C++ 异常 与 ”为什么析构函数不能抛出异常“ 问题

C++ 用异常使得可以将正常执行代码和出错处理区别开来。 比如一个栈，其为空时，调用其一个pop 函数，接下来怎么办？ 栈本身并不知道该如何处理，需要通知给其调用者（caller），因为只有调用者清楚接下来该怎么做。 异常，就提供了一个很好机制。 但是异常需要操作系统，编译器，RTTI的特性支持。

下面围绕一个问题 “为什么析构函数不能抛出异常？” 展开C++中异常的实现。

Effective C++ 里面有一条”别让异常逃离析构函数“，大意说是Don't do that， otherwise the behavior is undefined. 这里讨论一下从异常的实现角度，讨论一下为什么不要 ？

1. 函数调用框架和SEH（ Structure Error Handling）

   程序

 1 int widget( int a, int b) 2 { 3     return a + b; 4 } 5  6  int bar(int a, int b) 7 { 8     int c = widget(a, b); 9     return c;10 }11 12  int foo( int a, int b)13 {14     int c=bar(a, b);15     return c;16 }17 18  int main()19 {20     foo( 1, 2);21 }

   其汇编代码

  1 PUBLIC ?widget@@YAHHH@Z ; widget  2 ; COMDAT ?widget@@YAHHH@Z  3  _TEXT SEGMENT  4 _a$ = 8 ; size = 4  5  _b$ = 12 ; size = 4  6  ?widget@@YAHHH@Z PROC ; widget, COMDAT  7    8  ; 4 : {  9   10  push ebp 11  mov ebp, esp 12  sub esp, 192 ; 000000c0H 13  push ebx 14  push esi 15  push edi 16  lea edi, DWORD PTR [ebp-192] 17  mov ecx, 48 ; 00000030H 18  mov eax, -858993460 ; ccccccccH 19  rep stosd 20  21  ; 5 : return a + b; 22   23  mov eax, DWORD PTR _a$[ebp] 24  add eax, DWORD PTR _b$[ebp] 25  26  ; 6 : } 27   28  pop edi 29  pop esi 30  pop ebx 31  mov esp, ebp 32  pop ebp 33  ret 0 34 ?widget@@YAHHH@Z ENDP ; widget 35  _TEXT ENDS 36 PUBLIC ?bar@@YAHHH@Z ; bar 37  EXTRN __RTC_CheckEsp:PROC 38  ; Function compile flags: /Odtp /RTCsu /ZI 39 ; COMDAT ?bar@@YAHHH@Z 40  _TEXT SEGMENT 41 _c$ = -8 ; size = 4 42  _a$ = 8 ; size = 4 43  _b$ = 12 ; size = 4 44  ?bar@@YAHHH@Z PROC ; bar, COMDAT 45   46  ; 9 : { 47   48  push ebp 49  mov ebp, esp 50  sub esp, 204 ; 000000ccH 51  push ebx 52  push esi 53  push edi 54  lea edi, DWORD PTR [ebp-204] 55  mov ecx, 51 ; 00000033H 56  mov eax, -858993460 ; ccccccccH 57  rep stosd 58  59  ; 10 : int c = widget(a, b); 60   61  mov eax, DWORD PTR _b$[ebp] 62  push eax 63  mov ecx, DWORD PTR _a$[ebp] 64  push ecx 65  call ?widget@@YAHHH@Z ; widget 66  add esp, 8 67  mov DWORD PTR _c$[ebp], eax 68  69 ; 11 : return c; 70  71 mov eax, DWORD PTR _c$[ebp] 72  73 ; 12 : } 74  75 pop edi 76 pop esi 77 pop ebx 78 add esp, 204 ; 000000ccH 79 cmp ebp, esp 80 call __RTC_CheckEsp 81 mov esp, ebp 82 pop ebp 83 ret 0 84 ?bar@@YAHHH@Z ENDP ; bar 85 _TEXT ENDS 86 PUBLIC ?foo@@YAHHH@Z ; foo 87 ; Function compile flags: /Odtp /RTCsu /ZI 88 ; COMDAT ?foo@@YAHHH@Z 89 _TEXT SEGMENT 90 _c$ = -8 ; size = 4 91 _a$ = 8 ; size = 4 92 _b$ = 12 ; size = 4 93 ?foo@@YAHHH@Z PROC ; foo, COMDAT 94  95 ; 15 : { 96  97 push ebp 98 mov ebp, esp 99 sub esp, 204 ; 000000ccH100 push ebx101 push esi102 push edi103 lea edi, DWORD PTR [ebp-204]104 mov ecx, 51 ; 00000033H105 mov eax, -858993460 ; ccccccccH106 rep stosd107 108 ; 16 : int c=bar(a, b);109 110 mov eax, DWORD PTR _b$[ebp]111 push eax112 mov ecx, DWORD PTR _a$[ebp]113 push ecx114 call ?bar@@YAHHH@Z ; bar115 add esp, 8116 mov DWORD PTR _c$[ebp], eax117 118 ; 17 : return c;119 120 mov eax, DWORD PTR _c$[ebp]121 122 ; 18 : }123 124 pop edi125 pop esi126 pop ebx127 add esp, 204 ; 000000ccH128 cmp ebp, esp129 call __RTC_CheckEsp130 mov esp, ebp131 pop ebp132 ret 0133 ?foo@@YAHHH@Z ENDP ; foo134 _TEXT ENDS135 PUBLIC _main136 ; Function compile flags: /Odtp /RTCsu /ZI137 ; COMDAT _main138 _TEXT SEGMENT139 _main PROC ; COMDAT140 141 ; 21 : {142 143 push ebp144 mov ebp, esp145 sub esp, 192 ; 000000c0H146 push ebx147 push esi148 push edi149 lea edi, DWORD PTR [ebp-192]150 mov ecx, 48 ; 00000030H151 mov eax, -858993460 ; ccccccccH152 rep stosd153 154 ; 22 :155 ; 23 : foo( 1, 2);156 157 push 2158 push 1159 call ?foo@@YAHHH@Z ; foo160 add esp, 8161 162 ; 24 : }163 164 xor eax, eax165 pop edi166 pop esi167 pop ebx168 add esp, 192 ; 000000c0H169 cmp ebp, esp170 call __RTC_CheckEsp171 mov esp, ebp172 pop ebp173 ret 0174 _main ENDP175 _TEXT ENDS176 END

   调用框架 

 2。  加入SEH 之后，函数调用框架稍微修改一下： 对每一个函数加入一个Exception_Registration 的链表，链表头存放在FS:[0] 里面。当异常抛出时，就去遍历该链表找到合适的catch 块。 对于每一个Exception_Registration 存放链表的上一个节点，异常处理函数（ Error Handler). 用来处理异常。 这些结构都是编译器加上的，分别在函数调用的prologue 和epilogue ，注册和注销 一个异常处理节点。

 NOTE： error handling

1. 当异常发生时，系统得到控制权，系统从FS:[0]寄存器取到异常处理链的头，以及异常的类型， 调用异常处理函数。（异常函数是编译器生成的）

2. 从链表头去匹配 异常类型和catch 块接收的类型。（ 这里用到RTTI 信息）

3. unwind stack。这里需要析构已经创建的对象。（ 这里需要判断析构哪些对象，这一步是编译器做的）

4. 执行catch 块代码。

后返回到程序的正常代码，即catch块下面的第一行代码。

  可见，在exception 找到对应的 Catche 块后， 去栈展开（unwind stack），析构已有的对象后，进入到Catch 块中。 问题是： 程序怎么知道程序运行到哪里？ 哪些对象需要调用析构函数？ 这也是编译器做的，对于每一个Catch 块，其记录下如果该catch 块若被调用，哪些对象需要被析构。 这有这么一张表。具体实现可以参见reference2.

3. 当析构抛出异常时，接下来的故事。

   实验1：  Base 类的析构抛出异常；

 1 class Base 2 { 3 public: 4     void fun()     {   throw 1;    } 5     ~Base()        {   throw 2;    } 6 }; 7  8 int main() 9 {10    try11    {12        Base base;13        //base.fun();14    }15    catch (...)16    {17         //cout <<"get the catch"<<endl;18    }19 }

         运行没有问题。

   实验2: 打开上面注释掉的第13行代码（ //base.fun(); ），再试运行，结果呢？ 在debug 模式下弹出对话框

   

为什么呢？

因为SEH 是一个链表，链表头地址存在FS:[0] 的寄存器里面。 在实验2，函数base.fun先抛出异常，从FS:[0]开始向上遍历 SHL 节点，匹配到catch 块。 找到代码里面为一个catch块，再去展开栈，调用base 的析构函数，然而析构又抛出异常。 如果系统再去从SEL链表匹配，会改变FS:[0]值，这时候程序迷失了，不知道下面该怎么什么？ 因为他已经丢掉了上一次异常链那个节点。

实验3：如果析构函数的异常被处理呢， 程序还会正常运行吗？

 1 class Base 2 { 3 public: 4     void fun()     {   throw 1;    } 5     ~Base()        6     { 7         try 8         { 9               throw 2;   10         }11         catch (int e)12         {13          // do something    14         }    15     }16 };17 18 int main()19 {20    try21    {22        Base base;23        //base.fun();24    }25    catch (...)26    {27         //cout <<"get the catch"<<endl;28    }29 }

的确可以运行。

因为析构抛出来的异常，在到达上一层析构节点之前已经被别的catch 块给处理掉。那么当回到上一层异常函数时， 其SEH 没有变，程序可以继续执行。

这也许就是为什么C++不支持异常中抛的异常。

4. 效率：

    当无异常抛出时，其开销就是在函数调用的时候注册/注销 异常处理函数，这些开销很小。

    但是当异常抛出时，其开销就大了，编译异常链，用RTTI比配类型，调用析构；但是比传统的那种返回值，层层返回，效率也不会太差。 带来好的好处是代码好维护，减少出错处理的重复代码，并且与逻辑代码分开。

    权衡一下，好处还是大大的:)

5. 总结一下流程：

  为了安全，”析构函数尽可能的不要抛出异常“。

  如果非抛不可，语言也提供了方法，就是自己的异常，自己给吃掉。但是这种方法不提倡，我们提倡有错早点报出来。

Note：

1.同样还有一个问题，”构造函数可以抛出异常么？ 为什么？“

C++ 里面当构造函数抛出异常时，其会调用构造函数里面已经创建对象的析构函数，但是对以自己的析构函数没有调用，就可能产生内存泄漏，比如自己new 出来的内存没有释放。

有两个办法。在Catch 块里面释放已经申请的资源 或者 用智能指针把资源当做对象处理。

Delphi 里面当构造函数抛异常时，在其执行Catch 代码前，其先调用析构函数。

所以，构造抛出异常，是否调用析构函数，不是取决于技术，而是取决于语言的设计者。

2. 关于多线程，异常是线程安全的。 对于每一个线程都有自己的 Thread Info/Environment Block. 维护自己的SEH结构。

Reference:

1.http://www.codeproject.com/KB/cpp/exceptionhandler.aspx

2.http://baiy.cn/doc/cpp/inside_exception.htm

3.http://www.mzwu.com/article.asp?id=1469