cxa_begin_catch
call __cxa_end_catch
这段汇编,首先比较 Exception 的类型,如果能够类型匹配,就去执行 .L5,如果不匹配,我们就会顺序执行到 _Unwind_Resume。 很明显,.L5 的部分对应代码的 catch 关键字,而且 .L5 执行之后也会跳到 .L8,该函数可以正常退出。
Unwind_Resume 应该又是 libc++ 里面的函数了。该函数的作用是去其他栈帧寻找是否有该类型 Exception 的处理函数。
看到这里,其实我们就能够明白了导致之前测试结果的原因:
- try 后面若不抛出异常,则程序的执行流程不会执行 __cax_throw
- __cax_throw是后续的异常判断以及栈回退的入口,不执行该函数则不会对性能有影响
- __cax_throw执行后,会逐个栈帧寻找异常处理函数,该过程会导致严重的性能损耗
总结
本文简单地对 C++ Exception 的性能做了一个测试,由测试结果我们进行了合理的推测:C++ Exception 背后处理的过程是由 libc++ 中对应的函数实现的,并且对该推测进行了验证。 实际上 C++ Exception 的完整实现还有很多深入的细节,感兴趣的同学可以进一步探索。
参考文献
- https://monkeywritescode.blogspot.com/search?q=C%2B%2B+exception
- https://pspdfkit.com/blog/2020/performance-overhead-of-exceptions-in-cpp/
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