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 ; 000000ccH 100 push ebx 101 push esi 102 push edi 103 lea edi, DWORD PTR [ebp-204] 104 mov ecx, 51 ; 00000033H 105 mov eax, -858993460 ; ccccccccH 106 rep stosd 107 108 ; 16 : int c=bar(a, b); 109 110 mov eax, DWORD PTR _b$[ebp] 111 push eax 112 mov ecx, DWORD PTR _a$[ebp] 113 push ecx 114 call ?bar@@YAHHH@Z ; bar 115 add esp, 8 116 mov DWORD PTR _c$[ebp], eax 117 118 ; 17 : return c; 119 120 mov eax, DWORD PTR _c$[ebp] 121 122 ; 18 : } 123 124 pop edi 125 pop esi 126 pop ebx 127 add esp, 204 ; 000000ccH 128 cmp ebp, esp 129 call __RTC_CheckEsp 130 mov esp, ebp 131 pop ebp 132 ret 0 133 ?foo@@YAHHH@Z ENDP ; foo 134 _TEXT ENDS 135 PUBLIC _main 136 ; Function compile flags: /Odtp /RTCsu /ZI 137 ; COMDAT _main 138 _TEXT SEGMENT 139 _main PROC ; COMDAT 140 141 ; 21 : {142 143 push ebp 144 mov ebp, esp 145 sub esp, 192 ; 000000c0H 146 push ebx 147 push esi 148 push edi 149 lea edi, DWORD PTR [ebp-192] 150 mov ecx, 48 ; 00000030H 151 mov eax, -858993460 ; ccccccccH 152 rep stosd 153 154 ; 22 : 155 ; 23 : foo( 1, 2); 156 157 push 2 158 push 1 159 call ?foo@@YAHHH@Z ; foo 160 add esp, 8 161 162 ; 24 : } 163 164 xor eax, eax 165 pop edi 166 pop esi 167 pop ebx 168 add esp, 192 ; 000000c0H 169 cmp ebp, esp 170 call __RTC_CheckEsp 171 mov esp, ebp 172 pop ebp 173 ret 0 174 _main ENDP 175 _TEXT ENDS 176 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 try 11 { 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 try 21 { 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

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