Daily C/C++ C++异常机制

Daily C/C++ C++异常机制

参考文章

这篇文章需要一些前置的知识，是函数栈相关的。推荐先去看看《深入理解计算机系统》和《程序员的自我修养》

首先要明白，我们在调用函数的时候，会有一个抽象的概念叫栈帧。里面储存了我们在调用函数期间需要用到的各种信息，栈帧存储在栈中，递归调用的层数越多，栈帧也就会叠的越多，就有可能导致栈溢出，即stackoverflow

栈帧中储存的信息主要有函数的返回地址，函数参数，函数的局部变量等（其实如果观察过汇编的同学可以发现，我们在使用栈的过程中一般都会有一个rbp的寄存器，用来储存之前的栈指针。这个就是我们函数的基址(base pointer)，我们在使用的栈帧中的信息的时候，一般都会利用这个指针加上偏移来寻找，同时最后退栈的时候也只需要简单的将这个指针的值赋给栈指针。在编译的时候，我们也可以显示的取消这个机制，让编译器自己去计算相关的值，这样可以省出来一个寄存器，但一般不推荐这样做）

还有一个相关的术语叫做调用约定，这个是用来约定参数的顺序，以及退栈时是由调用者还是函数来清理栈。具体可以去看《程序员的自我修养》一书

图来自于参考文章

C++为了处理异常，在栈中增加了额外的信息。考虑RAII，在退栈的时候我们要保证对象被正确析构。同时我们也需要一个结构来让我们在发现异常时可以逐级向上查找try catch块，从而用来处理异常。

图来自于参考文章

这是一个单链表的结构，可以看到piPrev就是指向前一个节点

而对应的piHandler就是用来处理异常的一个数据结构

他会指向两个表，在图中我们可以看到，分别是TRYBLOCK和UNWINDTBL

nstep用来定位try块，可以让我们找到正确的try catch block

这里要注意的是最下面的那个piHandler，他会对每一个线程都维护一个处理当前异常框架的指针，相当与栈顶指针，这个指针一般存放于某个TLS槽。即Thread Local Storage

然后我们看C++是怎么实现回退机制的

可以看到，我们会在执行函数的过程中维护nStep的值，然后在发生异常的时候，我们可以根据nStep的值在栈回退表中找到对应的槽。pfnDestroyer就是对应的析构函数，pObj就是对应的对象，而nNextIdx则是需要析构的下一个对象。

我们首先根据nStep找到条目，然后执行析构函数，然后根据nNextIdx找到下一个对象，直到资源都被释放

pObj其实记录了对象的偏移，即当前对象的this指针与基址（rbp）的偏移，这样我们得到了这个对象，就可以调用对应的析构函数

仔细观察一下nStep的值，我们也可以很快的得出计算nStep的算法。在一个块中，每遇到一个新的对象，我们在会回退表中添加一个新的条目，并将这个对象对应的信息填进去。同时将nStep的值赋给nNextIdx，并更新当前的nStep值。要注意的是，更新nStep值的时候，并不是之前的nStep值加一，而是之前nStep的最值加一。因为nStep的值实际上代表了我们储存的条目的索引，nStep就是类似的一个栈顶，区别我们回退表的条目只能增加，不能减少。而我们在利用这个栈顶来得到下一个需要析构的对象的id。

然后考虑我们的try catch表

这个涉及到nStep的另一个用途，他不仅可以帮助我们维护对象的生命周期，同时还可以帮我们判断当前执行到了具体哪一步。我们在try catch表中维护try的范围，其实就是nStep的范围。然后当遇到异常时，我们就可以遍历tryBlock表，判断异常是在那个try中出现的。然后执行对应的catch

根据结构我们也可以看到，我们记录了nBeginStep和nEndStep，用来判断nStep是否在这个try之间，然后记录对应的CatchBlock，而对应的CatchBlock则记录了异常的类型piType和Catch的入口pCatchBlockEntry

最后就是异常的抛出

C++会将异常的抛出换成图中的形式，即调用一个内部函数，然后传入对应异常的结构体信息

这个函数会保存我们传入的异常对象，然后在当前线程的TSL中找到对应的异常处理结构，然后用nStep进行判断并执行catch中的处理，栈回退等操作

遇到异常时，我们就会逐级的向上寻找，直到找到有对应的try catch块来捕获这个异常，或者一直退栈直到程序退出。

异常的机制差不多就是这些，我更推荐去看看参考文章，里面还分析了异常相关的运行效率等。