概述
本文不一定具有很好的说教性，仅作为自我学习的笔记。不妨可参阅国外大神博文C++ exceptions under the hood链接中包含了大量的例子。
偶有在对ELF做分析的时候看到如下图一些注释，部分关键字看不懂，比如什么FDE, unwind , __gxx_personality_v0,__cxa_end_catch ,__cxa_start_catch等是什么？
由于笔者在Android开发领域，因此偏向ARM下做实现，部分源码有时候会参阅AOSP或者linux版本。
操作系统环境如下：
站在编译器角度学习
Itanium曾提出了相关异常规范，在很多GUN编译器都遵循相关ABI规范，具体可参阅：
Itanium C++ ABI: Exception Handling ($Revision: 1.22 $)
其中有两个术语要进行同步：
landing pad：异常处理中会进行两个操作，其中一个是运行资源回收代码，另一个是异常捕获处理代码。这两个代码块我们称为landing pad。
personality routines:异常处理的核心函数，用于判断当前函数是否可以处理异常或者进行栈回溯操作(unwind)在我们c++中这个函数名字为 __gxx_personality_v0。
个人理解如下：
//mythrow.cpp
#include <stdio.h>class MyClass
{
public:~MyClass(){}
};
class MyFakeExeception{};
class MyFakeExeception2{};void testThrow(int param)
{if (param == 1){throw MyFakeExeception();}else if (param == 2){throw MyFakeExeception2();}
}void myCleanFun(void *p)
{printf("myCleanFun invoke \r\n");
}
void testCatch(int param)
{printf("testCatch start \r\n");try{MyClass __attribute__((cleanup(myCleanFun))) mypro;//...// do thing with mypro ;testThrow(param);}catch (const MyFakeExeception &e){printf("testCatch catch MyFakeExeception\r\n");}catch (const MyFakeExeception2 &e){printf("testCatch catch MyFakeExeception2 \r\n");}catch (...){printf("testCatch catch ...\r\n");}printf("testCatch done \r\n");
}
我们以testCatch函数举例。在调用testThrow函数会触发异常那么调用到personality routines函数此时假设判断函数可以捕获异常，那么首先我们需要释放掉try函数块的资源，在本例中需要调用MyClass析构函数和myCleanFun函数,这部分代码便是一个landing pad，在处理完成后需要调用catch块也是一个landing pad。
那么编译器是如何完成异常的识别和栈回溯(unwind)的呢？
我们在创建一个mymain.cpp文件使其可以完整运行。
//mymain.cpp
#include <stdio.h>
extern void testCatch(int param);
int main(int argc, char **args)
{testCatch(argc);return 0;
}
//编译成中间文件
g++ -O0 -ggdb -c mythrow.cpp -o mythrow.o
//编译成中间文件
g++ -O0 -ggdb -c mymain.cpp -o mymain.o
//链接成可执行文件
g++ -O0 -ggdb mythrow.o mymain.o -o app
当我们运行app输出：
testCatch start
myCleanFun invoke
testCatch catch MyFakeExeception
testCatch done
当我们输出输出app文件的节头 其中有几个非常有趣的节区：
readelf -S -W app
输出：
.eh_frame_hdr和.eh_frame 用于栈回溯使用。
.gcc_except_table 也被称为LSDA(Language Specific Data Area)节，这个节专门用于存储跟语言相关的特性，这里用于存储函数可以捕获哪些异常已经try catch的信息(可以理解为java字节码中异常表)。
有了这几个节我们便可以在异常时候进行栈回溯以及landing pad寻找。
栈回溯是什么
我们知道异常发生时候需要进行分支操作,即跳转别的地方处理异常，处理完成后跳转回正常业务流程代码。那么这个流程就需要进行上下文的恢复和存储等(注：栈回溯在正常的函数调用也是需要的而非局限于异常)。
使用如下命令可查看.eh_frame_hdr和.eh_frame 存储的内容
readelf -wF app
.eh_frame_hdr和.eh_frame里面就包含了被称为CIE和FDE东西，可以辅助我们调试或者栈回溯的时候进行上下文恢复。
如果你有兴趣了解更多可以参阅(参考文献是x86架构不过不影响理解)：
linux 栈回溯(x86_64 )
另一个问题编译器是如何构造这个节的呢？
这是通过编译器的CFI directives,指令列表可参阅CFI-directives
我们使用下列命令仅进行汇编
g++ -O0 -ggdb -S mythrow.cpp
调用throw会发生什么
我们继续如法炮制查看对应的汇编函数
g++ -O0 -ggdb -S mythrow.cpp
我们查看testThrow函数对应的汇编
_Z9testThrowi:
.LFB3:.loc 1 19 1.cfi_startprocstp x29, x30, [sp, -32]!.cfi_def_cfa_offset 32.cfi_offset 29, -32.cfi_offset 30, -24mov x29, spstr w0, [sp, 28].loc 1 20 5ldr w0, [sp, 28]cmp w0, 1bne .L3.loc 1 22 32mov x0, 1bl __cxa_allocate_exceptionmov x3, x0mov x2, 0adrp x0, _ZTI16MyFakeExeceptionadd x1, x0, :lo12:_ZTI16MyFakeExeceptionmov x0, x3bl __cxa_throw
.L3:.loc 1 24 10ldr w0, [sp, 28]cmp w0, 2bne .L5.loc 1 26 33mov x0, 1bl __cxa_allocate_exceptionmov x3, x0mov x2, 0adrp x0, _ZTI17MyFakeExeception2add x1, x0, :lo12:_ZTI17MyFakeExeception2mov x0, x3bl __cxa_throw
.L5:.loc 1 28 1nopldp x29, x30, [sp], 32.cfi_restore 30.cfi_restore 29.cfi_def_cfa_offset 0ret.cfi_endproc
注：testThrow函数经过c++编译器名称粉碎(name mangling)之后变为_Z9testThrowi。
上面的汇编的代码可以看到我们可以知道对于c++的每个throw关键字,会生成一对__cxa_allocate_exception和__cxa_throw函数的调用。
__cxa_allocate_exception函数用于分配异常对象创建，而__cxa_throw就是完成异常抛出给personality routines。
我们在IDA PRO查看这两个函数发现都在plt节中
所以这两个函数在SO中被动态加载,使用ldd查看所依赖的so。
ldd app
这里函数具体位于libstdc++.so.6中
nm -D /lib/aarch64-linux-gnu/libstdc++.so.6 | grep -i "__cxa_allocate_exception"nm -D /lib/aarch64-linux-gnu/libstdc++.so.6 | grep -i "__cxa_throw"
当然我们最重要的 __gxx_personality_v0也在这个库里面。
我查看linux源码的时候可以对应如下的源码
void
__cxa_throw(void *thrown_object, std::type_info *tinfo, void (_LIBCXXABI_DTOR_FUNC *dest)(void *)) {//..._Unwind_RaiseException(&exception_header->unwindHeader);//...//如果没找到可以处理异常landing pad就结束程序failed_throw(exception_header);
}我们重点下_Unwind_RaiseException做了什么
_Unwind_Reason_Code LIBGCC2_UNWIND_ATTRIBUTE
_Unwind_RaiseException(struct _Unwind_Exception *exc)
{struct _Unwind_Context this_context, cur_context;_Unwind_Reason_Code code;unsigned long frames;/* Set up this_context to describe the current stack frame. */uw_init_context (&this_context);cur_context = this_context;/* Phase 1: Search. Unwind the stack, calling the personality routinewith the _UA_SEARCH_PHASE flag set. Do not modify the stack yet. */while (1){_Unwind_FrameState fs;/* Set up fs to describe the FDE for the caller of cur_context. Thefirst time through the loop, that means __cxa_throw. */code = uw_frame_state_for (&cur_context, &fs);if (code == _URC_END_OF_STACK)/* Hit end of stack with no handler found. */return _URC_END_OF_STACK;if (code != _URC_NO_REASON)/* Some error encountered. Usually the unwinder doesn'tdiagnose these and merely crashes. */return _URC_FATAL_PHASE1_ERROR;/* Unwind successful. Run the personality routine, if any. */if (fs.personality){code = (*fs.personality) (1, _UA_SEARCH_PHASE, exc->exception_class,exc, &cur_context);if (code == _URC_HANDLER_FOUND)break;else if (code != _URC_CONTINUE_UNWIND)return _URC_FATAL_PHASE1_ERROR;}/* Update cur_context to describe the same frame as fs. */uw_update_context (&cur_context, &fs);}/* Indicate to _Unwind_Resume and associated subroutines that thisis not a forced unwind. Further, note where we found a handler. */exc->private_1 = 0;exc->private_2 = uw_identify_context (&cur_context);cur_context = this_context;code = _Unwind_RaiseException_Phase2 (exc, &cur_context, &frames);if (code != _URC_INSTALL_CONTEXT)return code;uw_install_context (&this_context, &cur_context, frames);
}
上面的代码将异常处理分为两个阶段：搜索阶段和回溯处理阶段。
在搜索阶段借助.eh_frame_hdr,.eh_frame以及.gcc_except_table 判断调用栈是否存在一个处理异常的调用__gxx_personality_v0判断。如果没有就返回到上一级函数__cxa_throw结束程序。
如果找到调用_Unwind_RaiseException_Phase2设置好上下文进行栈回溯的流程直到到异常处理块（期间会不断释放栈资源）。
我们使用gdb做一个有趣的实验查看对应的调用栈，
//给个性函数设置断点
(gdb) break __gxx_personality_v0
(gdb) r
(gdb) bt
输出如下
可见和我们猜测差不多。
调用try catch会发生什么
如法炮制查看testCatch函数汇编
g++ -O0 -ggdb -S mythrow.cpp
对于没有耐心的同学可以跳过这段代码看结论
_Z9testCatchi:
.LFB5:.loc 1 35 1.cfi_startproc.cfi_personality 0x9b,DW.ref.__gxx_personality_v0.cfi_lsda 0x1b,.LLSDA5stp x29, x30, [sp, -80]!.cfi_def_cfa_offset 80.cfi_offset 29, -80.cfi_offset 30, -72mov x29, spstp x19, x20, [sp, 16].cfi_offset 19, -64.cfi_offset 20, -56str w0, [sp, 44].loc 1 35 1adrp x0, :got:__stack_chk_guardldr x0, [x0, #:got_lo12:__stack_chk_guard]ldr x1, [x0]str x1, [sp, 72]mov x1, 0.loc 1 36 11adrp x0, .LC1add x0, x0, :lo12:.LC1
.LEHB0:bl puts
.LEHE0:
.LBB2:.loc 1 43 18ldr w0, [sp, 44]
.LEHB1:bl _Z9testThrowi
.LEHE1:.loc 1 40 54add x0, sp, 48
.LEHB2:bl _Z10myCleanFunPv
.LEHE2:.loc 1 40 54 is_stmt 0 discriminator 1add x0, sp, 48bl _ZN7MyClassD1Ev
.L13:
.LBE2:.loc 1 57 11 is_stmt 1adrp x0, .LC2add x0, x0, :lo12:.LC2
.LEHB3:bl puts
.LEHE3:.loc 1 58 1nopadrp x0, :got:__stack_chk_guardldr x0, [x0, #:got_lo12:__stack_chk_guard]ldr x2, [sp, 72]ldr x1, [x0]subs x2, x2, x1mov x1, 0beq .L17b .L23
.L18:
.LBB3:.loc 1 40 54mov x20, x0mov x19, x1add x0, sp, 48bl _Z10myCleanFunPvadd x0, sp, 48bl _ZN7MyClassD1Evmov x0, x20mov x1, x19b .L9
.L19:
.L9:
.LBE3:.loc 1 45 5cmp x1, 1beq .L10cmp x1, 2beq .L11b .L24
.L10:
.LBB4:.loc 1 45 36 discriminator 1bl __cxa_begin_catchstr x0, [sp, 64].loc 1 47 15 discriminator 1adrp x0, .LC3add x0, x0, :lo12:.LC3
.LEHB4:bl puts
.LEHE4:.loc 1 48 5bl __cxa_end_catchb .L13
.L11:
.LBE4:
.LBB5:.loc 1 49 37bl __cxa_begin_catchstr x0, [sp, 56].loc 1 51 15adrp x0, .LC4add x0, x0, :lo12:.LC4
.LEHB5:bl puts
.LEHE5:.loc 1 52 5bl __cxa_end_catchb .L13
.L24:
.LBE5:.loc 1 53 12bl __cxa_begin_catch.loc 1 55 15adrp x0, .LC5add x0, x0, :lo12:.LC5
.LEHB6:bl puts
.LEHE6:
.LEHB7:.loc 1 56 5bl __cxa_end_catchb .L13
.L20:
.LBB6:.loc 1 48 5mov x19, x0bl __cxa_end_catchmov x0, x19bl _Unwind_Resume
.L21:
.LBE6:
.LBB7:.loc 1 52 5mov x19, x0bl __cxa_end_catchmov x0, x19bl _Unwind_Resume
.LEHE7:
.L22:
.LBE7:.loc 1 56 5mov x19, x0bl __cxa_end_catchmov x0, x19
.LEHB8:bl _Unwind_Resume
.LEHE8:
.L23:.loc 1 58 1bl __stack_chk_fail
.L17:ldp x19, x20, [sp, 16]ldp x29, x30, [sp], 80.cfi_restore 30.cfi_restore 29.cfi_restore 19.cfi_restore 20.cfi_def_cfa_offset 0ret.cfi_endproc
每个catch会生成如下三个函数的调用：
__cxa_begin_catch
__cxa_end_catch
_Unwind_Resume
__cxa_begin_catch: 主要将异常对象放到栈上，方便异常处理代码使用。
__cxa_end_catch：异常代码运行后，进行异常资源清理操作
_Unwind_Resume：异常处理完成需要回到正常业务逻辑代码上。
我们查看Android下__cxa_begin_catch对应的源码
extern "C" void* __cxa_begin_catch(void* exc) {_Unwind_Exception *exception = static_cast<_Unwind_Exception*>(exc);__cxa_exception* header = reinterpret_cast<__cxa_exception*>(exception+1)-1;__cxa_eh_globals* globals = __cxa_get_globals();if (!isOurCxxException(exception->exception_class)) {if (globals->caughtExceptions) {fatalError("Can't handle non-C++ exception!");}}// Check rethrow flagheader->handlerCount = (header->handlerCount < 0) ?(-header->handlerCount+1) : (header->handlerCount+1);if (header != globals->caughtExceptions) {header->nextException = globals->caughtExceptions;globals->caughtExceptions = header;}globals->uncaughtExceptions -= 1;//返回异信息。然后会被放入栈上return header->adjustedPtr;}
相关源码可参阅cxxabi.cc
gcc_except_table相关
gcc_except_table也是在汇编文件生成指定数据
g++ -O0 -ggdb -S mythrow.cpp
当你阅读mythrow.s文件的时候会看到一个定义节directives指令
.section .gcc_except_table,"a",@progbits.align 2
.LLSDA5:.byte 0xff.byte 0x9b.uleb128 .LLSDATT5-.LLSDATTD5
.LLSDATTD5:.byte 0x1.uleb128 .LLSDACSE5-.LLSDACSB5
.LLSDACSB5:.uleb128 .LEHB0-.LFB5.uleb128 .LEHE0-.LEHB0.uleb128 0.uleb128 0....
具体解析可以参阅其他文献。
使用nothrow会怎么样(或者noexcept)？
我们给抛出异常的函数添加不会抛出异常
未声明前相关区大小
声明后节区大小
运行后
testCatch start
terminate called after throwing an instance of 'MyFakeExeception'
Aborted (core dumped)
声明不会抛出异常的函数会减少生成相关文件大小使其更紧凑，但需要注意代码是否会违背规则的情况存在。
参考文献：
C++ exceptions under the hood
c++ 异常处理（上）
c++ 异常处理（下）
Itanium C++ ABI: Exception Handling ($Revision: 1.22 $)
What is the “C++ ABI Specification” referred to in GCC’s manual?
gcc_except_table
CPP 异常处理机制初探
Unwind 栈回溯详解
Chapter 8. Exception Frames
Serial- / Socket IO and GCC nothrow attribute
Itanium C++ ABI
C++对象模型之RTTI的实现原理
Android cxxabi
