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例外安全性とは、例外がスローされたときにコードが正しく動作する状態です。[1]例外安全性を確保するために、C++標準ライブラリの開発者は、例外に関するデータ構造の操作の動作を契約で保証する例外安全性レベルのセットを考案しました。ライブラリの実装者とクライアントは、例外処理の正確性について推論する際にこれらの保証を使用できます。例外安全性レベルは、他の言語やエラー処理メカニズムにも同様に適用されます。[2]
歴史
David Abrahams は「C++ に例外が導入される前は、誰も『エラー安全性』について語っていなかった」と書いています。 [3] この用語は、1994 年にはすでに C++ 標準委員会JTC1/SC22/WG21の出版物のトピックとして登場していました。 [4] C++ 標準ライブラリの例外安全性は、 Abrahams によってSTLport用に初めて形式化され、基本安全性と強い安全性の区別が確立されました。[5]これは、後の提案で、現代の基本/強い/nothrow 保証にまで拡張されました。[6]
背景
例外は非局所的な制御フローの一種であり、呼び出された関数から例外が「バブルアップ」する可能性がある。このバブルアップは、次のように可変データ構造の不変条件を破壊し、例外安全性のバグを引き起こす可能性がある。[7]
- 可変データ構造に対する操作のステップにより、データが変更され、不変条件が破壊されます。
- 例外がスローされ、制御が「バブルアップ」し、不変条件を復元する残りの操作コードをスキップします。
- 例外がキャッチされ回復されるか、
finallyブロックに入る - 不変式が壊れたデータ構造が不変式を前提とするコードで使用され、バグが発生する
上記のようなバグのあるコードは「例外安全でない」と言えます。[7]
分類
C ++標準ライブラリは、例外安全性のいくつかのレベルを提供しています（安全性の降順）。[8]
- ノースロー保証(障害の透明性とも呼ばれる) : 例外的な状況でも操作が成功し、すべての要件を満たすことが保証されます。例外が発生した場合は、内部で処理され、クライアントからは監視されません。
- 強力な例外安全性（コミットまたはロールバックセマンティクスとも呼ばれる）：操作は失敗する可能性がありますが、失敗した操作には副作用がなく、元の値がそのまま残ることが保証されます。[9]
- 基本的な例外安全性: 失敗した操作を部分的に実行すると副作用が発生する可能性がありますが、すべての不変条件は保持されます。保存されたデータには、元の値とは異なる有効な値が含まれます。リソース リーク(メモリ リークを含む) は、通常、すべてのリソースが考慮され管理されていることを示す不変条件によって排除されます。
- 例外なしの安全性: 保証は一切ありません。
通常、堅牢なコードを書くには、少なくとも基本的な例外安全性が必要です。より高いレベルの安全性は、時には達成が困難な場合があり、余分なコピーによるオーバーヘッドが発生する可能性があります。例外安全性の重要なメカニズムはfinally、句または同様の例外処理構文であり、これにより、例外を含むブロックの終了時に特定のコードが常に実行されるようになります。いくつかの言語には、、、または-with-resourcesと呼ばれる、dispose パターンを使用するなど、これを簡素化する構造があります。
usingwithtry
例
C++や Java などのスマートなベクター型を考えてみましょう。ベクターにアイテムが追加されると、ベクターは実際にオブジェクトの内部リストに追加し、 にあるオブジェクトの数を示すカウント フィールドを更新する必要があります。既存の容量が十分でない場合は、新しいメモリを割り当てる必要がある場合もあります。
std::vectorArrayListxvxv
例外安全性の代替案:
- 投げない保証
- メモリ割り当てが失敗しないようにするか、
insert割り当て失敗時の関数の動作を定義することによって実装されます (たとえば、関数が挿入が行われたかどうかを示すブール値の結果を返させるなど)。 - 強力な例外安全性
- 最初に必要な割り当てを行い、エラーが発生しない場合はバッファを交換することで実装されます (コピー アンド スワップ イディオム)。この場合、
xへの挿入がv成功するか、v割り当てが失敗したにもかかわらず変更されないままになります。 - 基本的な例外安全性
- カウント フィールドが の最終的なサイズを反映することを保証するように実装されています
v。たとえば、エラーが発生した場合、insert関数はカウント フィールドを完全に割り当て解除しv、ゼロにリセットする可能性があります。失敗した場合、リソースはリークされませんが、vの古い値は保持されません。 - 例外のない安全性
- 挿入に失敗すると
v、 のコンテンツが破損したり、カウント フィールドに誤った値が発生したり、リソース リークが発生したりする可能性があります。
参考文献
- ^ Crichton, Alex (2015 年 7 月 24 日). 「Rust RFC: catch_panic を安定化する」. Rust プログラミング言語. 2022 年5 月 26 日閲覧。
呼び出し先の関数が例外をスローした場合でも、コードが正しく動作する場合、コードは例外安全です。
- ^ Lau, Ron (2020年11月10日). 「JSの世界における例外安全性」. Medium .
- ^ Dave Abrahams (2000).ジェネリックコンポーネントの例外安全性。ジェネリックプログラミング。コンピュータサイエンスの講義ノート。第1766巻。Springer。pp . 69–79。doi : 10.1007 /3-540-39953-4_6。ISBN 978-3-540-41090-4. 2008年8月29日閲覧。
- ^ Colvin, Gregory (1994). 「Exception Safe Exceptions」(PDF) . C++ 標準委員会論文. 2021 年12 月 17 日閲覧。
- ^ Abrahams, David. 「STLport: 例外処理」www.stlport.org . 2021年12月17日閲覧。
- ^ Abrahams, Dave; Colvin, Greg. 「C++ 標準ライブラリの例外を安全にする」(PDF)。C++ 標準委員会論文。2021年12 月 17 日閲覧。
- ^ ab Crichton, Alex (2015年7月24日). 「Rust RFC: catch_panic を安定化する」. Rust プログラミング言語. 2022年5月26日閲覧。
- ^ Bjarne Stroustrup (1997)。付録 E: 「C++ プログラミング言語」の標準ライブラリ例外安全性(PDF) (第 3 版)。Addison- Wesley。ISBN 0-201-88954-4。
- ^ Austern, Matt (1997 年 5 月 30 日). 「標準ライブラリ例外ポリシー」. C++ 標準委員会論文. 2022 年5 月 26 日閲覧。
外部リンク
- ハーブ・サッター: Exceptional C++: 47 のエンジニアリング パズル、プログラミングの問題、およびソリューション、2000 年
- Jon Kalb: C++ での例外安全なコーディング、C++Now! 2012 での例外安全性に関するプレゼンテーション。
- Stackoverflow の関連ディスカッション: C++: 例外安全なコードを (本当に) 記述していますか?