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。
#include<stdio.h>structA { A() { printf("A\n"); } ~A() { printf("~A\n"); }};structE { E() { printf("E\n"); } ~E() { printf("~E\n"); }};voidf(){throw E();}voidg(){ A a; f();}intmain(){try { g(); } catch (int n) {printf("catch int %d\n", n); } catch (const E& e) {printf("catch E %p\n", &e); }return0;}
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。
voidf(){// throw E(); E* e = __cxa_allocate_exception(sizeof(struct E)); // 从堆上分配异常对象 e->E(); // 构造异常对象 __cxa_throw( // 抛异常 e, // 异常对象 &typeid(struct E), // 异常对象的类型，这是编译时生成的静态对象 &E::~E); // 异常对象的析构函数}
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()。
voidg(){// A a; A a; // 在栈上分配 a 对象 a.A(); // 构造 a 对象// f(); f(); // 调用 f() a.~A(); // f() 正常返回走到这里goto end_of_catch;// f() 抛异常跳转到这里。// 尽管 g() 没有 catch，但是 a 需要析构，因此也有着落场。// 此时 rax 指向异常对象头，rdx 表示匹配的动作。 a.~A(); // 析构 a 对象 _Unwind_Resume(e); // 没有匹配的 catch，继续回溯栈帧end_of_catch:return;}
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。
intmain(){// try {// g();// } g(); // 调用 g()// 如果 try { ... } 在 g() 后面还有其它代码，会放在这里goto end_of_catch; // g() 正常返回走到这里// 这里是 throw 的着陆场。// $rax 指向异常对象。// $rdx 表示动作：// 0 表示不 catch，继续向上回溯栈帧；// 1 表示匹配第一个 catch；// 2 表示匹配第二个 catch。void *p = rax;int action = rdx;// 如果 try { ... } 有对象需要析构，在这里析构。// 下面我们开始匹配 catch 了。// catch (int n) {// printf("catch int %d\n", n);// }if (action == 1) { n = *(int *) e;printf("catch int %d\n", n);goto end_of_catch; }// catch (const E& e) {// printf("catch E\n");// }if (action == 2) { E *e = __cxa_begin_catch(p);printf("catch E %p\n", e); __cxa_end_catch(); // 内部析构 e 对象goto end_of_catch; } _Unwind_Resume(p); // 如果没有匹配的 catch，继续回溯栈帧。end_of_catch:return0;}
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
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