面试题：C++自定义assert()行为及异常安全设计

Question

假设你需要在C++项目中自定义`assert()`的行为，不仅要在断言失败时输出错误信息，还要抛出一个自定义异常，并且保证整个过程的异常安全性。请设计并实现一个满足此要求的机制，说明如何与标准库及现有的C++代码进行无缝集成，同时分析在不同编译器优化设置下可能产生的影响。

Answer 1

1. 自定义 assert() 机制的设计与实现

1. 定义自定义异常类：

   #include <stdexcept>
   #include <iostream>
   
   class CustomAssertionFailure : public std::runtime_error {
   public:
       CustomAssertionFailure(const std::string& what_arg) : std::runtime_error(what_arg) {}
   };
   

2. 重新定义 assert() 宏：

   #ifndef NDEBUG
   #define assert(condition) \
       do { \
           if (!(condition)) { \
               std::cerr << "Assertion `" #condition "` failed at " << __FILE__ << ":" << __LINE__ << std::endl; \
               throw CustomAssertionFailure("Assertion failed"); \
           } \
       } while (0)
   #else
   #define assert(condition) ((void)0)
   #endif
   

2. 与标准库及现有C++代码的无缝集成

1. 与标准库集成：
   • 标准库中的 assert() 主要用于调试目的，并且在 NDEBUG 定义时会被忽略。我们重新定义的 assert() 宏遵循相同的规则。在使用标准库函数时，只要代码处于调试模式（NDEBUG 未定义），自定义的 assert() 就能捕获到标准库内部可能的断言失败情况，并按我们设定的方式处理。例如，如果标准库函数内部有类似 assert(pointer!= nullptr) 的检查，在调试模式下若 pointer 为 nullptr，就会触发我们自定义的断言行为。
   • 在发布模式（NDEBUG 定义）下，我们的 assert() 宏同样被忽略，不影响标准库的性能和行为。
2. 与现有C++代码集成：
   • 由于我们重新定义的 assert() 宏在语法上与标准的 assert() 宏兼容，现有C++代码中使用 assert() 的地方无需修改。当这些代码处于调试模式时，自定义的断言行为会生效，而在发布模式下，assert() 宏被忽略，代码继续正常运行。

3. 不同编译器优化设置下可能产生的影响

1. 优化级别与断言检查：
   • 低优化级别（如 -O0）：在低优化级别下，编译器不会对断言相关的代码进行大幅度优化。自定义的 assert() 宏会按预期工作，在断言失败时输出错误信息并抛出异常。由于低优化，调试信息更完整，有助于定位断言失败的位置。
   • 高优化级别（如 -O3）：高优化级别下，编译器可能会对代码进行大量优化，包括移除死代码。如果编译器能确定某个断言条件始终为真，它可能会移除整个断言检查代码。这意味着即使处于调试模式（NDEBUG 未定义），断言也可能不会被执行。例如，如果断言条件依赖于编译时常量，编译器可能在编译期就确定断言永远不会失败并移除相关代码。
2. 异常处理与优化：
   • 优化与异常处理的交互：编译器在优化时可能会对异常处理代码进行特殊处理。一些优化策略可能假设程序不会抛出异常，这可能会影响自定义断言抛出异常的行为。例如，编译器可能会使用非标准的调用约定来优化函数调用，这可能导致异常处理机制不能正常工作。为了避免这种情况，通常需要使用编译器特定的选项来保证异常安全性。例如，在GCC编译器中，可以使用 -fexceptions 选项来确保异常处理代码被正确生成和处理，即使在高优化级别下也能保证自定义断言抛出异常的机制正常工作。