C++ 异常原理：以一个小程序为例

2023-07-12 09:38 69 0

阿里妹导读

作者在调查某个 bug 时涉及到 C++ 异常，借此机会以本文把 C++ 异常机制梳理清楚供大家参考。

最近我们在调查某个 bug 涉及到 C++ 异常。平时较少用 C++ 异常，借此机会把 C++ 异常机制梳理清楚。互联网上现有的资料不多，大多过于深奥。因此写下这篇文档备忘。

C++ 异常的实现机制有 SJLJ、Dwarf CFI、EHABI。具体选择哪种实现和操作系统及体系结构相关。它是 C++ ABI 的一部分。这里我们仅关注 Dwarf CFI，它是 Linux 在 x86_64 和 arm64 上的默认实现。

完整的 C++ 异常机制需要编译器生成的代码、C++ 运行时（libstdc++ 或 libc++）、unwind 库分工协作完成。本文为了描述浅显易懂，并不区分它们三者。

测试程序

我们从下面的小程序出发，分析 C++ 异常的实现原理。这个程序演示了几个关键点：

1.f() 分配异常对象并抛出来；

2.向上回溯栈帧，沿途析构 g() 栈上的对象；

3.main() 匹配到 catch 语句，处理异常。

#include <stdio.h>struct A {    A() { printf("A\n"); }    ~A() { printf("~A\n"); }};struct E {    E() { printf("E\n"); }    ~E() { printf("~E\n"); }};void f(){    throw E();}void g(){    A a;    f();}int main(){    try {        g();    } catch (int n) {        printf("catch int %d\n", n);    } catch (const E& e) {        printf("catch E %p\n", &e);    }    return 0;}

抛出异常

为了方便描述，我们下面以 C 语法描述编译器为异常生成的代码。（小技巧：在 CompilerExplorer 网站能看到各种编译器生成的汇编代码。）

让我们先看抛异常的 f() 函数。它抛出了类型为 E 的异常，除此以外没有其它功能。

void f(){    // throw E();    E* e = __cxa_allocate_exception(sizeof(struct E));  // 从堆上分配异常对象    e->E();                 // 构造异常对象    __cxa_throw(            // 抛异常        e,                  // 异常对象        &typeid(struct E),  // 异常对象的类型，这是编译时生成的静态对象        &E::~E);            // 异常对象的析构函数}

这些 __cxa 开头的函数是由 C++ 运行时库提供的。

__cxa_allocate_exception() 从堆上分配异常对象和其它内部数据结构。

__cxa_throw() 会向上回溯栈帧，依次回溯到 g() 和 main()。

传播异常

我们再来看 g()。g() 没有 catch 语句，异常会继续向上传播。但是在此之前还有一个栈上对象 a，因此回溯栈桢时需要在此停留，以析构 a 对象。

这里引出一个概念：着陆场（landing pad）。下面代码中第 9~10 行是 f() 正常返回的执行路径。若 f() 抛异常，则会跳转到第 15 行。这里称为着陆场。这里第 15 行析构了a 对象，第 16 行继续向上回溯到 main()。

void g() {    // A a;    A a;    // 在栈上分配 a 对象    a.A();  // 构造 a 对象        // f();    f();    // 调用 f()    a.~A(); // f() 正常返回走到这里    goto end_of_catch;       // f() 抛异常跳转到这里。    // 尽管 g() 没有 catch，但是 a 需要析构，因此也有着落场。    // 此时 rax 指向异常对象头，rdx 表示匹配的动作。    a.~A();       // 析构 a 对象    _Unwind_Resume(e);  // 没有匹配的 catch，继续回溯栈帧
end_of_catch:    return;}

捕获异常

最后来看 main()。main() 中有 catch 语句，第二个 catch 语句匹捕获到 E 类型的异常。

int main(){    // try {    //    g();    // }    g();  // 调用 g()          // 如果 try { ... } 在 g() 后面还有其它代码，会放在这里    goto end_of_catch;  // g() 正常返回走到这里       // 这里是 throw 的着陆场。    // $rax 指向异常对象。    // $rdx 表示动作：    // 0 表示不 catch，继续向上回溯栈帧；    // 1 表示匹配第一个 catch；    // 2 表示匹配第二个 catch。    void *p = rax;    int action = rdx;        // 如果 try { ... } 有对象需要析构，在这里析构。    // 下面我们开始匹配 catch 了。        // catch (int n) {    //     printf("catch int %d\n", n);    // }    if (action == 1) {        n = *(int *) e;        printf("catch int %d\n", n);        goto end_of_catch;    }        // catch (const E& e) {    //     printf("catch E\n");    // }    if (action == 2) {        E *e = __cxa_begin_catch(p);        printf("catch E %p\n", e);        __cxa_end_catch();  // 内部析构 e 对象        goto end_of_catch;    }        _Unwind_Resume(p);  // 如果没有匹配的 catch，继续回溯栈帧。end_of_catch:    return 0;}

其它细节

前面埋了个包袱：__cxa_throw() 是回溯栈帧和找到着陆场呢？已知 PC 指针位置，这些信息编译时确定的。编译时产生 .eh_frame 和 .gcc_except_table 段，运行时借助这两张表可以找到上层栈帧和着陆场的位置。详细的描述过于复杂，请参考本文末尾的链接。

找到着陆场后，在运行时依次根据捕获的异常类型来匹配 catch 语句，这里用到了 C++ RTTI 信息。若匹配不到合适的 catch 语句，则继续向上回溯栈帧传播异常。

参考资料：

1、Itanium C++ ABI: Exception Handling：https://itanium-cxx-abi.github.io/cxx-abi/abi-eh.html

2、Exception Handling ABI for the Arm Architecture：https://github.com/ARM-software/abi-aa/blob/844a79fd4c77252a11342709e3b27b2c9f590cf1/ehabi32/ehabi32.rst

3、libunwind LLVM Unwinder：https://github.com/llvm/llvm-project/blob/main/libunwind/docs/index.rst

4、Linux 栈回溯（x86_64）：https://zhuanlan.zhihu.com/p/302726082

5、.eh_frame：https://www.airs.com/blog/archives/460

6、.gcc_except_table：https://www.airs.com/blog/archives/464

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