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C++の例外処理：std::exception_ptrとstd::rethrow_exceptionの使い方徹底解説

C++

C++の例外処理は、プログラムの健全性を保つために重要な技術です。その中でも、std::exception_ptrとstd::rethrow_exceptionは高度な例外処理を可能にする強力なツールです。本記事では、これらの機能の基本的な使い方から、応用的な使用法までを詳しく解説します。特に、マルチスレッド環境での例外処理においてどのようにこれらを活用するかについても触れます。

目次

std::exception_ptrとは？

std::exception_ptrは、C++11で導入された型で、例外オブジェクトを安全に格納し、再スローできる機能を提供します。この型は、std::current_exception関数によって現在の例外を取得し、例外オブジェクトをポインタとして保持することができます。

基本的な使用方法

std::exception_ptrを使用する基本的な手順は以下の通りです。

  1. 例外が発生したときにstd::current_exceptionを使って例外ポインタを取得します。
  2. 必要に応じて、この例外ポインタを他のスレッドや関数に渡すことができます。
  3. std::rethrow_exceptionを使って、保持していた例外を再スローします。
#include <iostream>
#include <exception>

void handle_exception(std::exception_ptr eptr) {
    try {
        if (eptr) {
            std::rethrow_exception(eptr);
        }
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cout << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::exception_ptr eptr;

    try {
        throw std::runtime_error("Example exception");
    } catch (...) {
        eptr = std::current_exception();
    }

    handle_exception(eptr);
    return 0;
}

このコードでは、例外が発生したときにstd::current_exceptionを使って例外を取得し、handle_exception関数でstd::rethrow_exceptionを使って再スローしています。これにより、例外のキャッチと処理が別の場所で行われることになります。

std::rethrow_exceptionとは？

std::rethrow_exceptionは、std::exception_ptrによって保持された例外を再スローするための関数です。この関数を使用することで、例外の再スローが可能になり、例外処理の流れを柔軟に制御することができます。

基本的な使用方法

std::rethrow_exceptionを使用する際の手順は以下の通りです。

  1. std::exception_ptr型の変数に、例外を保持します。
  2. 必要に応じて、この例外ポインタを渡します。
  3. std::rethrow_exceptionを使って、保持された例外を再スローします。
#include <iostream>
#include <exception>
#include <stdexcept>

void function_that_throws() {
    throw std::runtime_error("Error in function");
}

void handle_exception(std::exception_ptr eptr) {
    try {
        if (eptr) {
            std::rethrow_exception(eptr);
        }
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cout << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::exception_ptr eptr;

    try {
        function_that_throws();
    } catch (...) {
        eptr = std::current_exception();
    }

    handle_exception(eptr);
    return 0;
}

このコード例では、function_that_throws関数内で例外が発生し、それをstd::current_exceptionでキャッチしてstd::exception_ptrに保存しています。その後、handle_exception関数でstd::rethrow_exceptionを使って例外を再スローし、キャッチして処理しています。これにより、例外の発生場所と処理場所を分けることができます。

std::exception_ptrの使用例

ここでは、std::exception_ptrの具体的な使用例を紹介します。この例では、例外を一度キャッチし、後で再スローするためにstd::exception_ptrを利用します。

コード例

以下のコードは、例外をstd::exception_ptrに保存し、後で再スローして処理する方法を示しています。

#include <iostream>
#include <exception>
#include <stdexcept>

void do_something() {
    throw std::runtime_error("Something went wrong");
}

void process() {
    std::exception_ptr eptr;

    try {
        do_something();
    } catch (...) {
        eptr = std::current_exception(); // 例外をキャッチして保存
    }

    if (eptr) {
        try {
            std::rethrow_exception(eptr); // 例外を再スロー
        } catch (const std::exception& e) {
            std::cout << "Exception caught: " << e.what() << std::endl;
        }
    }
}

int main() {
    process();
    return 0;
}

詳細な説明

  1. do_something関数内で、std::runtime_errorがスローされます。
  2. process関数内で、例外がキャッチされ、std::current_exceptionを使用して例外ポインタ（eptr）に保存されます。
  3. eptrが有効な場合、std::rethrow_exceptionを使って例外が再スローされ、catchブロックで再度捕捉されます。

この方法により、例外を一度キャッチしてから異なる場所やタイミングで処理することが可能になります。特に、複雑な制御フローやマルチスレッド環境で役立ちます。

std::rethrow_exceptionの使用例

ここでは、std::rethrow_exceptionの具体的な使用例を紹介します。この例では、例外をstd::exception_ptrで保持し、後で再スローして処理する方法を示します。

コード例

以下のコードは、例外をキャッチしてstd::exception_ptrに保存し、再スローしてから処理する方法を示しています。

#include <iostream>
#include <exception>
#include <stdexcept>
#include <thread>
#include <vector>

void worker(std::exception_ptr& eptr) {
    try {
        throw std::runtime_error("Error in worker thread");
    } catch (...) {
        eptr = std::current_exception(); // 例外をキャッチして保存
    }
}

void handle_exception(std::exception_ptr eptr) {
    try {
        if (eptr) {
            std::rethrow_exception(eptr); // 例外を再スロー
        }
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cout << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::exception_ptr eptr;

    std::thread t(worker, std::ref(eptr));
    t.join();

    handle_exception(eptr);
    return 0;
}

詳細な説明

  1. worker関数内で、例外がスローされます。
  2. worker関数内で例外がキャッチされ、std::current_exceptionを使用して例外ポインタ（eptr）に保存されます。
  3. メインスレッドで、std::rethrow_exceptionを使って例外が再スローされ、catchブロックで再度捕捉されます。

この方法により、例外が発生したスレッドとは別のスレッドで例外を処理することが可能になります。これにより、マルチスレッド環境での例外処理が容易になります。

std::exception_ptrとstd::rethrow_exceptionを組み合わせた例外処理

std::exception_ptrとstd::rethrow_exceptionを組み合わせることで、例外をより柔軟に扱うことができます。ここでは、これらを組み合わせて効果的な例外処理を行う方法を示します。

コード例

以下のコードは、複数のスレッドで発生した例外をまとめて処理する例です。

#include <iostream>
#include <exception>
#include <stdexcept>
#include <thread>
#include <vector>

void worker(std::exception_ptr& eptr) {
    try {
        // ここで何らかの処理を行い、例外をスローする
        throw std::runtime_error("Error in worker thread");
    } catch (...) {
        eptr = std::current_exception(); // 例外をキャッチして保存
    }
}

void handle_exceptions(const std::vector<std::exception_ptr>& exceptions) {
    for (const auto& eptr : exceptions) {
        try {
            if (eptr) {
                std::rethrow_exception(eptr); // 例外を再スロー
            }
        } catch (const std::exception& e) {
            std::cout << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;
        }
    }
}

int main() {
    const int num_threads = 5;
    std::vector<std::exception_ptr> exceptions(num_threads);
    std::vector<std::thread> threads;

    for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
        threads.emplace_back(worker, std::ref(exceptions[i]));
    }

    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }

    handle_exceptions(exceptions);
    return 0;
}

詳細な説明

  1. 複数のスレッド（ここでは5つのスレッド）を作成し、それぞれで例外をスローします。
  2. 各スレッド内で例外をキャッチし、std::exception_ptrを使用して例外ポインタに保存します。
  3. メインスレッドで、すべてのスレッドが終了した後、各スレッドで発生した例外をstd::rethrow_exceptionを使って再スローし、まとめて処理します。

この方法により、複数のスレッドで発生した例外を一括して処理することが可能になります。マルチスレッド環境での例外処理が必要な場合に非常に有用です。

応用例：マルチスレッド環境での例外処理

マルチスレッド環境では、各スレッドで発生する例外を適切に処理することが重要です。std::exception_ptrとstd::rethrow_exceptionを使用することで、複数のスレッドから発生した例外を効率的に集約して処理することができます。

コード例

以下のコード例では、複数のスレッドが例外をスローし、それらをメインスレッドで集約して処理します。

#include <iostream>
#include <exception>
#include <stdexcept>
#include <thread>
#include <vector>

void worker(int id, std::exception_ptr& eptr) {
    try {
        if (id % 2 == 0) {
            throw std::runtime_error("Error in even worker thread: " + std::to_string(id));
        } else {
            throw std::logic_error("Error in odd worker thread: " + std::to_string(id));
        }
    } catch (...) {
        eptr = std::current_exception(); // 例外をキャッチして保存
    }
}

void handle_exceptions(const std::vector<std::exception_ptr>& exceptions) {
    for (const auto& eptr : exceptions) {
        try {
            if (eptr) {
                std::rethrow_exception(eptr); // 例外を再スロー
            }
        } catch (const std::exception& e) {
            std::cout << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;
        }
    }
}

int main() {
    const int num_threads = 10;
    std::vector<std::exception_ptr> exceptions(num_threads);
    std::vector<std::thread> threads;

    for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
        threads.emplace_back(worker, i, std::ref(exceptions[i]));
    }

    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }

    handle_exceptions(exceptions);
    return 0;
}

詳細な説明

  1. 10個のスレッドを作成し、偶数スレッドではstd::runtime_error、奇数スレッドではstd::logic_errorをスローします。
  2. 各スレッド内で例外をキャッチし、std::exception_ptrを使用して例外ポインタに保存します。
  3. メインスレッドで、すべてのスレッドが終了した後、各スレッドで発生した例外をstd::rethrow_exceptionを使って再スローし、まとめて処理します。

この方法の利点

  • 複数のスレッドで発生した例外を一元管理できる。
  • 例外の種類に応じた適切な処理を実装できる。
  • 各スレッドが独立して例外を処理するため、スレッドの独立性が保たれる。

このようにして、マルチスレッド環境における例外処理を効果的に行うことができます。

ベストプラクティス

std::exception_ptrとstd::rethrow_exceptionを効果的に使用するためのベストプラクティスを以下に示します。これらのガイドラインに従うことで、例外処理の健全性とコードの可読性を向上させることができます。

1. 例外を捕捉してすぐに保存する

例外が発生したら、可能な限り早くstd::exception_ptrを使って例外を保存することが重要です。これにより、例外情報が失われるリスクを最小限に抑えられます。

try {
    // 例外が発生する可能性のあるコード
} catch (...) {
    eptr = std::current_exception(); // 例外をすぐに保存
}

2. 例外処理を適切な場所で行う

例外を捕捉する場所と処理する場所を分けることで、コードの可読性とメンテナンス性を向上させることができます。例外を処理する場所でstd::rethrow_exceptionを使用します。

void handle_exceptions(const std::vector<std::exception_ptr>& exceptions) {
    for (const auto& eptr : exceptions) {
        try {
            if (eptr) {
                std::rethrow_exception(eptr); // 例外を再スロー
            }
        } catch (const std::exception& e) {
            std::cout << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;
        }
    }
}

3. 例外ポインタをスレッド間で安全に共有する

マルチスレッド環境では、例外ポインタを安全に共有するために適切な同期機構を使用します。std::mutexやstd::lock_guardを利用して、例外ポインタの競合状態を防ぎます。

#include <mutex>

std::mutex mtx;
std::exception_ptr eptr;

void worker() {
    try {
        // 例外が発生する可能性のあるコード
    } catch (...) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        eptr = std::current_exception(); // 例外をスレッド間で安全に保存
    }
}

4. 詳細な例外メッセージを提供する

例外処理時には、できるだけ詳細なメッセージを提供することで、デバッグやトラブルシューティングが容易になります。例外メッセージには、発生場所や原因を含めるようにします。

try {
    // 例外が発生する可能性のあるコード
} catch (const std::exception& e) {
    std::cerr << "Exception caught in worker: " << e.what() << std::endl;
}

5. 必要に応じてカスタム例外クラスを使用する

標準の例外クラスでは対応できない場合、カスタム例外クラスを作成して使用することも考慮します。これにより、特定のエラー状況に対してより詳細な情報を提供できます。

class CustomException : public std::exception {
public:
    CustomException(const std::string& message) : msg(message) {}
    const char* what() const noexcept override {
        return msg.c_str();
    }
private:
    std::string msg;
};

これらのベストプラクティスに従うことで、C++の例外処理をより効果的かつ効率的に行うことができます。

よくある間違いとその対策

std::exception_ptrとstd::rethrow_exceptionを使用する際には、いくつかのよくある間違いがあります。これらの間違いを避けるための対策を以下に示します。

1. 例外ポインタの未初期化

std::exception_ptrを使用する際に、例外ポインタが初期化されていない状態でアクセスすると、プログラムがクラッシュする可能性があります。

間違いの例

std::exception_ptr eptr;
std::rethrow_exception(eptr); // 未初期化の例外ポインタを再スロー

対策

例外ポインタが有効かどうかをチェックしてから再スローします。

if (eptr) {
    std::rethrow_exception(eptr);
}

2. 例外をキャッチしていない

例外をキャッチせずに処理を進めると、例外が適切に処理されずにプログラムが異常終了することがあります。

間違いの例

try {
    // 例外が発生する可能性のあるコード
} // 例外キャッチがない

対策

try-catchブロックを適切に配置して、例外をキャッチします。

try {
    // 例外が発生する可能性のあるコード
} catch (...) {
    eptr = std::current_exception();
}

3. 例外ポインタのスレッド間競合

複数のスレッドで同じ例外ポインタにアクセスすると、データ競合が発生することがあります。

間違いの例

std::exception_ptr eptr;
std::thread t1(worker, std::ref(eptr));
std::thread t2(worker, std::ref(eptr));

対策

std::mutexを使用してスレッド間のアクセスを保護します。

std::mutex mtx;
std::exception_ptr eptr;

void worker() {
    try {
        // 例外が発生する可能性のあるコード
    } catch (...) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        eptr = std::current_exception();
    }
}

4. std::rethrow_exceptionの誤用

std::rethrow_exceptionを誤って使用すると、例外が適切に再スローされず、プログラムが異常終了することがあります。

間違いの例

std::rethrow_exception(nullptr); // 無効な例外ポインタを再スロー

対策

有効な例外ポインタかどうかを確認してから再スローします。

if (eptr) {
    std::rethrow_exception(eptr);
}

5. カスタム例外クラスの不適切な実装

カスタム例外クラスの実装が適切でないと、例外処理がうまく機能しないことがあります。

間違いの例

class CustomException : public std::exception {
    std::string msg;
};

対策

カスタム例外クラスに適切なコンストラクタとwhat()メソッドを実装します。

class CustomException : public std::exception {
public:
    CustomException(const std::string& message) : msg(message) {}
    const char* what() const noexcept override {
        return msg.c_str();
    }
private:
    std::string msg;
};

これらのよくある間違いを避けることで、std::exception_ptrとstd::rethrow_exceptionを効果的に利用し、信頼性の高い例外処理を実現できます。

演習問題

ここでは、std::exception_ptrとstd::rethrow_exceptionの理解を深めるための演習問題を提供します。以下の問題に取り組むことで、実際のコードにこれらの機能を適用する練習ができます。

問題1: 基本的な使用方法

以下のコードを完成させてください。関数do_somethingで例外が発生したときに、それをprocess関数で適切にキャッチして処理するコードを記述してください。

#include <iostream>
#include <exception>
#include <stdexcept>

void do_something() {
    // ここでstd::runtime_errorをスロー
}

void process() {
    std::exception_ptr eptr;

    try {
        do_something();
    } catch (...) {
        // 例外をeptrに保存
    }

    // eptrが有効なら再スローしてキャッチ
    try {
        if (eptr) {
            // 例外を再スロー
        }
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cout << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;
    }
}

int main() {
    process();
    return 0;
}

問題2: マルチスレッドでの例外処理

以下のコードを完成させてください。複数のスレッドで例外が発生したときに、それをメインスレッドで集約して処理するコードを記述してください。

#include <iostream>
#include <exception>
#include <stdexcept>
#include <thread>
#include <vector>

void worker(int id, std::exception_ptr& eptr) {
    try {
        if (id % 2 == 0) {
            throw std::runtime_error("Error in even worker thread: " + std::to_string(id));
        } else {
            throw std::logic_error("Error in odd worker thread: " + std::to_string(id));
        }
    } catch (...) {
        eptr = std::current_exception(); // 例外をキャッチして保存
    }
}

void handle_exceptions(const std::vector<std::exception_ptr>& exceptions) {
    for (const auto& eptr : exceptions) {
        try {
            if (eptr) {
                // 例外を再スローしてキャッチ
            }
        } catch (const std::exception& e) {
            std::cout << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;
        }
    }
}

int main() {
    const int num_threads = 10;
    std::vector<std::exception_ptr> exceptions(num_threads);
    std::vector<std::thread> threads;

    for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
        threads.emplace_back(worker, i, std::ref(exceptions[i]));
    }

    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }

    // 例外を集約して処理
    handle_exceptions(exceptions);
    return 0;
}

問題3: カスタム例外クラスの使用

以下のコードを完成させてください。カスタム例外クラスを定義し、それを使って例外をスローし、キャッチして処理するコードを記述してください。

#include <iostream>
#include <exception>

// カスタム例外クラスを定義
class CustomException : public std::exception {
public:
    CustomException(const std::string& message) : msg(message) {}
    const char* what() const noexcept override {
        return msg.c_str();
    }
private:
    std::string msg;
};

void do_something() {
    // ここでCustomExceptionをスロー
}

void process() {
    std::exception_ptr eptr;

    try {
        do_something();
    } catch (...) {
        eptr = std::current_exception(); // 例外をキャッチして保存
    }

    try {
        if (eptr) {
            // 例外を再スロー
        }
    } catch (const CustomException& e) {
        std::cout << "Caught custom exception: " << e.what() << std::endl;
    }
}

int main() {
    process();
    return 0;
}

これらの演習問題に取り組むことで、std::exception_ptrとstd::rethrow_exceptionの使い方を実践的に学び、理解を深めることができます。

まとめ

本記事では、C++の高度な例外処理において重要な役割を果たすstd::exception_ptrとstd::rethrow_exceptionについて詳しく解説しました。std::exception_ptrを使用することで、例外オブジェクトを安全に保存し、後で再スローすることが可能になります。また、std::rethrow_exceptionを使って例外を再スローすることで、例外処理の流れを柔軟に制御することができます。特に、マルチスレッド環境での例外処理においてこれらの機能は非常に有用です。

具体的なコード例やベストプラクティスを通じて、これらの機能を効果的に活用する方法を学びました。よくある間違いとその対策、演習問題を通じて、実践的な知識を身につけることができたでしょう。これらの知識を活用して、より堅牢でメンテナブルなC++の例外処理を実現してください。

C++
例外処理 マルチスレッド C++ std::rethrow_exception std::exception_ptr

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