面试题：C++ assert()对程序性能及错误处理的深度影响

Question

假设你正在维护一个大型的C++项目，其中广泛使用了`assert()`来确保程序的正确性。现在需要对程序进行性能优化，在这个过程中`assert()`可能会带来哪些潜在的性能问题？如何在不影响程序健壮性的前提下，尽可能减少`assert()`对性能的影响？另外，如果程序因为`assert()`触发而终止，怎样更好地收集错误信息以便于后续调试？

Answer 1

assert()可能带来的潜在性能问题

1. 运行时开销：assert()在运行时会对条件进行判断。在大型项目中，如果频繁执行assert()语句，每次判断都会消耗一定的CPU时间，尤其是在性能敏感的代码路径上，这可能会导致可测量的性能下降。
2. 增加代码体积：assert()语句的存在会增加目标二进制文件的大小。对于内存受限的系统或者对二进制文件大小有严格要求的场景，这可能成为一个问题。

减少assert()对性能影响的方法

1. 使用NDEBUG宏：在发布版本中，可以通过定义NDEBUG宏来禁用assert()。在编译时加入-DNDEBUG选项（对于GCC编译器），这样在发布版本中所有assert()语句都会被忽略，不会产生运行时开销。例如：

#include <cassert>
int main() {
    int a = 10;
    assert(a > 5);
    // 在定义了NDEBUG的情况下，上面这行assert代码不会被编译进去
    return 0;
}

2. 条件编译：可以手动使用条件编译来根据不同的构建配置控制assert()的行为。例如：

#ifdef _DEBUG
#define MY_ASSERT(x) assert(x)
#else
#define MY_ASSERT(x) ((void)0)
#endif

int main() {
    int a = 10;
    MY_ASSERT(a > 5);
    return 0;
}

这样在_DEBUG定义时（通常用于调试版本），MY_ASSERT会展开为assert()，而在发布版本（未定义_DEBUG）时，MY_ASSERT会被替换为一个空操作。

收集错误信息以便后续调试

1. 自定义断言宏：可以定义一个自定义的断言宏，在断言失败时输出更详细的错误信息。例如：

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <string>

#define MY_ASSERT(expr, msg) \
    if (!(expr)) { \
        std::cerr << "Assertion failed: " << #expr << " - " << msg << " at file " << __FILE__ << " line " << __LINE__ << std::endl; \
        std::abort(); \
    }

int main() {
    int a = 10;
    MY_ASSERT(a > 15, "a should be greater than 15 for this operation");
    return 0;
}

这个宏会输出断言的表达式、自定义的错误信息、发生断言失败的文件名和行号，便于定位问题。 2. 日志记录：在断言失败时，可以使用日志库来记录错误信息。例如使用spdlog库：

#include <spdlog/spdlog.h>
#include <cassert>

#define MY_ASSERT(expr) \
    if (!(expr)) { \
        spdlog::error("Assertion failed: {} at file {} line {}", #expr, __FILE__, __LINE__); \
        std::abort(); \
    }

int main() {
    int a = 10;
    MY_ASSERT(a > 15);
    return 0;
}

spdlog可以方便地将错误信息记录到文件或者控制台，并且支持更丰富的日志格式化和配置选项，有助于调试。