.Net應用異常處理研究

□ 葉信子

上海維宏電子科技股份有限公司 上海 200140

1 .Net異常處理機制

人們總是希望編寫出優(yōu)秀的代碼，以便在生產環(huán)境中穩(wěn)定而持久的運行。然而，不同的客戶所處的環(huán)境各不相同，很難保證代碼一直正確運行。因此，工程項目中，代碼的編寫需要更加注重穩(wěn)定性、容錯性和擴展性。

一般而言，程序的容錯性主要體現在對于異常的處理上。應用程序拋出的異常，如果沒有得到及時的處理，公共語言運行庫（CLR）會自動停止該應用程序的運行。在處理異常的過程中，可以在線程中捕獲這個異常進行處理，然后繼續(xù)在另一個線程中重新拋出處理后的異常，以便堆棧的上一級繼續(xù)處理該異常。在異常發(fā)生時，CLR會在發(fā)生異常的堆棧上，由下往上依次查找對應類型異常的catch塊。如果找到了對應的catch塊，那么將異常交由該catch塊處理。處理完成后，應用程序繼續(xù)運行。否則，該異常將被視為未經處理的異常。CLR在任何地方檢測到未經處理的異常時，都會立即終止進程，導致應用程序崩潰。

.Net標準的異常處理過程通常由try、catch、finally三個代碼塊完成，他們之間可以相互嵌套，組合起來處理系統(tǒng)的各種異常。

2 代碼塊介紹

2.1 try塊

try塊是異常處理必需的代碼塊，這一代碼塊內部通常包含可能拋出異常的代碼。try塊還可以用來清理系統(tǒng)資源，使系統(tǒng)從異常中恢復過來。每個try塊后面必須跟有至少一個catch或finally塊。

2.2 catch塊

catch塊僅在對應的try塊拋出異常后才會執(zhí)行。若未發(fā)生任何異常，系統(tǒng)會跳過所有catch塊中的內容，繼續(xù)向下執(zhí)行。

catch塊需要顯示所處理異常的類型。所有的異常均繼承自System.Exception。因此，catch塊后面的異常類型可以直接寫System.Exception。但是，為了能夠更好地處理不同類型的異常，仍然應該在catch塊后面放上具體的異常類型，以便CLR在異常發(fā)生后，能夠匹配到類型相同的catch塊執(zhí)行。

2.3 finally塊

finally塊中的內容，無論是否發(fā)生異常都會執(zhí)行。通常而言，finally塊中的代碼用來清理try塊中的資源。finally塊不是必需的，但如果需要用finally塊，那么其必須在所有的catch塊之后，并且一個try塊僅能有一個finally塊。

總體而言，這三個代碼塊是.Net提供的異常處理機制的基礎。在try塊中嘗試執(zhí)行一些代碼。如果發(fā)生了錯誤，那么需要在catch塊中進行處理，以便從錯誤中恢復并繼續(xù)執(zhí)行。或者通過catch塊進行補償，來撤銷一些狀態(tài)更改，并向調用者上報錯誤。最終，通過finally塊確保清理操作無論如何都能執(zhí)行。

3 在.Net中執(zhí)行非托管代碼

.Net程序需要在CLR虛擬機中運行，屬于托管代碼。使用C或C++所編寫的組件，可以直接訪問和修改內存，屬于非托管代碼。托管代碼和非托管代碼的運行機制存在差異，導致非托管代碼無法在托管代碼中使用。因此.Net推出了P/Invoke機制，這實際上是一種函數調用機制，可以消除.Net托管代碼和非托管代碼之間的鴻溝。

在.Net平臺開發(fā)出來前，在Windows平臺工作的程序員，基于Win32 API花費了大量精力編寫各種庫和com等非托管組件。為了避免程序重復，項目組一般通過P/Invoke直接在托管代碼中調用非托管DLL中的函數，提高工作效率，減少維護這部分功能的人力和時間成本。

在設計.Net時，.Net團隊發(fā)現現有的Win32 API經過多年完善，規(guī)模實在過于龐大，導致.Net沒有為所有的Win32 API編寫基于.Net的托管實現文檔。而通過P/Invoke，則可以方便地使用較為完善的Win32 API函數。

由于機制原因，托管代碼需要通過CLR間接訪問內存，因此，它的運行效率比非托管代碼稍低。在某些對效率要求較高的項目中，程序員通過C或C++編寫核心算法，并封裝成庫。在非托管代碼中，程序員可以通過P/Invoke直接調用，提升軟件的整體效率。

在托管代碼中，需要通過調用函數，來執(zhí)行非托管代碼。這一過程主要有以下步驟：

（1）獲得需要調用的非托管函數的信息，包括函數名、形參、返回值等內容；

（2）在托管代碼中，聲明對應的非托管函數，并通過DLLImport特性，設置P/Invoke過程中所需要的屬性，主要為非托管庫的名稱、形參和返回值的內存布局方式；

（3）在托管代碼中，直接調用聲明之后的非托管函數。

實際執(zhí)行過程中，P/Invoke做了以下工作：

（1）查找包含對應函數的DLL；

（2）將對應的DLL裝載到內存中；

（3）查找函數在內存中的地址，并將其參數推入堆棧，以便封送非托管函數所需的數據；

（4）將控制權轉移給非托管函數，確認調用完成，非托管函數返回。

CLR第一次調用函數時，會裝載對應的DLL，并查找函數的內存地址。當該函數發(fā)生第一次調用之后，CLR會將該函數的內存地址進行緩存，從而可以提高P/Invoke的使用效率。

在應用程序被卸載之前，裝載過的非托管DLL會一直留在內存中。因此，在關閉軟件時，需要釋放非托管DLL申請的內存。

4 .Net下未捕獲的異常處理

隨著計算機技術的發(fā)展，軟件的規(guī)模日益擴大。在這樣的背景下，.Net技術雖然在各種大型軟件中應用越來越多，但是這些項目中不可避免地會存在許多第三方庫。

在大型項目中，軟件的穩(wěn)定性是尤為重要的，因此，如何保證這些第三方庫能夠穩(wěn)定運行，是項目維護人員不得不面對的工作。所幸，.Net平臺有一套完善且強大的異常處理機制。上述異常處理機制在通過.Net直接操作內存的過程中即使產生越界和內存泄漏，也有較為有效的解決措施。因此，大部分通過.Net技術搭建的軟件穩(wěn)定性是有保證的。

但是，代碼如果沒有通過CLR運行，而是直接通過P/Invoke機制調用C或C++庫操作內存而產生了異常，那么上述.Net框架提供的異常處理機制將無法進行工作，導致應用程序運行出錯，甚至崩潰。

有兩種情況無法通過這種方法捕獲。

（1）垃圾回收時產生的異常。這種異常一般在Finalize函數中被拋出，但是沒有被捕獲處理。除了這種情況，類似內存耗盡時，也會造成系統(tǒng)產生未經處理的異常，導致應用程序崩潰。

（2）主線程無法捕獲的未處理異常。通常會在應用程序的入口中添加try塊、catch塊來處理程序運行時產生的所有異常，但是應用程序在調用外部組件提供的接口函數或者Win32提供的某些API時，在這些組件內部產生了異常，這些異常無法直接被主線程中的try塊、catch塊捕獲。

因為有上述兩種情況，所以try塊、catch塊是無法捕獲所有異常的。由此可見，即使代碼中所有可能出現問題的地方都加上了try塊、catch塊，也無法杜絕未經捕獲的異常導致應用程序崩潰。因此，要提高程序的健壯性和可維護性，使應用程序能夠長時間穩(wěn)定運行，軟件工程師需要一種用能截獲未經處理異常的機制，來幫助應用程序從異常中恢復，或者記錄有價值的錯誤信息。

在非托管代碼中，異常的處理會經過以下步驟。

（1）調試器處理。異常發(fā)生的時候，如果程序正在被調試，那么異常會被交給調試器。調試器收到異常后，判斷該異常是否需要處理。

（2）執(zhí)行VEH。異常發(fā)生時，如果應用程序不在調試過程中，或者調試器此時返回值為0，那么操作系統(tǒng)會將該異常交給VEH處理。VEH是一個鏈表，可以掛接多個VEH的處理過程，在系統(tǒng)調用時，按順序調用鏈表中的多個函數，依次處理異常。

VEH的返回值有三個：1、0、-1。返回1時，表示無效的處理，實際處理同0。返回0時，將把異常交給VEH鏈表中的下一個進行處理。返回-1時，表示異常已處理完成，此時系統(tǒng)會退出異常處理器，在異常指令處繼續(xù)往下執(zhí)行。

（3）執(zhí)行SEH。當所有VEH執(zhí)行完成后，異常會被SEH處理。SHE基于線程棧的異常處理機制，僅處理自身線程內部發(fā)生的異常。

（4）頂層異常處理。頂層異常處理實際也是通過SEH實現的。在最頂層的SEH中，可以注冊一個頂層異常處理器，它可以處理所有線程拋出的異常。因此，SEH發(fā)現無法處理的異常時，會檢查是否注冊了頂層異常處理，如果注冊了，則調用頂層異常處理。

.Net中，提供了Unhandled Exception Event Handler事件，這一事件可以注冊到頂層異常處理中。通過這一事件，可以截獲系統(tǒng)中未捕獲的異常，并進行處理。

Unhandled Exception Event Handler的事件參數Unhandled Exception Event Argse具體有兩個屬性，分別為 Exception Object和 Is Terminating。Is Terminating表示如果異常不處理，是否會終止當前應用程序。Exception Object為截獲異常的對象。當系統(tǒng)捕獲到未經處理的異常時，通過該對象就可以記錄異常在何處被引發(fā)。通過這一信息，軟件設計人員可以在操作該對象的地方做出改進，降低異常發(fā)生的可能性。此外，依賴這一事件，可以在程序崩潰退出之前，做好數據備份，記錄錯誤日志工作，以便排查問題。

5 抓取Dump加固程序

在頂層異常處理中，可以記錄下程序的Dump文件，保存未處理異常現場，以便后續(xù)分析和改進。

在應用程序中掛接Unhandled Exception事件。事件的響應函數中，構建描述Mini Dump信息的結構體Mini Dump Exception Information，然后通過Marshal.Get Exception Pointers函數獲取異常的位置，通過Win32 API的Get Current Thread Id函數獲取當前的非托管線程號。最后，通過Windbg的Dbghelp.dll中提供的Mini Dump Write Dump函數，將當前應用程序的信息寫入對應的文件中，形成一個Dump文件。

在程序發(fā)生異常崩潰時，通過Dump文件，可以分析程序崩潰時的CallStack。配合應用程序對應的Pdb文件和源碼，可以在程序崩潰后繼續(xù)調試當前異常。