进阶指南！C++ Exception 性能测试与实现浅探

　　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

　　T testFunction(const std::function& 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 {

　　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 {

　　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{...} 则不会对游戏账号购买平台性能有影响。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