C＋异常原理：以一个小程序为例

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。

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。

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()。

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。

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