条款14：如果函数不抛出异常，请使用 noexcept

1. 引言

在 C++ 中，异常规范（exception specification）经历了从 C++98 的 throw() 到 C++11 的 noexcept 的演变。noexcept 不仅是一种声明函数不抛出异常的方式，更是现代 C++ 中优化代码、提升性能的重要工具。本条款将深入探讨 noexcept 的语义、使用场景、对编译器优化的影响，以及何时应该（或不应该）使用它。

2. noexcept 的基本语法与语义

noexcept 有两种基本形式：无条件版本和有条件版本。

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// 无条件 noexcept：保证函数不会抛出任何异常
void foo() noexcept; // C++11 起推荐写法
void bar() noexcept(true); // 等价于 noexcept

// 有条件 noexcept：根据编译期条件决定是否抛出异常
template<typename T>
void swap(T& a, T& b) noexcept(noexcept(a.swap(b)));

与 C++98 的 throw() 不同，noexcept 是函数类型的一部分，并且违反 noexcept 承诺会导致程序直接调用 std::terminate，而不是像 throw() 那样可能引发 std::unexpected。

3. 为什么使用 noexcept？

3.1 性能优化

编译器在生成代码时，如果知道函数不会抛出异常，就可以进行更多优化：

栈展开（stack unwinding）代码的省略：编译器无需为可能抛出的异常生成栈展开信息，减少代码体积。
移动语义的启用 ：标准库容器（如 std::vector）在重新分配内存时，如果元素的移动构造函数被标记为 noexcept，则会优先使用移动而非拷贝，从而提升性能。

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class MyType {
public:
    // 移动构造函数标记为 noexcept，使 std::vector 重分配时能安全移动
    MyType(MyType&& other) noexcept;
};

3.2 接口契约的明确性

noexcept 是函数接口的一部分，它向调用者明确承诺："调用此函数不会因异常而失败"。这使得代码更容易推理，也便于编写异常安全的代码。

3.3 标准库的要求与利用

许多标准库算法和容器对操作的异常安全性有要求。例如，std::swap、std::move_if_noexcept 等设施会利用 noexcept 信息来选择更高效且安全的行为。

4. 何时应该使用 noexcept？

析构函数 ：析构函数默认就是 noexcept 的，除非显式指定为可能抛出异常（noexcept(false)）。通常不应让析构函数抛出异常。
移动操作 ：移动构造函数和移动赋值运算符应尽可能标记为 noexcept，以允许标准库容器在重分配时使用移动而非拷贝。
交换函数 ：swap 函数通常应标记为 noexcept，以保证异常安全且高效。
简单访问函数 ：如 getter、size()、empty() 等不执行复杂操作、仅返回内部状态的函数。
承诺不抛出的函数：如果你能 100% 确定函数及其调用的所有子函数都不会抛出异常。

5. 何时不应该使用 noexcept？

函数可能抛出异常 ：如果函数内部调用了可能抛出异常的操作（如动态内存分配、文件 I/O、网络请求），且没有妥善处理，则不应标记 noexcept。
虚函数 ：如果基类虚函数未声明 noexcept，则派生类重写版本也不能添加 noexcept（除非基类版本本身是 noexcept）。
无法确定的泛型代码 ：在模板中，除非使用 noexcept(noexcept(...)) 进行条件判断，否则不应轻易添加无条件 noexcept。

6. noexcept 与移动语义的紧密关系

这是 noexcept 最重要的应用场景之一。考虑 std::vector::push_back：当容量不足需要重新分配时，它需要将旧元素移动到新内存。如果元素的移动操作可能抛出异常，那么移动中途失败会导致旧状态被破坏，无法提供强异常保证。因此，std::vector 会检查移动构造函数是否标记为 noexcept：

如果是 noexcept，则使用移动，效率高且安全。
如果不是 noexcept，则使用拷贝，以保证强异常安全（即使拷贝抛出异常，原容器保持不变）。

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// 示例：noexcept 如何影响 vector 的行为
std::vector<MyType> v;
v.reserve(10);
// ... 添加元素至容量满
v.push_back(MyType{}); // 此处可能触发重分配
// 如果 MyType 的移动构造函数是 noexcept，则移动；否则拷贝。

7. 条件 noexcept

对于模板函数或依赖于模板参数的函数，可以使用条件 noexcept 来声明异常规范。

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template<typename T>
void swap(T& a, T& b) noexcept(noexcept(a.swap(b))) {
    a.swap(b);
}

// 或者使用 std::is_nothrow_swappable
template<typename T>
void my_swap(T& a, T& b) noexcept(std::is_nothrow_swappable<T>::value) {
    using std::swap;
    swap(a, b);
}

条件 noexcept 在编写泛型库时尤其重要，它允许你根据类型特性来提供最优的异常保证。

8. 检测 noexcept 与 noexcept 运算符

C++11 引入了 noexcept 运算符，它是一个编译期布尔常量表达式，用于检查表达式是否可能抛出异常。

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bool b1 = noexcept(foo()); // 检查 foo() 是否声明为 noexcept
bool b2 = noexcept(T().swap(T())); // 检查 T 的 swap 操作是否 noexcept

// 常用于条件 noexcept 声明中
template<typename T>
void func(T& t) noexcept(noexcept(t.some_operation())) {
    t.some_operation();
}

此外，std::is_nothrow_constructible、std::is_nothrow_move_constructible 等类型特性也可用于编译期检测。

9. 实践建议与总结

默认不添加 ：除非你能确信函数不会抛出异常，否则不要轻易添加 noexcept。错误的 noexcept 比没有更危险。
移动操作优先 ：为移动构造函数和移动赋值运算符添加 noexcept，这是提升标准容器性能的关键。
析构函数保持默认 ：不要为析构函数指定 noexcept(false)。
关注标准库兼容性 ：如果你编写的类型可能被用于标准容器，请确保其移动操作是 noexcept 的。
使用条件 noexcept 编写泛型代码 ：在模板中，使用 noexcept(noexcept(...)) 来传播异常规范。
noexcept 是接口的一部分 ：一旦声明，就成为 API 契约，后续移除 noexcept 可能破坏用户代码。

遵循"如果函数不抛出异常，请使用 noexcept"这一条款，不仅能提升代码性能，还能使接口意图更加清晰，是现代 C++ 高效编程的重要实践。