C++ 异常机制

C++ 异常机制

一、函数的栈结构

在C++中的函数调用中，是用栈来存放其中数据对象。

 

表1.1

 

我们结合这张表，来简单介绍函数的栈结构。

其中每一个函数在入栈的时候，编译器会自动添加额外的数据结构，这里的EXCEPTION_REGISTRATION就是被额外添加进来的。对于这个结构体我们稍后解释，首先来介绍函数的基本结构。

从这张图中可以清楚的看到，在函数的栈结构中，会存放的是函数的参数和局部变量，这些对象在函数结束的时候都会被析构掉，在之后会介绍这一个清理的过程。

我们还注意到每一个函数都有一个ESP，这个ESP可以被认为一个分界，下一个函数可以这之后开始存放它的数据对象。（这里是栈，我们的顺序是从下至上）

 

接下我们来介绍EXCEPTION_REGISTRATION这个结构体

 

表1.2

第一个成员中有一个EBP。这个EBP是用来标识当前的栈活动帧，简单来说就是指明当前我们在执行哪一个函数。

所以Caller’s EBP可以帮我们去找到调用函数。

第二个成员id表明函数的执行状态和进度。这一个id在栈回退和异常捕获中都扮演至关重要的角色，我会在之后联系C++的栈回退机制进行详细的介绍。

第三个成员Handler，它的工作便是将当前函数的信息funinfo传给__CxxFrameHandler，然后由它全权处理异常。处理的过程会在之后做介绍。

第四个成员Prev，可以通过Prev找到上一层的异常处理，比如这里Fun2的EXCEPTION_REGISTRATION中的prev便是指向fun1的EXCEPTION_REGISTRATION。

这里还有一个FS:[0]。EXCEPTION_REGISTRATION中的prev将栈中的EXCEPTION_REGISTRATION连成了一个链表，这里我就暂时就叫它异常处理链。而FS:[0]就保存了这个链表的第一个节点。当一个异常抛出的时候，便可以通过它来找到第一个异常处理。

二、异常的抛出

Throw Exception();

上面这个抛出异常的语句。编译器会对它做一定的处理，变成如下：

E e = E(); //create exception on the stack
_CxxThrowException(&e, E_EXCPT_INFO_ADDR);

其中主要是将异常对象e传给_CxxThrowException，并保存待抛出异常对象的起始地址、用于销毁它的析构函数，以及它的 type_info 信息。

然后通过FS:[0]调用到了异常处理EXCEPTION_REGISTRATION中的hanlder进行了处理。

三、栈回退机制

首先来介绍一个非常重要的机制，栈回退机制

先来看一下一个具体的例子。

void fun(BOOL b)
{  
    try
    {
        ClassA obj1,obj2;
        if(b)
        {
            ClassB obj3;
        }
        ClassB obj4;
……
    }
    catch(CException* e)
    {
    }
}

这里编译器在编译这段代码的时候，会做一定的处理，下面便是处理过后的代码

void fun(BOOL b)
{
    id = 0;
    try
    {
        id = 1;//try代码段开始
        ClassA obj1,obj2;
        obj1.ClassA(); id = 2;
        obj2.ClassA(); id = 3;
        if(b)
        {
            ClassB obj3;
            obj3.ClassB(); id = 4;
            obj3.~ClassB(); id = 5;
        }
        ClassB obj4;
        obj4.ClassB(); id = 6;
 
……
        obj4.~ClassB();
        id = 7; //try代码段结束
    }
    catch(CException* e)
    {
    }
}

在每一个函数中都会有一个回退表，里面存放了如何帮助栈回退的信息

我们把上面的函数的回退表大致列出来

 表3.1

对于这张表稍作解释

第一列id便是函数中执行到了第几步；

第二列iNextId是为了执行完表格中当前行析构后，找到下一行的执行行；

第三列pFunDestory存放了析构函数指针，通过第四列的pObj机上EBP便可以交由析构函数处理。

当然如果在执行到id = 6后抛出了异常，那么当前的id便是6 我们就去回退表中找id = 6的行，开始执行。一直执行到iNextId = -1 停止。

如果一个构造函数抛出了异常了，那么按照C++的异常机制是不会执行到它的析构函数的。就以上面这个例子，比如obj2在构造的时候抛出了异常了，那么按照前面讨论的，异常处理机制清理对象，那么这个时候id还只是2，按照上面的unwind_table中的顺序，析构完obj1后便会结束了，obj2就永远不会析构掉。

四、异常的捕获

我们会向第一节讲到函数的栈结构中，有提到一个funinfo这个结构中保存了当前函数的信息。

表4.1 

其中unwind_table便是上一节讲到的回退表。tryblock_table便是这里异常捕获的关键。

表4.2 

这个结构便是tryblock_table。

这里Start_id 便是try代码段开始，在上一节的例子中Start_id便是1；而End_id便是7。

图4.1

结合图4.1，我们来了解这个流程。当抛出异常的时候，系统会将异常传给_CxxThrowException（回忆第二节中的异常抛出介绍）。

接着系统通过FS:[0]找到异常链的头，从而获得EXCEPTION_REGISTRATION中的id（联系第三节中栈回退机制，这个id标识当前函数执行到了第几步）。

然后在当前函数的funinfo中的tryblock_table中判断id是否落在了Start_id和End_id之间（包括id = Start_id 和 id = End_id这两种情况）：

（1）如果id落在了try的范围内：

这个时候我们就要去判断，当前我们抛出的异常和catch中的参数是否一个类型的。

这里我们会用到C++的一个RTTI(run time type identification)机制，这样就可以进行判断了：

如果抛出异常符合catch的要求，就进入catch，进行异常处理，包括函数对象的清理；如果抛出异常不符合catch的要求，就转向步骤(3)

（2）如果id不在try范围内，便转向步骤(3)

（3）返回ExceptionContinueSearch，我们就会通过EXCEPTION_REGISTRATION中的prev找到上一层的异常处理，交由它处理，转向步骤（1）。

上面的过程将会一直继续，直到抛出异常被catch住，或者系统已经走到了异常链的尾端。

 

上述的操作在__CxxFrameHandler中执行，回忆一下，第一节中介绍的EXCEPTION_REGISTRATION中handler，它做得处理便是将函数的信息funinfo交给了__CxxFrameHandler。

最后这里有两篇文章关于C++的异常机制：

How a C++ compiler implements exception handling

C++异常机制的实现方式和开销分析