Noexcept 和复制、移动构造函数

Question

在我看来，当移动构造函数为 noexcept(false) 时，标准库必须调用复制构造函数而不是移动构造函数的协议似乎无处不在。

现在我不明白为什么会这样。而且更多的 Visual Studio VC v140 和 gcc v 4.9.2 似乎有不同的做法。

我不明白为什么 noexcept 这是一个问题，例如向量。我的意思是如果 T 没有，vector::resize() 应该如何提供强大的异常保证。如我所见，向量的异常级别将取决于T。无论使用复制还是移动。 我理解 noexcept 只是为了让编译器进行异常处理优化。

这个小程序在使用 gcc 编译时调用复制构造函数，在使用 Visual Studio 编译时调用移动构造函数。

include <iostream>
#include <vector>

struct foo {
  foo() {}
  //    foo( const foo & ) noexcept { std::cout << "copy\n"; }
  //    foo( foo && ) noexcept { std::cout << "move\n"; }
  foo( const foo & )  { std::cout << "copy\n"; }
  foo( foo && )  { std::cout << "move\n"; }

  ~foo() noexcept {}
};

int main() {
    std::vector< foo > v;
    for ( int i = 0; i < 3; ++i ) v.emplace_back();
}

Answer 1

这是一个多方面的问题，请耐心等待我了解各个方面。

标准库希望所有用户类型始终提供基本的异常保证。该保证表明，当抛出异常时，所涉及的对象仍处于有效（如果未知）状态，没有资源泄漏，没有违反基本语言不变量，并且没有发生远距离的诡异动作（最后一个不是正式定义的一部分，但它实际上是一个隐含的假设）。

考虑类 Foo 的复制构造函数：

Foo(const Foo& o);

如果这个构造函数抛出，基本的异常保证给你以下知识：

• 没有创建新对象。如果构造函数抛出，则不会创建对象。
• o 未修改。它在这里唯一的参与是通过一个 const 引用，所以它不能被修改。其他情况属于“远处的诡异动作”标题，或者可能是“基本语言不变”。
• 没有资源泄露，整个程序仍然连贯。

在移动构造函数中：

Foo(Foo&& o);

基本保证提供的保证较少。 o 可以修改，因为它是通过非常量引用涉及的，所以它可以处于任何状态。

接下来看vector::resize。它的实现通常会遵循相同的方案：

void vector<T, A>::resize(std::size_t newSize) {
  if (newSize == size()) return;
  if (newSize < size()) makeSmaller(newSize);
  else if (newSize <= capacity()) makeBiggerSimple(newSize);
  else makeBiggerComplicated(newSize);
}
void vector<T, A>::makeBiggerComplicated(std::size_t newSize) {
  auto newMemory = allocateNewMemory(newSize);
  constructAdditionalElements(newMemory, size(), newSize);
  transferExistingElements(newMemory);
  replaceInternalBuffer(newMemory, newSize);
}

这里的关键函数是transferExistingElements。如果我们只使用复制，它有一个简单的保证：它不能修改源缓冲区。因此，如果在任何时候操作抛出，我们可以只销毁新创建的对象（请记住，标准库绝对不能使用抛出析构函数），丢弃新缓冲区，然后重新抛出。矢量看起来好像从未被修改过。这意味着我们有强保证，即使元素的复制构造函数只提供弱保证。

但是如果我们使用移动来代替，这是行不通的。一旦一个对象被移出，任何后续的异常都意味着源缓冲区已经改变。而且因为我们不能保证向后移动的物体也不会抛出，我们甚至无法恢复。因此，为了保持强保证，我们必须要求移动操作不抛出任何异常。如果我们有这个，我们很好。这就是为什么我们有move_if_noexcept。

关于 MSVC 和 GCC 之间的区别：MSVC 从版本 14 开始只支持noexcept，而且由于仍在开发中，我怀疑标准库还没有更新以利用它。

Answer 2

核心问题是不可能使用抛出移动构造函数提供强大的异常安全性。想象一下，如果在向量调整大小中，将元素移动到新缓冲区的中途，移动构造函数会抛出。你怎么可能恢复以前的状态？您不能再次使用移动构造函数，因为那可能会继续抛出。

无论是抛出性质，复制都可以提供强大的异常安全保证，因为原始状态没有被破坏，所以如果你不能构建整个新状态，你可以清理部分构建的状态，然后你就可以了完成，因为旧的状态还在这里等着你。移动构造函数不提供这种安全网。

从根本上不可能提供带有抛出动作的强异常安全的 resize()，但是 容易带有抛出副本。这个基本事实在标准库中无处不在。

GCC 和 VS 对此的处理方式不同，因为它们处于不同的一致性阶段。 VS 已将 noexcept 作为他们实现的最后一个功能之一，因此它们的行为介于 C++03 的行为和 C++11/14 的行为之间。特别是，由于他们无法判断您的移动构造函数是否实际上是noexcept，所以他们基本上只需要猜测。根据记忆，他们只是假设它是noexcept，因为抛出移动构造函数并不常见，并且无法移动将是一个关键问题。