深入分析 C++ 錯(cuò)誤處理：哪種策略的性能最強(qiáng)？

C語言與CPP編程

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在 C++ 開發(fā)中，錯(cuò)誤處理是一個(gè)至關(guān)重要的組成部分。不同的錯(cuò)誤處理策略不僅會影響代碼的可讀性和可維護(hù)性，還會對應(yīng)用程序的性能產(chǎn)生重大影響。為了深入了解各種錯(cuò)誤處理技術(shù)在性能上的差異，本文作者進(jìn)行了基準(zhǔn)測試。本次測試旨在提供清晰的性能洞察，幫助開發(fā)者在實(shí)際應(yīng)用中選擇最合適的錯(cuò)誤處理方法。
原文鏈接：https://johnfarrier.com/c-error-handling-strategies-benchmarks-and-performance/
錯(cuò)誤處理是許多 C++ 應(yīng)用程序中的關(guān)鍵部分，我們也有許多策略可以用來處理錯(cuò)誤。最近，我想更好地了解 C++ 中各種錯(cuò)誤處理技術(shù)對性能的影響。
1、C++ 錯(cuò)誤處理實(shí)驗(yàn)設(shè)置我決定對不同的技術(shù)進(jìn)行基準(zhǔn)測試，看看它們的性能如何。為此，我使用了 Celero C++ 微基準(zhǔn)測試庫，以此清楚地了解每種方法的性能。
例如，std::expected 在可讀性和可維護(hù)性方面有很多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)考慮它的性能特征也很重要。通常，std::expected 比 exception（異常）更有效，因?yàn)樗�避免了堆棧展開的開銷，而這在性能關(guān)鍵型應(yīng)用程序中可能非常重要。
我構(gòu)建了一個(gè)基準(zhǔn)測試來比較以下 C++ 錯(cuò)誤處理策略：
● 使用返回 true/false 表示成功/失�。˙aseline）
● 使用錯(cuò)誤代碼（Error Code）返回值
● 使用 std::expected
● 使用 std::optional
● 使用 std::variant
● 使用 Callback
● 使用 std::exception
該 C++ 錯(cuò)誤處理基準(zhǔn)測試是用 Celero C++ 微基準(zhǔn)測試庫構(gòu)建的。關(guān)于 C++ 錯(cuò)誤處理基準(zhǔn)測試的具體代碼可查看：https://github.com/DigitalInBlue/celeroErrorHandlingBenchmark。
2、錯(cuò)誤處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果以下是原始輸出結(jié)果：

為簡化起見，以下是這些技術(shù)相對性能的精簡版本：

在基線（Baseline） 歸一化性能的情況下，使用 std::expected 慢約 2.1 倍。
3、性能比較排除 std::exception 后，C++ 錯(cuò)誤處理基準(zhǔn)測試結(jié)果表明，各種錯(cuò)誤處理技術(shù)在性能上存在顯著差異：

● Baseline（基線） ：基線方法是返回 true 或 false，是最快的技術(shù)，平均每次迭代耗時(shí) 0.00324 微秒。
● std::expected：使用 std::expected 比基線慢約 2.18 倍，平均每次迭代耗時(shí) 0.00707 微秒。
● Error Code（錯(cuò)誤代碼）：使用 Error Code 幾乎與基線一樣快，平均每次迭代耗時(shí) 0.00329 微秒。
● Optional：使用 std::optional 較慢，平均每次迭代耗時(shí) 0.00578 微秒，比基線慢約 1.78 倍。
● Variant：使用 std::variant 是非異常技術(shù)中最慢的，平均每次迭代耗時(shí) 0.00919 微秒，比基線慢約 2.83 倍。
● Error Callback（錯(cuò)誤回調(diào)）：使用 Error Callback 對性能影響的中等，平均每次迭代耗時(shí) 0.00429 微秒，比基線慢約 1.32 倍。
● Exception（異常）：使用 std::exception 明顯比所有其他技術(shù)都慢，平均每次迭代耗時(shí) 160.59420 微秒，比基線慢約 49,540 倍。
4、詳細(xì)分析和意見（1）可讀性與性能之間的權(quán)衡：
雖然 std::expected 和類似結(jié)構(gòu)（如 std::optional，std::variant）提供了更具可讀性和可維護(hù)性的代碼，但同時(shí)也帶來了相應(yīng)的性能成本。在可讀性和可維護(hù)性至關(guān)重要、而對性能要求不高的應(yīng)用程序中，這些結(jié)構(gòu)具有優(yōu)勢；然而，在對性能要求較高的應(yīng)用程序中，可能更偏向于使用簡單的錯(cuò)誤處理方法。
通常情況下，我們建議在整個(gè)應(yīng)用程序中選擇一種錯(cuò)誤處理方法，但有時(shí)可能也需要一種“默認(rèn)”的錯(cuò)誤處理方式（如使用 std::expected）和一種在特定情況下使用的“高性能”替代方案。
（2）不同情況下的錯(cuò)誤處理策略：
高性能系統(tǒng)：對于需要高性能的系統(tǒng)，如實(shí)時(shí)系統(tǒng)或高頻交易平臺，應(yīng)首選開銷最小的錯(cuò)誤處理技術(shù)，如返回代碼或錯(cuò)誤回調(diào)。
現(xiàn)代 C++ 應(yīng)用程序：受益于現(xiàn)代 C++ 范式且對性能要求不太高的應(yīng)用程序，可以用 std::expected 和 std::optional 獲得更好的代碼表達(dá)能力。
（3）Exception（異常）的影響：
異常帶來的巨大開銷（比基線慢 49,540 倍）凸顯了為何在性能關(guān)鍵的代碼中避免使用異常的原因。異常處理期間的堆棧展開過程會導(dǎo)致相當(dāng)大的延遲。不過，異常對于處理應(yīng)用程序中對性能要求較低部分的意外或罕見錯(cuò)誤情況非常有用。
（4）基準(zhǔn)環(huán)境和條件：
需要注意的是，基準(zhǔn)測試可能會受到運(yùn)行環(huán)境的影響（例如，CPU，編譯器優(yōu)化等）。本文提供的結(jié)果是針對特定基準(zhǔn)條件下的結(jié)果，應(yīng)根據(jù)你的具體應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。
（5）內(nèi)存使用注意事項(xiàng)：
雖然運(yùn)行時(shí)性能至關(guān)重要，但內(nèi)存使用也是一個(gè)重要因素�；鶞�(zhǔn)測試結(jié)果表明，大多數(shù)技術(shù)（不包括例外情況）的內(nèi)存使用情況相似，這說明錯(cuò)誤處理方法的選擇對內(nèi)存占用的影響可能微乎其微。
（6）可組合性和集成性：
std::expected 和 std::optional 與其他現(xiàn)代 C++ 特性集成得很好，可能會簡化復(fù)雜的錯(cuò)誤傳播場景。
5、關(guān)于 C++ 錯(cuò)誤處理的建議根據(jù)基準(zhǔn)測試結(jié)果，C++ 錯(cuò)誤處理技術(shù)的選擇應(yīng)由應(yīng)用程序的具體需求決定。以下是一些建議：
● 性能關(guān)鍵型應(yīng)用：使用簡單的錯(cuò)誤處理方法，如返回代碼或錯(cuò)誤回調(diào)，盡量減少開銷。
● 現(xiàn)代、可維護(hù)的代碼：使用 std::expected 或 std::optional 以提高代碼的清晰度和可維護(hù)性，尤其是在可以接受輕度性能開銷的情況下。
● 異常處理：將異常保留給意外或不常發(fā)生的錯(cuò)誤，因需要全面的錯(cuò)誤信息，所以巨大的開銷也算合理。
這些 C++ 錯(cuò)誤處理基準(zhǔn)測試強(qiáng)調(diào)了根據(jù)應(yīng)用程序的性能需求選擇正確錯(cuò)誤處理技術(shù)的重要性。盡管 std::expected 和其他現(xiàn)代 C++ 特性提供了更好的可讀性和可維護(hù)性，但它們對性能的影響也不容忽視，尤其是在對性能要求極高的應(yīng)用程序中。
本文轉(zhuǎn)自公眾號“CSDN”，ID：CSDNnews——EOF——你好，我是飛宇。日常分享C/C++、計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、工作體會，歡迎點(diǎn)擊此處查看我以前的學(xué)習(xí)筆記&經(jīng)驗(yàn)&分享的資源。
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