异常是如何实现的？

Question

几乎每个人都在用它们，但很多人，包括我自己，往往理所当然地认为它们就是这样工作的。

我在寻找高质量的资料。我使用的编程语言有：Java、C、C#、Python、C++，所以这些语言的内容对我来说最有兴趣。

现在，C++可能是个不错的起点，因为在这个语言里你可以随意尝试各种东西。

另外，C语言和汇编语言很接近。那怎么用纯C语言的构造来模拟异常处理，而不使用汇编呢？

最后，我听说谷歌的员工在某些项目中因为速度的原因不使用异常处理。这是真的吗？没有异常处理，怎么能完成一些重要的事情呢？

谢谢。

Answer 1

在他的书《C接口与实现：创建可重用软件的技术》中，D. R. Hanson 提供了一种在纯C语言中实现异常处理的好方法，使用了一些宏和 setjmp/longjmp。他提供了 TRY/RAISE/EXCEPT/FINALLY 这些宏，几乎可以模拟C++异常处理的所有功能，甚至更多。

你可以在 这里 查看代码（看看 except.h/except.c 文件）。

顺便说一下，关于你提到的谷歌的问题，他们的员工实际上是可以在新代码中使用异常处理的，而对于旧代码禁止使用的官方理由是因为旧代码已经是那样写的，混用风格没有意义。

我个人也认为，没有异常处理的C++并不是一个好主意。

Answer 2

这里有一种常见的C++异常处理的实现方式：
http://www.codesourcery.com/public/cxx-abi/abi-eh.html

这个实现是针对Itanium架构的，但文中描述的实现方式也适用于其他架构。需要注意的是，这是一份很长的文档，因为C++的异常处理比较复杂。

这里有一个关于LLVM如何实现异常处理的好描述：
http://llvm.org/docs/ExceptionHandling.html

由于LLVM旨在成为许多运行时的通用中间表示，因此文中描述的机制可以应用于多种编程语言。

Answer 3

异常其实是更广泛的非本地控制流结构中的一种特例。还有其他一些例子，比如：

• 通知（异常的一种推广，最早来自某些老旧的Lisp对象系统，现在在CommonLisp和Ioke等语言中实现），
• 继续（一种更结构化的GOTO，在高级语言中比较流行），
• 协程（子程序的一种推广，特别在Lua中很受欢迎），
• 生成器（类似Python中的生成器，实际上是协程的一种限制形式），
• 纤程（一种轻量级的协作线程），当然还有之前提到的
• GOTO。

（我相信还有很多其他的例子我没有提到。）

这些结构有一个有趣的特性，那就是它们在表达能力上大致是等价的：如果你有一种，你可以很容易地构建出其他的。

所以，如何最好地实现异常，取决于你手头有哪些其他结构：

• 每个CPU都有GOTO，因此如果必须的话，你总是可以退而求其次使用它。
• C语言有setjmp/longjmp，这基本上是用“万用胶带和牙签”做出来的MacGyver式的继续（虽然不是真正的东西，但至少能帮你解决眼前的问题，如果没有更好的选择的话）。
• JVM和CLI有自己的异常处理机制，这意味着如果你的语言的异常语义和Java或C#的匹配，那你就没问题了（但如果不匹配，那就麻烦了）。
• Parrot虚拟机同时支持异常和继续。
• Windows有自己的异常处理框架，语言实现者可以在此基础上构建自己的异常处理机制。

一个非常有趣的用例，既涉及到异常的使用，也涉及到异常的实现，就是微软Live Lab的Volta项目。（现在已经停止运营。）Volta的目标是通过一键实现Web应用的架构重构。也就是说，你可以通过在你的.NET代码上加一些[Browser]或[DB]属性，就能把一个单层的Web应用变成双层或三层的应用。为了实现这一点，.NET代码必须被转换成JavaScript源代码，显然是这样。

现在，你可以直接用JavaScript写一个完整的虚拟机，运行未修改的字节码。（基本上就是把CLR从C++移植到JavaScript。）实际上确实有这样的项目（比如HotRuby虚拟机），但这样做效率低下，而且与其他JavaScript代码的兼容性也不好。

因此，他们选择编写一个编译器，将CIL字节码编译成JavaScript源代码。然而，JavaScript缺少一些.NET所具备的特性（比如生成器、线程，还有两个异常模型并不完全兼容），更重要的是，它缺少一些编译器作者喜欢的特性（要么是GOTO，要么是继续），这些特性可以用来实现上述缺失的功能。

不过，JavaScript确实有异常。因此，他们利用JavaScript异常来实现Volta继续，然后又用Volta继续来实现.NET异常、.NET生成器，甚至.NET托管线程（!!!）

所以，回到你最初的问题：

异常是如何在底层实现的？

用异常，讽刺的是！至少在这个特定的案例中是这样。

另一个很好的例子是Go邮件列表上的一些异常提案，它们使用Goroutines来实现异常（有点像并发协程和CSP进程的混合）。还有Haskell，它使用单子、惰性求值、尾调用优化和高阶函数来实现异常。一些现代CPU也支持异常的基本构建块（例如专为Azul Systems Java计算加速器设计的Vega-3 CPU）。