c++ 的 exception handling 特性真是鬼斧神工之作, 這麼複雜的實作機制, 最初到底是
怎麼想到的?
一樣介紹的是 gcc 的實作方式, 使用 dwarf 格式, 不是 setjmp/longump 那套。
eh.cpp
135 int one()
136 {
145 throw 100;
146 #if 0
147 void *throw_obj = __cxa_allocate_exception(sizeof(int));
148 *(int *)throw_obj = 98;
149 __cxa_throw (throw_obj, &typeid(int), 0);
150 #endif
151 }
170
171 void main()
172 {
173 try
174 {
180 one();
182 }
184 catch (std::exception &e)
185 {
186 printf("get excetption: %s\n", e.what());
187 }
189 catch (int a)
191 {
192 printf("got excetption: %d\n", a);
193 }
198 }
eh.cpp 是一個很簡單的範例, 表面上看起來很簡單的 try/catch statement, 背後蘊藏
著超級複雜的實作機制。可以看到 list 2 反組譯被插入一些額外的程式碼,
_Unwind_Resume, __cxa_begin_catch, __cxa_end_catch, 由於這個例子很簡單, 被插入
的額外程式碼不多。
這次要介紹的是 __gxx_personality_v0(), 從 throw 100 到 catch(int) 之間, 會發生
很多事情, stack unwind 應該是大家比較熟知的部份, 而 __gxx_personality_v0() 可
能較為陌生。
在 stack unwind 期間, 有一段程式碼就是在呼叫 __gxx_personality_v0(), 而
__gxx_personality_v0() 會被呼叫 2 次, 類似 list 1 那樣。
list 1
1 code = (*fs.personality) (1, _UA_SEARCH_PHASE, exc->exception_class, exc,
&cur_context);
2 code = (*fs.personality) (1, _UA_CLEANUP_PHASE | match_handler,
exc->exception_class, exc, context);
eh_throw.cc L83 _Unwind_RaiseException() 會呼叫 2 次 __gxx_personality_v0(),
list 1 L1 第一次呼叫 __gxx_personality_v0() 傳入 _UA_SEARCH_PHASE, 這次的目的
是找出 landing_pad, landing_pad 的值會是 list 2 L357, 0x10048a, 什麼是
landing_pad, 簡單來說就是在 throw 100 之後, 程式要往哪裡執行呢? 那個位址就是
landing_pad, 計算出這個位址之後還沒完, 要比對丟出的物件 int 和 catch statement
的物件有沒有吻合, eh.cpp 有 2 個 catch statement, 顯然是第二個 catch (int a)
才吻合。
list 1 L1 第二次呼叫 __gxx_personality_v0() 傳入 _UA_CLEANUP_PHASE, 這次的目的
是跳到 landing_pad 去執行, 所以在執行完之後, 程式會跳到 0x10048a, 神奇吧!
這個跳躍使用的是 libunwind 的函式, 很複雜, 沒能搞懂其實作, 大概是這樣:
_Unwind_RaiseException() 會呼叫 uw_install_context (&this_context, &
cur_context, frames);
#define uw_install_context(CURRENT, TARGET, FRAMES) \
do \
{ \
long offset = uw_install_context_1 ((CURRENT), (TARGET)); \
void *handler = uw_frob_return_addr ((CURRENT), (TARGET)); \
_Unwind_DebugHook ((TARGET)-c>fa, handler); \
_Unwind_Frames_Extra (FRAMES); \
__builtin_eh_return (offset, handler); \
} \
while (0)
uw_install_context 是個 macro, 之後就會跳回 landing_pad 的位址。
跳到 0x10048a 之後, 再來就是根據 cmp 判斷式, 來執行 catch (int a) 這段程式。可
以參考 list 2 L358 ~ 361, rdx 為 2 的時候, 就是執行 catch (int a) 這段程式, 而
rdx 1 是執行 catch (std::exception)。
這當然不是巧合, 而是從 throw 100 開始一連串精心安排的結果, 一樣沒能搞懂這部份
。總之這是 c++ 編譯器的精心傑作。
那如果沒有 catch(int) 呢? __gxx_personality_v0() 只會執行一次, 因為沒找到對應
的catch handle, 這時候會執行 eh_throw.cc L88 的 std::terminate(), 結束整個程式。
eh_throw.cc
1 // -*- C++ -*- Exception handling routines for throwing.
70
71 extern "C" void
72 __cxxabiv1::__cxa_throw (void *obj, std::type_info *tinfo,
73 void (*dest) (void *))
74 {
75 __cxa_eh_globals *globals = __cxa_get_globals ();
76 globals->uncaughtExceptions += 1;
77
78 // Definitely a primary.
79 __cxa_refcounted_exception *header =
80 __cxa_init_primary_exception(obj, tinfo, dest);
81 header->referenceCount = 1;
82
83 _Unwind_RaiseException (&header->exc.unwindHeader);
84
85 // Some sort of unwinding error. Note that terminate is a handler.
86 __cxa_begin_catch (&header->exc.unwindHeader);
87
88 std::terminate ();
89 }
90
list 2. objdump -DC eh.elf
301
302 00000000001003d2 <one()>:
303 1003d2: 55 push %rbp
304 1003d3: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
305 1003d6: bf 04 00 00 00 mov $0x4,%edi
306 1003db: e8 80 77 00 00 callq 107b60
<__cxa_allocate_exception>
307 1003e0: c7 00 64 00 00 00 movl $0x64,(%rax)
308 1003e6: ba 00 00 00 00 mov $0x0,%edx
309 1003eb: be 48 84 10 00 mov $0x108448,%esi
310 1003f0: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
311 1003f3: e8 6c 24 00 00 callq 102864 <__cxa_throw>
337
338 0000000000100441 <main>:
339 100441: 55 push %rbp
340 100442: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
341 100445: 53 push %rbx
342 100446: 48 83 ec 28 sub $0x28,%rsp
343 10044a: 48 89 7d d8 mov %rdi,-0x28(%rbp)
344 10044e: c7 45 e0 63 00 00 00 movl $0x63,-0x20(%rbp)
345 100455: 8b 5d e0 mov -0x20(%rbp),%ebx
346 100458: e8 13 01 00 00 callq 100570 <f()>
347 10045d: 89 c1 mov %eax,%ecx
348 10045f: 8b 15 ef 2b 03 00 mov 0x32bef(%rip),%edx #
133054 <def>
349 100465: 8b 05 e5 2b 03 00 mov 0x32be5(%rip),%eax #
133050 <abc>
350 10046b: 41 89 d9 mov %ebx,%r9d
351 10046e: 41 b8 00 00 00 00 mov $0x0,%r8d
352 100474: 89 c6 mov %eax,%esi
353 100476: bf 68 80 10 00 mov $0x108068,%edi
354 10047b: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
355 100480: e8 20 05 00 00 callq 1009a5 <printf(char const*,
...)>
356 100485: e8 48 ff ff ff callq 1003d2 <one()>
357 10048a: e9 9e 00 00 00 jmpq 10052d <main+0xec>
358 10048f: 48 83 fa 01 cmp $0x1,%rdx
359 100493: 74 0e je 1004a3 <main+0x62>
360 100495: 48 83 fa 02 cmp $0x2,%rdx
361 100499: 74 44 je 1004df <main+0x9e>
362 10049b: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
363 10049e: e8 5d 5a 00 00 callq 105f00 <_Unwind_Resume>
364 1004a3: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
365 1004a6: e8 66 25 00 00 callq 102a11 <__cxa_begin_catch>
366 1004ab: 48 89 45 e8 mov %rax,-0x18(%rbp)
367 1004af: 48 8b 45 e8 mov -0x18(%rbp),%rax
368 1004b3: 48 8b 00 mov (%rax),%rax
369 1004b6: 48 83 c0 10 add $0x10,%rax
370 1004ba: 48 8b 00 mov (%rax),%rax
371 1004bd: 48 8b 55 e8 mov -0x18(%rbp),%rdx
372 1004c1: 48 89 d7 mov %rdx,%rdi
373 1004c4: ff d0 callq *%rax
374 1004c6: 48 89 c6 mov %rax,%rsi
375 1004c9: bf a4 80 10 00 mov $0x1080a4,%edi
376 1004ce: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
377 1004d3: e8 cd 04 00 00 callq 1009a5 <printf(char const*,
...)>
378 1004d8: e8 19 26 00 00 callq 102af6 <__cxa_end_catch>
379 1004dd: eb 4e jmp 10052d <main+0xec>
380 1004df: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
381 1004e2: e8 2a 25 00 00 callq 102a11 <__cxa_begin_catch>
382 1004e7: 8b 00 mov (%rax),%eax
383 1004e9: 89 45 e4 mov %eax,-0x1c(%rbp)
384 1004ec: 8b 45 e4 mov -0x1c(%rbp),%eax
385 1004ef: 89 c6 mov %eax,%esi
386 1004f1: bf b8 80 10 00 mov $0x1080b8,%edi
387 1004f6: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
388 1004fb: e8 a5 04 00 00 callq 1009a5 <printf(char const*,
...)>
389 100500: e8 f1 25 00 00 callq 102af6 <__cxa_end_catch>
390 100505: eb 26 jmp 10052d <main+0xec>
391 100507: 48 89 c3 mov %rax,%rbx
392 10050a: e8 e7 25 00 00 callq 102af6 <__cxa_end_catch>
393 10050f: 48 89 d8 mov %rbx,%rax
394 100512: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
395 100515: e8 e6 59 00 00 callq 105f00 <_Unwind_Resume>
396 10051a: 48 89 c3 mov %rax,%rbx
397 10051d: e8 d4 25 00 00 callq 102af6 <__cxa_end_catch>
398 100522: 48 89 d8 mov %rbx,%rax
399 100525: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
400 100528: e8 d3 59 00 00 callq 105f00 <_Unwind_Resume>
401 10052d: 48 83 c4 28 add $0x28,%rsp
402 100531: 5b pop %rbx
403 100532: 5d pop %rbp
404 100533: c3 retq
405
15543
15548 Disassembly of section .gcc_except_table:
15549
15550 000000000010b704 <.gcc_except_table>:
15551 10b704: ff (bad)
15552 10b705: ff 01 incl (%rcx)
15553 10b707: 00 ff add %bh,%bh
15554 10b709: ff 01 incl (%rcx)
15555 10b70b: 0c 10 or $0x10,%al
15556 10b70d: 05 00 00 15 05 add $0x5150000,%eax
15557 10b712: 28 00 sub %al,(%rax)
15558 10b714: 3d 05 00 00 ff cmp $0xff000005,%eax
15559 10b719: 03 29 add (%rcx),%ebp
15560 10b71b: 01 19 add %ebx,(%rcx)
15561 10b71d: 3f (bad)
15562 10b71e: 0a 4e 03 or 0x3(%rsi),%cl
15563 10b721: 5d pop %rbp
15564 10b722: 05 00 00 92 01 add $0x1920000,%eax
15565 10b727: 05 c6 01 00 ba add $0xba0001c6,%eax
15566 10b72c: 01 05 d9 01 00 d4 add %eax,-0x2bfffe27(%rip)
15567 10b732: 01 18 add %ebx,(%rax)
15568 10b734: 00 00 add %al,(%rax)
15569 10b736: 02 00 add (%rax),%al
15570 10b738: 01 7d 00 add %edi,0x0(%rbp)
15571 10b73b: 00 48 84 add %cl,-0x7c(%rax)
15572 10b73e: 10 00 adc %al,(%rax)
15573 10b740: 78 8d js 10b6cf
15574 10b742: 10 00 adc %al,(%rax)
15575 10b744: ff 03 incl (%rbx)
15576 10b746: 1d 01 12 de 01 sbb $0x1de1201,%eax
15577 10b74b: c9 leaveq
15578 10b74c: 06 (bad)
15579 10b74d: 00 00 add %al,(%rax)
15580 10b74f: d5 (bad)
15581 10b750: 0a 05 b4 0c 01 91 or -0x6efef34c(%rip),%al
15582 10b756: 0b 9c 01 00 00 01 00 or 0x10000(%rcx,%rax,1),%ebx
15583 10b75d: 00 00 add %al,(%rax)
15584 10b75f: 00 00 add %al,(%rax)
15585 10b761: 00 00 add %al,(%rax)
15586 10b763: 00 ff add %bh,%bh
15587 10b765: ff 01 incl (%rcx)
15588 10b767: 00 ff add %bh,%bh
15589 10b769: 03 1d 01 12 82 01 add 0x1821201(%rip),%ebx
15590 10b76f: 05 87 01 01 cb add $0xcb010187,%eax
15591 10b774: 01 86 01 dd 02 00 add %eax,0x2dd01(%rsi)
15592 10b77a: f7 02 05 00 00 01 testl $0x1000005,(%rdx)
15593 ...
15594 10b788: ff 03 incl (%rbx)
15595 10b78a: 0d 01 04 10 02 or $0x2100401,%eax
15596 10b78f: 17 (bad)
15597 10b790: 01 01 add %eax,(%rcx)
15598 10b792: 00 00 add %al,(%rax)
15599 10b794: 00 00 add %al,(%rax)
15600 ...
15601
再來談談怎麼找到 landing_pad 的, 需要透過 list 2 L15550 的 .gcc_except_table
section 裡頭的資料, 它有個專業術語, 叫做 language specific data area (lsda),
不過這個資料並無法直接從這些 16 進制的數字解讀, 需要在 runtime 時, 透過一個小型
直譯器解譯出這些資料, 複雜之餘又添複雜。
類似 list 3 這些程式, 實際上遠遠比 list 3 列出的還複雜。
list 3 解讀 .gcc_except_table section 程式碼
p = read_encoded_value (0, info.call_site_encoding, p, &cs_start);
p = read_encoded_value (0, info.call_site_encoding, p, &cs_len);
p = read_encoded_value (0, info.call_site_encoding, p, &cs_lp);
p = read_uleb128 (p, &cs_action);
.gcc_except_table section 的資料格式請參考: c++ 異常處理 (2), exception
handling tables, 我一樣沒搞懂, 大致有 3 個表格。
1. call site table: 每一筆 call site record 有 4 個資訊, 就是 list 3 那 4 個,
但我不清楚其中關係, 怎麼透過這些資訊定位出 landing_pad。
參考「c++ 異常處理 (2)」這篇,
LSDA 表头之后紧跟着的是 call site table，该表用于记录程序中哪些指令有可能
会抛异常，表中每条记录共有4个字段：
1）cs_start: 可能会抛异常的指令的地址，该地址是距 Landing pad 起始地址的偏
移，编码方式由 LSDA 表头中第一个字段指明。
2）cs_len: 可能抛异常的指令的区域长度，该字段与 1）一起表示一系列连续的指
令，编码方式与 1）相同。
3）cs_lp: 用于处理上述指令的 Landing pad 的位移，这个值如果为 0 则表示不存
在相应的 landing pad。
4）cs_action: 指明要采取哪些 action，这是一个 unsigned LEB128 的值，该值减
1后作为下标获取 action table 中相应记录。
「.gcc_except_table」也有類似的敘述
1. The start of the instructions for the current call site, a byte offset
from the landing pad base. This is encoded using the encoding from the
header.
2. The length of the instructions for the current call site, in bytes.
This is encoded using the encoding from the header.
3. A pointer to the landing pad for this sequence of instructions, or 0
if here isn’t one. This is a byte offset from the landing pad base.
This is encoded using the encoding from the header.
4. The action to take, an unsigned LEB128. This is 1 plus a byte offset
into the action table. The value zero means that there is no action.
應該還是很模糊吧! 我依然有看沒有懂。cs_lp 可以和 info.LPStart 加總得到
ladning_pad, cs_action 可以和 info.action_table 計算得到 action_record 的
位址。cs_start, cs_len 不懂其用意。
程式碼: list 5. L294
2. action table: 裡頭的資訊可以用來取得 catch 的所有 type, 以 eh.cpp 來說, 有
2 個 catch statement, catch (std::exception &e), catch (int a), 就可以透過
action table 來取得 std::exception, int 的 type_info。
在和 throw 的物件做比對 (這邊的例子是丟出整數 100), 便可以知道這個
landing_pad 是不是 catch handle, 如果沒有吻合, 這個 landing_pad 有可能只是
要呼叫某個物件的解構函式, 用來清除該物件。
3. type table: 紀錄著所有 catch 的 type。
list 5. L365 在取得 catch statement 的 type_info, 很複雜, 會透過
1. info->ttype_encoding
2. info->ttype_base
3. info->TType
以及 action_record 的 ar_filter
353 p = action_record;
354 p = read_sleb128 (p, &ar_filter);
p = read_encoded_value (0, info.call_site_encoding, p, &cs_lp);
p = read_uleb128 (p, &cs_action);
p = read_sleb128 (p, &ar_filter);
這些函式都是用來讀取 .gcc_except_table section 的內容, 由於這些值有經過壓縮,
所以得做個還原的動作。
list 5. libstdc++-v3/libsupc++/eh_personality.cc
1 // -*- C++ -*- The GNU C++ exception personality routine.
2 // Copyright (C) 2001-2018 Free Software Foundation, Inc.
3 //
4 // This file is part of GCC.
83 // Return an element from a type table.
84
85 static const std::type_info *
86 get_ttype_entry (lsda_header_info *info, _uleb128_t i)
87 {
88 _Unwind_Ptr ptr;
89
90 i *= size_of_encoded_value (info->ttype_encoding);
91 read_encoded_value_with_base (info->ttype_encoding, info->ttype_base,
info->TType - i, &ptr);
93
94 return reinterpret_cast<const std::type_info *>(ptr);
95 }
96
213 namespace __cxxabiv1
214 {
215
216 extern "C"
217 _Unwind_Reason_Code
218 __gxx_personality_v0 (int version,
219 _Unwind_Action actions,
220 _Unwind_Exception_Class exception_class,
221 struct _Unwind_Exception *ue_header,
222 struct _Unwind_Context *context)
223 {
224 enum found_handler_type
225 {
226 found_nothing,
227 found_terminate,
228 found_cleanup,
229 found_handler
230 } found_type;
231
232 lsda_header_info info;
233 const unsigned char *language_specific_data;
234 const unsigned char *action_record;
235 const unsigned char *p;
236 _Unwind_Ptr landing_pad, ip;
237 int handler_switch_value;
238 void* thrown_ptr = 0;
239 bool foreign_exception;
240 int ip_before_insn = 0;
241
242 __cxa_exception* xh = __get_exception_header_from_ue(ue_header);
243
244 // Interface version check.
245 if (version != 1)
246 return _URC_FATAL_PHASE1_ERROR;
247 foreign_exception = !__is_gxx_exception_class(exception_class);
248
249 // Shortcut for phase 2 found handler for domestic exception.
250 if (actions == (_UA_CLEANUP_PHASE | _UA_HANDLER_FRAME)
251 && !foreign_exception)
252 {
253 restore_caught_exception(ue_header, handler_switch_value,
254 language_specific_data, landing_pad);
255 found_type = (landing_pad == 0 ? found_terminate : found_handler);
256 goto install_context;
257 }
258
259 language_specific_data = (const unsigned char *)
260 _Unwind_GetLanguageSpecificData (context);
261
262 // If no LSDA, then there are no handlers or cleanups.
263 if (! language_specific_data)
264 CONTINUE_UNWINDING;
265
266 // Parse the LSDA header.
267 p = parse_lsda_header (context, language_specific_data, &info);
268 info.ttype_base = base_of_encoded_value (info.ttype_encoding, context);
269 ip = _Unwind_GetIPInfo (context, &ip_before_insn);
270 if (! ip_before_insn)
271