C++ 异常处理机制深入解析

1. C++ 异常处理概述

C++异常处理机制主要解决两个核心问题：

1. 异常匹配：根据抛出的异常找到合适的异常处理代码（匹配对应类型的catch块）
2. 栈回滚：当抛出异常的函数无法处理异常时，需要：
   • 清理当前栈帧上的对象（可能需要执行cleanup块）
   • 回退栈帧到上一层函数
   • 递归向上搜索直到找到匹配的catch块或栈为空

示例代码分析

#include <iostream>
#include <exception>
using namespace std;

struct ExceptionA : public exception {
    ExceptionA(int a, int b) : a(a), b(b){}
    int a, b;
};

class Strobj {
public:
    Strobj(char* a) {
        str_ = new char[strlen(a) + 1];
        strcpy(str_, a);
    }
    ~Strobj() { delete[] str_; }
    char* str_;
};

Strobj doThrow(bool doth) {
    Strobj oops("123456");
    if(doth) throw ExceptionA(1, 2);
    return oops;
}

int main() {
    try {
        Strobj a = doThrow(true);
    } catch(ExceptionA& e) {
        cout << "ExceptionA caught" << endl;
    }
}

2. Itanium C++ ABI 异常处理框架

GNUC++实现的是Itanium C++ ABI异常处理接口，由两部分组成：

1. libunwind：通用的异常处理库
2. libc++：专注于C++异常处理的模块，提供personality函数

异常处理流程

分为两个阶段：

1. 搜索阶段（Search Phase）：

   • 以_UA_SEARCH_PHASE标志调用personality函数
   • 从当前PC开始，逐帧向上搜索
   • 如果找不到匹配的handler，调用terminate()
   • 如果找到，进入清理阶段

2. 清理阶段（Cleanup Phase）：

   • 以_UA_CLEANUP_PHASE标志调用personality函数
   • 真正回滚栈帧，执行cleanup块
   • 回滚到有匹配handler的函数，跳转到catch块

3. 异常对象数据结构

异常对象的内存布局：

| __cxa_exception | _Unwind_Exception | thrown object |

关键结构体

struct _Unwind_Exception {
    uint64 exception_class;  // "CLNGC++\0"
    _Unwind_Exception_Cleanup_Fn exception_cleanup;
    uint64 private_1;
    uint64 private_2;
};

struct __cxa_exception {
    std::type_info* exceptionType;
    void (*exceptionDestructor)(void*);
    __cxa_exception* nextException;
    int handlerCount;
    int handlerSwitchValue;
    const char* actionRecord;
    const char* languageSpecificData;
    void* catchTemp;
    void* adjustedPtr;
    _Unwind_Exception unwindHeader;
};

异常对象创建过程：

1. __cxa_allocate_exception分配sizeof(__cxa_exception) + sizeof(异常类)内存
2. 在前部初始化__cxa_exception对象
3. 在后部构造异常类实例

4. 异常处理帧（Windows平台）

Windows下EXE文件的异常处理信息：

• 存储在.pdata段中的RUNTIME_FUNCTION表
• 每个函数对应一个UNWIND_INFO结构体，包含：
  • 函数中的try块信息
  • 异常处理需要的cleanup块和catch块
  • 函数序言操作（用于栈回滚）

UNWIND_INFO关键成员

• Exception Handler：包含两个重要成员：
  1. Address of exception handler：personality函数地址（如__gxx_personality_seh0）
  2. Language-specific handler data：异常处理相关数据

5. Language-specific handler data解析

__gxx_personality_seh0是解析异常处理数据结构的关键函数，其调用链：

__gxx_personality_seh0 → _GCC_specific_handler → __gxx_personality_imp → scan_eh_tab

scan_eh_tab解析过程

1. 获取LSDA指针：

   uint8_t* lsda = (uint8_t*)_Unwind_GetLanguageSpecificData(context);
   

2. 解析LSDA头部：

   • lpStartEncoding：landing pad起始编码方式
   • ttypeEncoding：类型信息编码方式
   • callSiteEncoding：调用点表编码方式
   • classInfoOffset：类信息表偏移量

3. 解析callSiteTable：

   • 每个try块对应一个表项，包含：
     • start：try块起始地址
     • length：try块长度
     • landingPad：landing pad地址
     • actionEntry：action表项偏移量

4. 解析actionEntry链表：

   • 每个actionEntry包含：
     • ttypeIndex：类型索引（SLEB128格式）
     • actionOffset：下一action项偏移量
   • 链表结构：如0x40710F → 0x40710D → 0x40710B → 0x407109

5. 类型匹配检查：

   • 对每个ttypeIndex，通过classInfo表找到对应的typeinfo
   • 检查catchType->can_catch(excpType, adjustedPtr)

classInfo表解析

• 倒序存储，第一项在最高地址
• 每项编码方式由ttypeEncoding指定
• 通过ttypeIndex查表得到对应的typeinfo地址

6. 异常处理返回机制

当异常处理找到匹配的catch块后：

1. 设置寄存器：

   • rax：指向异常对象的unwind_exception成员
   • rdx：catch块的ttypeIndex（类编号）

2. 关键代码：

   _Unwind_SetGR(context, __builtin_eh_return_data_regno(0), 
                reinterpret_cast<uintptr_t>(unwind_exception));
   _Unwind_SetGR(context, __builtin_eh_return_data_regno(1), 
                static_cast<uintptr_t>(results.ttypeIndex));
   _Unwind_SetIP(context, results.landingPad);
   

3. 控制流跳转到catch块起始地址

7. 关键数据结构总结

8. 逆向分析要点

1. 定位.pdata段和RUNTIME_FUNCTION表
2. 分析UNWIND_INFO结构：
   • personality函数地址
   • LSDA指针
3. 解析LSDA：
   • callSiteTable → try块范围
   • actionEntry → catch块处理逻辑
   • classInfo → 异常类型信息
4. 跟踪__cxa_throw到catch块的跳转过程：
   • rax/rdx寄存器设置
   • landing pad地址计算