[Win32]一个调试器的实现（三）异常
作者：Zplutor
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这回接着处理上一篇文章留下的问题：如何处理EXCEPTION_DEBUG_EVENT这类调试事件。这类调试事件是调试器与被调试进程进行交互的最主要手段，在后面的文章中你会看到调试器如何使用它完成断点、单步执行等操作。所以，关于这类调试事件的处理很*，调试器的作者可以根据需要进行不同的处理。但是，在对其进行处理之前必须要了解一些关于异常的知识，这也是本文的重点。（本文的内容参考了《软件调试》一书）
异常的分类
根据异常发生时是否可以恢复执行，可以将异常分为三种类型，分别是错误异常，陷阱异常以及中止异常。
错误异常和陷阱异常一般都可以修复，并且在修复后程序可以恢复执行。两者的不同之处在于，错误异常恢复执行时，是从引发异常的那条指令开始执行；而陷阱异常是从引发异常那条指令的下一条指令开始执行。例如下面的三条指令：
i1
i2
i3
若i2引发了一个错误异常，恢复执行时是从i2开始执行；若引发的是陷阱异常，恢复执行时是从i3开始执行。
中止异常属于严重的错误，程序不可以再继续执行。
根据异常产生的原因，可以将异常分为硬件异常和软件异常。硬件异常即由CPU引发的异常，Windows定义了以下的硬件异常代码：
|
异常 |
值 |
描述 |
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EXCEPTION_ACCESS_VIOLATION |
0xC0000005 |
程序企图读写一个不可访问的地址时引发的异常。例如企图读取0地址处的内存。 |
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EXCEPTION_ARRAY_BOUNDS_EXCEEDED |
0xC000008C |
数组访问越界时引发的异常。 |
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EXCEPTION_BREAKPOINT |
0x80000003 |
触发断点时引发的异常。 |
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EXCEPTION_DATATYPE_MISALIGNMENT |
0x80000002 |
程序读取一个未经对齐的数据时引发的异常。 |
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EXCEPTION_FLT_DENORMAL_OPERAND |
0xC000008D |
如果浮点数操作的操作数是非正常的，则引发该异常。所谓非正常，即它的值太小以至于不能用标准格式表示出来。 |
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EXCEPTION_FLT_DIVIDE_BY_ZERO |
0xC000008E |
浮点数除法的除数是0时引发该异常。 |
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EXCEPTION_FLT_INEXACT_RESULT |
0xC000008F |
浮点数操作的结果不能精确表示成小数时引发该异常。 |
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EXCEPTION_FLT_INVALID_OPERATION |
0xC0000090 |
该异常表示不包括在这个表内的其它浮点数异常。 |
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EXCEPTION_FLT_OVERFLOW |
0xC0000091 |
浮点数的指数超过所能表示的最大值时引发该异常。 |
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EXCEPTION_FLT_STACK_CHECK |
0xC0000092 |
进行浮点数运算时栈发生溢出或下溢时引发该异常。 |
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EXCEPTION_FLT_UNDERFLOW |
0xC0000093 |
浮点数的指数小于所能表示的最小值时引发该异常。 |
|
EXCEPTION_ILLEGAL_INSTRUCTION |
0xC000001D |
程序企图执行一个无效的指令时引发该异常。 |
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EXCEPTION_IN_PAGE_ERROR |
0xC0000006 |
程序要访问的内存页不在物理内存中时引发的异常。 |
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EXCEPTION_INT_DIVIDE_BY_ZERO |
0xC0000094 |
整数除法的除数是0时引发该异常。 |
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EXCEPTION_INT_OVERFLOW |
0xC0000095 |
整数操作的结果溢出时引发该异常。 |
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EXCEPTION_INVALID_DISPOSITION |
0xC0000026 |
异常处理器返回一个无效的处理的时引发该异常。 |
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EXCEPTION_NONCONTINUABLE_EXCEPTION |
0xC0000025 |
发生一个不可继续执行的异常时，如果程序继续执行，则会引发该异常。 |
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EXCEPTION_PRIV_INSTRUCTION |
0xC0000096 |
程序企图执行一条当前CPU模式不允许的指令时引发该异常。 |
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EXCEPTION_SINGLE_STEP |
0x80000004 |
标志寄存器的TF位为1时，每执行一条指令就会引发该异常。主要用于单步调试。 |
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EXCEPTION_STACK_OVERFLOW |
0xC00000FD |
栈溢出时引发该异常。 |
虽然异常代码有很多，而且有一些不容易理解，但其中的大部分异常在使用高级语言编程时几乎不会遇到。比较常见的异常有EXCEPTION_ACCESS_VIOLATION，EXCEPTION_INT_DIVIDE_BY_ZERO 和EXCEPTION_STACK_OVERFLOW。
软件异常即程序调用RaiseException函数引发的异常，C++的throw语句最终也是调用该函数来抛出异常的。软件异常的异常代码可以在调用RaiseException时由程序员任意指定。通过throw语句抛出的异常的异常代码是由编译器指定的，对于Visual C++的编译器来说，异常代码总是0xE06D7363，对应“.msc”的ASCII码。
硬件异常和软件异常都可以通过Windows提供的结构化异常处理机制来捕捉和处理，这种处理机制可以让程序在发生异常的地方继续执行，或者转到异常处理块内执行。而C++提供的异常处理机制只能捕捉和处理由throw语句抛出的异常，简单地说，这是通过检查异常代码是否0xE06D7363来决定的。另外，C++的异常处理机制只能转到异常处理块中执行，而不能在异常发生的地方继续执行。实际上C++的异常处理是对Windows的结构化异常处理的包装。
异常的分发
一个异常一旦发生了，就要经历一个复杂的分发过程。一般来说，一个异常有以下几种可能的结果：
1.异常未被处理，程序因“应用程序错误”退出。
2.异常被调试器处理了，程序在发生异常的地方继续执行（具体取决于是错误异常还是陷阱异常）。
3.异常被程序内的异常处理器处理了，程序在发生异常的地方继续执行，或者转到异常处理块内继续执行。
下面来看一下异常的分发过程。为了突出重点，这里省略了很多细节：
1.程序发生了一个异常，Windows捕捉到这个异常，并转入内核态执行。
2.Windows检查发生异常的程序是否正在被调试，如果是，则发送一个EXCEPTION_DEBUG_EVENT调试事件给调试器，这是调试器第一次收到该事件；如果否，则跳到第4步。
3.调试器收到异常调试事件之后，如果在调用ContinueDebugEvent时第三个参数为DBG_CONTINUE，即表示调试器已处理了该异常，程序在发生异常的地方继续执行，异常分发结束；如果第三个参数为DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED，即表示调试器没有处理该异常，跳到第4步。
4.Windows转回到用户态中执行，寻找可以处理该异常的异常处理器。如果找到，则进入异常处理器中执行，然后根据执行的结果继续程序的执行，异常分发结束；如果没找到，则跳到第5步。
5.Windows又转回内核态中执行，再次检查发生异常的程序是否正在被调试，如果是，则再次发送一个EXCEPTION_DEBUG_EVENT调试事件给调试器，这是调试器第二次收到该事件；如果否，跳到第7步。
6.调试器第二次处理该异常，如果调用ContinueDebugEvent时第三个参数为DBG_CONTINUE，程序在发生异常的地方继续执行，异常分发结束；如果第三个参数为DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED，跳到第7步。
7.异常没有被处理，程序以“应用程序错误”结束。
下面的流程图表达了这个过程：
下面使用几个例子来加深对异常分发过程的理解。调试器使用的是上一篇文章的示例代码。如果你已熟悉了异常分发的过程，那么可以略过这部分不看。
①引发硬件异常，在收到异常调试事件的时候以DBG_CONTINUE调用ContinueDebugEvent。
被调试程序的代码：
2 #include <Windows.h>
3
4 int wmain() {
5
6 OutputDebugString(TEXT("Warning! An exception will be thrown!"));
7
8 __try {
9
10 int a = 0;
11 int b = 10 / a;
12
13 }
14 __except(EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER) {
15
16 OutputDebugString(TEXT("Entered exception handler."));
17 }
18 }
调试器的OnException函数代码：
2
3 std::wcout << TEXT("An exception was occured.") << std::endl
4 << TEXT("Exception code: ") << std::hex << std::uppercase << std::setw(8)
5 << std::setfill(L‘0‘) << pInfo->ExceptionRecord.ExceptionCode << std::dec << std::endl;
6
7 if (pInfo->dwFirstChance == TRUE) {
8
9 std::wcout << TEXT("First chance.") << std::endl;
10 }
11 else {
12
13 std::wcout << TEXT("Second chance.") << std::endl;
14 }
15 }
运行调试器程序，会看到它进入了一个死循环，不断输出“An exception was occurred…”信息，而且一直都是“First chance.”。结合上面的流程图来看这个过程：我们以DBG_CONTINUE继续被调试进程执行，意味着我们已经处理了该异常，被调试进程从发生异常的地方开始继续执行。由于EXCEPTION_INT_DIVIDE_BY_ZERO是一个错误异常，int b = 10 / a这条语句会再次执行。然而实际上调试器并没有进行任何处理异常的操作，这条语句还是会引发异常。就这样周而复始，陷入了死循环。从这个例子也看出，即使引发异常的语句被一个__try块包围，最先捕获到异常的却是调试器。
②引发硬件异常，在收到异常调试事件的时候以DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED调用ContinueDebugEvent。
仍然使用上面例子的代码，但是将ContinueDebugEvent的第三个参数改成DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED。运行调试器，这次只输出了一次“An exception was occurred…”信息，后面接着被调试进程的输出信息，表明被调试进程的异常处理器被执行了。过程：我们以DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED继续被调试进程的执行，意味着异常未被处理，所以Windows寻找异常处理器。由于存在异常处理器，而且它返回EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER，因此被调试进程进入了异常处理器执行。如果将EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER改成EXCEPTION_CONTINUE_EXECUTION，那么被调试进程就会再次执行引发异常的语句，结果也是陷入一个死循环。
假如我们将__try和__except块去掉，那么将没有异常处理器处理异常，调试器会第二次收到异常调试信息。如果仍然以DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED调用ContinueDebugEvent，被调试进程就会退出；如果以DBG_CONTINUE进行调用，那么被调试进程继续执行，结果又是陷入死循环。
上面的两个例子使用了硬件异常以及Windows结构化异常处理。如果是使用软件异常以及C++的异常处理，又会出现什么现象呢？下面几个问题留给大家去解决：
③被调试程序的代码如下：
2 #include <Windows.h>
3
4 int wmain() {
5
6 OutputDebugString(TEXT("Warning! An exception will be thrown!"));
7
8 try {
9
10 throw 9;
11 }
12 catch(int ex) {
13
14 OutputDebugString(TEXT("Entered exception handler."));
15 }
16 }
分别以DBG_CONTINUE和DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED调用ContinueDebugEvent，仔细观察调试器的输出，解释一下为什么会这样。
④将上例的代码改成这样：
2 #include <Windows.h>
3
4 int wmain() {
5
6 OutputDebugString(TEXT("Warning! An exception will be thrown!"));
7
8 try {
9
10 throw 9;
11
12 OutputDebugString(TEXT("Will this message be shown?"));
13 }
14 catch(int ex) {
15
16 OutputDebugString(TEXT("Entered exception handler."));
17 }
18 }
分别以DBG_CONTINUE和DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED调用ContinueDebugEvent，仔细观察调试器的输出，解释一下为什么会这样。
⑤根据上面两个例子回答：软件异常属于错误异常还是陷阱异常？
再谈OutputDebugString
在上面的第一、第二个例子中，你可能会注意到一个小问题：第一个例子中，被调试进程用OutputDebugString输出的字符串只显示一次；但在第二个例子中却显示两次。这是因为OutputDebugString在内部调用了RaiseException，它本质上是通过软件异常来工作的，Windows将它引发的异常转换成了OUTPUT_DEBUG_STRING_EVENT调试事件来通知调试器。
所以，当我们以DBG_CONTINUE调用ContinueDebugEvent时，OutputDebugString的异常被处理了，调试器只收到一次OUTPUT_DEBUG_STRING_EVENT事件；以DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED调用时，该异常未被处理，调试器会第二次收到OUTPUT_DEBUG_STRING_EVENT。这就是为什么在第二个例子中这些信息会输出两次了。
那么，为什么在调试器第二次处理OUTPUT_DEBUG_STRING_EVENT之后以DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED调用ContinueDebugEvent时，被调试进程不会结束呢？这只能说是因为OutputDebugString引发的异常属于特殊的异常，Windows对它有特别的处理。OutputDebugString的目的是为了向调试器输出调试信息，而不是为了报告一个错误，如果被调试进程在调用OutputDebugString之后立即结束了，肯定会让人感到莫名奇妙。
对EXCPETION_DEBUG_EVENT的处理
好了，上面进行了那么多铺垫，终于可以回到正题了。EXCEPTION_DEBUG_INFO结构体描述了该类调试事件的详细信息。dwFirstChance指明是第一次还是第二次接收到同一个异常，为1是第一次，为0是第二次。ExceptionRecord则是一个EXCEPTION_RECORD结构体，包含了异常的详细信息：
ExceptionCode 异常代码
ExceptionFlags 异常标志，为0表示这是一个可继续执行的异常，否则为EXCEPTION_NONCONTINUABLE。
ExceptionRecord 指向另一个异常的指针。一个异常可以嵌套另一个异常，形成链式结构。
ExceptionAddress 引发异常的指令地址。
ExceptionInformation 如果异常需要包含更多信息，则用该数组来保存这些信息。
NumberParameters ExceptionInformation数组中元素的个数。
由上文的描述可以看出，ContinueDebugEvent的第三个参数对于调试器的行为有很大的影响，所以我们不能仅仅使用DBG_CONTINUE或者DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED，而应该根据异常代码执行不同的操作，然后使用适当的值调用ContinueDebugEvent。例如，遇到除零异常，我们可以将除数的值改为非零，然后以DBG_CONTINUE继续被调试进程的执行。又如，我们希望只在异常没有被异常处理器处理的情况下才对其处理，那么我们可以在第一次接收到异常调试事件时以DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED继续执行，在第二次接收到异常调试事件时才对其进行处理。
最后说明一下，对于EXCEPTION_DEBUG_EVENT和OUTPUT_DEBUG_STRING_EVENT之外的调试事件，DBG_CONTINUE和DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED的作用是一样的，都是继续被调试进程的执行，两者没有什么不同。
示例代码
这次的示例代码添加了一个全局变量g_continueStatus，在调用ContinueDebugEvent时以它作为第三个参数。OnException和OnOutputDebugString函数都会修改这个值。对于异常，第一次接收时以DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED继续被调试进程执行，第二次接收时以DBG_CONTINUE继续其执行。