C++ 編譯器如何實現異常處理：基於 Windows SEH 的深度解析

前言

C++ 的異常處理機制是相對傳統錯誤處理的一大創新，它將正常邏輯與錯誤處理清晰分離，使程式碼更整潔、易維護。本文探討編譯器如何實現異常處理，假設讀者已熟悉異常語法。文中亦提供一個自定義的 VC++ 異常處理庫，調用 install_my_handler() 即可替換預設處理器，接管從拋出、堆疊展開到 catch 區塊的完整流程。

編譯器實現的多樣性

C++ 標準未規定編譯器必須如何實現異常處理，各廠商可自行設計。本文以 Visual C++ 為例，其實現基於 Windows 結構化異常處理（SEH）。即使使用其他編譯器或作業系統，本文仍具參考價值。

Windows SEH 概覽

異常可能由明確拋出或硬體錯誤（除零、空指標）觸發，產生中斷，控制權移交作業系統。OS 調用異常處理器，檢查呼叫鏈，執行堆疊展開與控制轉移。Windows 定義 EXCEPTION_REGISTRATION 結構供註冊自定義處理器：

struct EXCEPTION_REGISTRATION {
    EXCEPTION_REGISTRATION* prev;
    DWORD handler;
};

註冊時，建立此結構並將其位址寫入 FS:[0]。prev 欄位串聯舊的註冊記錄，形成鏈表。異常回調函數原型定義於 excpt.h：

EXCEPTION_DISPOSITION (*handler)(
    _EXCEPTION_RECORD *ExcRecord,
    void* EstablisherFrame,
    _CONTEXT *ContextRecord,
    void* DispatcherContext);

簡易 SEH 示例

下列程式註冊處理器，製造除零異常，處理器捕獲後列印訊息並退出：

#include <iostream>
#include <windows.h>
using std::cout; using std::endl;

struct EXCEPTION_REGISTRATION { EXCEPTION_REGISTRATION* prev; DWORD handler; };

EXCEPTION_DISPOSITION myHandler(_EXCEPTION_RECORD*, void*, _CONTEXT*, void*) {
    cout << "In the exception handler" << endl;
    cout << "Just a demo. exiting..." << endl;
    exit(0);
    return ExceptionContinueExecution;
}

int g_p = 0;
void bar() {
    EXCEPTION_REGISTRATION reg, *preg = &reg;
    reg.handler = (DWORD)myHandler;
    DWORD prev;
    _asm { mov EAX, FS:[0]; mov prev, EAX }
    reg.prev = (EXCEPTION_REGISTRATION*)prev;
    _asm { mov EAX, preg; mov FS:[0], EAX }
    int j = 10 / g_p; // 觸發除零異常
}
int main() { bar(); return 0; }

輸出： In the exception handler / Just a demo. exiting...

注意：EXCEPTION_REGISTRATION 必須分配在堆疊上，且位址低於前一節點，否則 Windows 會終止進程。

函數與堆疊

堆疊保存區域物件，每個函數擁有堆疊幀。編譯器常將熱門物件放入暫存器優化存取。堆疊向下增長（新項目位址較低）。下圖展示 foo → bar → widget 呼叫時的堆疊佈局：

理解堆疊結構是掌握異常處理中堆疊展開機制的基礎。