c++异常机制分析

c++异常机制分析

本文主要参考《C++异常机制的实现方式和开销分析》

栈帧（stack frame）

栈帧这个概念在c/c++里面是一个很重要的，是走进反汇编，了解代码底层结构的第一大步。
栈帧是编译器实现函数调用过程的数据结构，编译器正是通过该结构，通过寄存器在栈空间存取数据实现了函数的调用。
另外c++的异常机制正是通过在栈桢内部添加相关数据结构来实现的，因此先了解栈帧这一概念就显得更为重要了。

图1 栈帧结构图

如图1左图显示的是简略的栈帧结构，可以看到栈内依次压入了：

• nArg1、nArg2，此为传入的形参（实参默认应从右至左入栈）；
• pRetAddr，该指针指向执行完该函数代码之后要返回的下一段代码的地址；
• Caller's EBP，该指针指向上一级栈帧的EBP（基底指针寄存器）地址，在该函数执行完之后将EBP地址重置。

最后则是函数内部的局部变量依次入栈，这些结构实现了：传参，函数跳转，回跳，栈控制等功能，更多的相关概念可以参考blog

c++异常处理机制

c++的异常处理，主要包括了栈回退（stack unwind）机制和异常捕获机制，通过在栈帧内的相关数据结构来实现。

数据结构

上右图是引入了异常处理之后的栈帧结构，可以看到加入了一个新的数据结构：

• piRrev，指向上一级异常的地址，实现异常向上抛出的功能，由此可见，该结构是一个单向链表；
• piHandler ，指向完成异常处理以上两个机制必须的数据结构；
• nStep，跟踪函数内部所有局部对象的构造和析构，每新生成一个新的对象就会自加1。

栈回退机制

在c++异常处理中，是没有finally:段的，但是依然能够自动实现触发异常后，对象得到正确析构，内存能够正确回收。依靠的就是该机制。

图2 栈回退表数据结构

该机制依靠的是piHandler 指向的EHDL结构体内的由UNWINDTBL结构体类型组成的数组，该类型结构体有三个成员如上图2。该数组包括函数内所有对象需要回退的相关信息，包括：

• nNextldx,下一个要执行析构的对象对应的数组下标；
• pfnDestroyer,要执行的析构函数；
• pObj,对应需要执行析构的对象的this指针。
  可以预见到，一旦发生异常，就会根据数组下标和所指的下一个需要执行析构的对象的下标nNextldx，实现自下而上地对所有UNWINDTBL结构体内对应的对象pObj执行对应析构函数pfnDestroyer。

异常捕获机制

这部分主要是介绍c++在catch到异常后如何执行对应代码。

图3 try表数据结构

在piHandler 指向的EHDL结构体内有另一个重要的TRYBLOCK结构体数组，里面存放则是该机制所需的数据。如上图3，该结构体内包括三个变量两个部分：

• nBeginStep、nEndStep，在本章开始介绍，，这两个整数则记录try段开始和结束时nStep的数值；
• tblCatchBlocks，该指针指向另一个结构体数组，保存所有catch块相关信息。
  • piType,异常类型。
  • pCatchBlockEntry,指向对应catch块代码的入口地址

当代码发生异常时，通过判断此时刻nStep的值是否在[nBeginStep,nEndStep)内来确定，该异常是否处在该try段内。如果是，则会进入tblCatchBlocks内寻找对应的对应的异常类型piType，并通过入口地址pCatchBlockEntry进入对应catch块内代码。