.Net CLR异常和windows C++ 异常调用栈简析

楔子

前面一篇研究了下C++异常的，这篇来看下，CLR的异常内存模型，实际上都是一个模型，承继自windows异常处理机制。不同的是，有VC编译器(vcruntime.dll）接管的部分，被CLR里面的函数ProcessCLRException接管了。
注意：这里面省略了一部分不必要赘述的细节问题，版本号分别为(CLR PreView 7和vcruntime 14.0).C++异常栈

vcruntime140_1d.dll!__FrameHandler4::CxxCallCatchBlock
(jmp rdx)ntdll.dll!RcConsolidateFrames
ntdll.dll!RtlRestoreContext
ntdll.dll!RtlGuardRestoreContext	
ntdll.dll!RtlUnwindEx	
vcruntime140_1d.dll!__FrameHandler4::UnwindNestedFrames
vcruntime140_1d.dll!CatchIt
vcruntime140_1d.dll!FindHandler
vcruntime140_1d.dll!__InternalCxxFrameHandler
vcruntime140_1d.dll!__CxxFrameHandler4	
ntdll.dll!RtlpExecuteHandlerForException()	
ntdll.dll!RtlDispatchException
ntdll.dll!KiUserExceptionDispatch()
KernelBase.dll!RaiseException()
vcruntime140d.dll!_CxxThrowException
ConsoleApplication2.exe!main

CLR异常栈

>	coreclr.dll!ProcessCLRException	C++
 	ntdll.dll!RtlpExecuteHandlerForException
 	ntdll.dll!RtlDispatchException
 	ntdll.dll!KiUserExceptionDispatch
 	KernelBase.dll!RaiseException
 	coreclr.dll!`RaiseTheExceptionInternalOnly'::`53'::__Body::Run
 	coreclr.dll!RaiseTheExceptionInternalOnly
 	coreclr.dll!IL_Throw
 	00007ffa6faf040c()

对比

CLR异常栈的地址00007ffa6faf040c()实际上就是C#的main函数入口。对比的是C异常栈的函数入口main。
其它的一一对应（C# ----C++）：
1.IL_Throw-》_CxxThrowException
2.RaiseTheExceptionInternalOnly和RaiseTheExceptionInternalOnly以及RaiseException-》RaiseException()
3.KiUserExceptionDispatch-》KiUserExceptionDispatch()
4.RtlDispatchException-》RtlDispatchException
5.RtlpExecuteHandlerForException》RtlpExecuteHandlerForException
6.ProcessCLRException -》__CxxFrameHandler4

注意粗体部分对应的，这个地方开始，VC和CLR分道扬镳了。各自实现了后面函数异常处理的实现。

下面是windows 异常

楔子

以win11 + vs2022运行VC++ 编译观察的结果。
如果安装了Visual Studio 2022,比如安装在D盘，则路径：

D:\Visual Studio\IDE\VC\Tools\MSVC\14.33.31629

下面包含了vcruntime.dll的源码，主要VC编译器和ntdll.dll 以及KernelBase.dll交互。
注：本篇不叙述正常的windows用户态和内核态异常处理，仅看用户态下偏角的运作方式。

代码

void main()
{
	char* pStr = NULL;
	try
	{
		throw pStr;
	}
	catch (char* s)
	{
		printf("Hello S");
	}
	getchar();
}

try里面抛出一个异常，异常调用堆栈如下

分析

红色箭头，throw抛出异常之后，调用了_CxxThrowException函数，这个函数刚好在vcruntime.dll里面。
.Net CLR异常和windows C++ 异常调用栈简析
_CxxThrowException函数源码在VS路径：

D:\Visual Studio\IDE\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\crt\src\vcruntime\throw.cpp

extern "C" __declspec(noreturn) void __stdcall _CxxThrowException(
    void *pExceptionObject, // The object thrown
    _ThrowInfo *pThrowInfo  // Everything we need to know about it
) {
    //为了方便观看，此处省略一万字
    RaiseException(EH_EXCEPTION_NUMBER, EXCEPTION_NONCONTINUABLE, _countof(parameters), parameters);
}

_CxxThrowException又调用了RaiseException函数。RaiseException函数会进入到内核里面分别调用如下：

ntdll.dll!KiUserExceptionDispatch-》
ntdll.dll!RtlDispatchException-》
ntdll.dll!RtlpExecuteHandlerForException-》

windows异常分为内核态和用户态处理过程，RtlpExecuteHandlerForException则刚好是用户态处理过程。这些过程过于复杂，此处为了避免无端枝节，不赘述。

RtlpExecuteHandlerForException是调用异常处理的函数，通俗点就是跳转到catch地址，然后执行catch后面的代码。

在VS2022里面，异常处理函数是__CxxFrameHandler4（此函数在vcruntime.dll里面）
源码在路径：

D:\Visual Studio\IDE\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\crt\src\vcruntime\risctrnsctrl.cpp

__CxxFrameHandler4后面的调用函数是：

__CxxFrameHandler4-》
vcruntime140_1d.dll!__InternalCxxFrameHandler-》
vcruntime140_1d.dll!FindHandler-》
vcruntime140_1d.dll!CatchIt-》
vcruntime140_1d.dll!__FrameHandler4::UnwindNestedFrames-》
ntdll.dll!RtlUnwindEx-》
ntdll.dll!RtlGuardRestoreContext-》
ntdll.dll!RtlRestoreContext-》
ntdll.dll!RtlpExecuteHandlerForUnwind-》
vcruntime140_1d.dll!__CxxFrameHandler4-》

到了这里看似已经接近完成了，但是实际上还远不止如此。如果再继续调用，会直接跳到函数

ntdll.dll!RcConsolidateFrames -》
vcruntime140_1d.dll!__FrameHandler4::CxxCallCatchBlock

从__CxxFrameHandler4到RcConsolidateFrames经历什么？会发现跟上面的对不上。堆栈也没有显示。
为此，还需要继续跟踪

汇编

为了能看到从__CxxFrameHandler4到RcConsolidateFrames经历什么，我们跟踪下汇编
.Net CLR异常和windows C++ 异常调用栈简析
__CxxFrameHandler4调用了RtlGuardRestoreContext，继续单步F11,RtlGuardRestoreContext里面调用了函数RtlRestoreContext

RtlRestoreContext里面有个跳转指令jmp rdx。看下图：

jmp指令调到了如下

而call rax的rax就是CxxCallCatchBlock函数的指针。
因为RcConsolidateFrames函数是在ntdll.dll里面没有被开源，所以两次跳转（jmp 和 call 应该是这个函数里面所做的动作）
如此一来就对上上面的那个函数调用顺序（从上到下），但是还有一个问题，这个try里面抛出了异常，那么catch是何时被执行的呢？

Catch

理顺了RcConsolidateFrames函数调用顺序，RcConsolidateFrames自己则调用了函数CxxCallCatchBlock。这个函数里面调用了catch处理异常。
CxxCallCatchBlock函数源码地址：

D:\Visual Studio\IDE\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\crt\src\vcruntime\frame.cpp（1344行）

源码：

void * RENAME_EH_EXTERN(__FrameHandler4)::CxxCallCatchBlock(
    EXCEPTION_RECORD *pExcept
    )
{
          //为了方便观看，此处省略一万行
            continuationAddress = RENAME_EH_EXTERN(_CallSettingFrame_LookupContinuationIndex)
}

RENAME_EH_EXTERN(_CallSettingFrame_LookupContinuationIndex)
这段的原型是：

.Net CLR异常和windows C++ 异常调用栈简析

注意的点：

CxxCallCatchBlock函数不会返回，直接跳转到catch大括号下面的代码里面继续执行后面的代码段。

void * RENAME_EH_EXTERN(__FrameHandler4)::CxxCallCatchBlock(
    EXCEPTION_RECORD *pExcept
    )
{
   //为了便于观察， 此处省略一万字，
    return continuationAddress;
}

.Net CLR异常和windows C++ 异常调用栈简析

总结下：

堆栈的调用如下：

	vcruntime140_1d.dll!__FrameHandler4::CxxCallCatchBlock
	(jmp rdx)ntdll.dll!RcConsolidateFrames
	ntdll.dll!RtlRestoreContext
	ntdll.dll!RtlGuardRestoreContext	
 	ntdll.dll!RtlUnwindEx	
 	vcruntime140_1d.dll!__FrameHandler4::UnwindNestedFrames
 	vcruntime140_1d.dll!CatchIt
 	vcruntime140_1d.dll!FindHandler
 	vcruntime140_1d.dll!__InternalCxxFrameHandler
 	vcruntime140_1d.dll!__CxxFrameHandler4	
 	ntdll.dll!RtlpExecuteHandlerForException()	
 	ntdll.dll!RtlDispatchException
 	ntdll.dll!KiUserExceptionDispatch()
 	KernelBase.dll!RaiseException()
 	vcruntime140d.dll!_CxxThrowException
 	ConsoleApplication2.exe!main

楔子

对比

董川民