C++ 异常原理:以一个小程序为例 - 阿里技术
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("An"); }
~A() { printf("~An"); }
};
struct E {
E() { printf("En"); }
~E() { printf("~En"); }
};
void f()
{
throw E();
}
void g()
{
A a;
f();
}
int main()
{
try {
g();
} catch (int n) {
printf("catch int %dn", n);
} catch (const E& e) {
printf("catch E %pn", &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 %dn", n);
// }
if (action == 1) {
n = *(int *) e;
printf("catch int %dn", n);
goto end_of_catch;
}
// catch (const E& e) {
// printf("catch En");
// }
if (action == 2) {
E *e = __cxa_begin_catch(p);
printf("catch E %pn", 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