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调试实战 | 从转储文件找出抛出的异常 —— 理论
发表于: 2024-1-7 18:36 9771

调试实战 | 从转储文件找出抛出的异常 —— 理论

2024-1-7 18:36
9771

最近在分析转储文件时,遇到了一个由 throw 抛出的异常。尽管在 windbg 中使用 !analyze -v 迅速知道了异常码是 0xe06d7363(对应的 ASCII 码是 .msc),但是根据异常码并不能确定具体抛出来的是哪种异常。针对这种情况,确定具体的异常类型才有意义。

本篇文章会简单介绍与抛出异常相关的内容,包括关键的函数及结构体。下一篇文章会通过实例介绍几种典型情况(有调试符号 / 没有调试符号 / 32 位程序 / 64 位程序)下的定位方法。

说明: 对源码不感兴趣的小伙伴而可以直接跳到【解析方法小结】查看结论。

throw 关键字编译后对应的函数是 _CxxThrowException(),该函数内部会通过 RaiseException() 触发异常。_CxxThrowException() 是有源码可查的,我们可以从这个函数入手,先来熟悉下这个函数以及相关的结构体。

该函数定义在 vs 自带的 throw.cpp 中,一般在 crt\src\vcruntime\ 目录下。直接用 everything 搜索 throw.cpp,然后打开即可。vs2019 中的实现代码如下,有删减:

根据源码可知, _CxxThrowException() 内部会调用 RaiseException()RaiseException() 的原型如下:

_CxxThrowException 调用 RaiseException() 时传递的各个参数值如下:

dwExceptionCode 的值是 EH_EXCEPTION_NUMBER,对应的十六进制值是 0xe06d7363,也就是 .msc

dwExceptionFlags 的值是 EXCEPTION_NONCONTINUABLE,对应的十六进制值是 0x1

nNumberOfArguments 的值是 EH_EXCEPTION_PARAMETERS,在 32 位程序中是 3,在 64 位程序中是 4。定义如下:

根据定义可知,ThisException.params 的类型是 EHExceptionRecord::EHParameters,如果 _EH_RELATIVE_TYPEINFO0,则包含 3 个成员,否则就会包含第 4 个成员 pThrowImageBase

_EH_RELATIVE_TYPEINFO32 位程序中是 0,在 64 位程序中是 1,定义如下:

EHExceptionRecord::EHParameters 结构体的成员数量与调用 RaiseException() 时的 nNumberOfArguments 参数值是对应的。

32 位程序中,nNumberOfArguments 的值是 3EHExceptionRecord::EHParameters 刚好有 3 个成员,在 64 位程序中 nNumberOfArguments 的值是 4EHExceptionRecord::EHParameters 刚好有 4 个成员。

EHExceptionRecord::EHParameters 中的 pExceptionObjectpThrowInfo 是查找异常类型的关键。

其中,pExceptionObject 是异常对象的地址,pThrowInfo 的类型是 ThrowInfo,用来描述异常对象的类型信息。一起来看看 ThrowInfo 的定义。

pmfnUnwind 是处理异常时会调用的回卷函数,一般是析构函数,可以根据此值判断异常对象的类型!

pForwardCompat 一般情况下都是 0,不用太关心

pCatchableTypeArray 非常重要,记录了类型信息

_EH_RELATIVE_TYPEINFO 在上面已经贴出来了,在 32 位程序中被定义为 0,在 64 位程序中被定义为 1

所以,pForwardCompatpCatchableTypeArray32 位程序中是地址,在 64 位程序中是偏移。

还记得 EHExceptionRecord::EHParameters64 位程序中有 4 个成员吗?第 4 个成员就是抛出异常对应的模块基址,用这个基址加上这里的偏移就得到了对应成员在内存中的位置。一定要记住这个结论,在分析 64 位程序的异常对象类型时会用到!

接下来看看关键的 CatchableTypeArray 类型的定义,摘录如下:

说明: 这里为什么使用数组呢?因为抛出的异常可能继承自某个基类。arrayOfCatchableTypes 会把继承链上的所有类型信息按照从子类到基类的顺序记录下来。拿 std::bad_alloc 举例,它继承自 std::exception。所以,nCatchableTypes 的值为 2arrayOfCatchableTypes[0] 记录了 std::bad_alloc 的类型信息,arrayOfCatchableTypes[1] 记录了 std::exception 的类型信息。

再来看看结构体 CatchableType 的定义,摘录如下:

我们只需要关注 pType 成员即可。同样的,在 32 位程序中是地址,在 64 位程序中是偏移。 pType 对应的类型是 TypeDescriptor,接下来看看 TypeDescriptor 的定义。

其中,name 成员是经过名字改编后的异常类型,它是一个以 \0 结尾的字符串,可以在 windbg 中通过 da 查看。

源码有点乱,还是在 windbg 中看的直观舒服,还可以看到偏移。以下是 32 位和 64 位程序中对应的结构体定义:

划重点: 务必记住以上结构体的定义,尤其是关键字段的偏移。这是解析的依据!

先找到 EHParameters 类型的对象(可省略此步)

可以通过 RaiseException() 的第四个参数查找。

32 位程序中,定位方法非常简单,可以直接查看 RaiseException() 的第 4 个参数,ebp+0x14

x64 位中可以通过 _CxxThrowException()rsp + 0x28 定位。因为在调用 RaiseException() 的时候, _CxxThrowException() 会把此参数存在自己栈帧中 rsp + 0x28 的位置。

再找到 ThrowInfo 类型的对象

解析 EHParameters 中的第 3 个成员 pThrowInfo,在 32 位程序中偏移是 0x8,在 64 位程序中偏移是 0x10

说明: 还有两种查看方法:

对于 32 位程序可以通过 _CxxThrowException() 对应栈帧的第 2 个参数(ebp+c)直接查看。

如果有 vcruntimexxx.dll 的调试符号,可以直接切到 _CxxThrowException() 对应的栈帧,windbg 会自动帮忙列出对应的值。

再找到 CatchableTypeArray 类型的对象

解析 ThrowInfo 的第 4 个成员 pCatchableTypeArray,其偏移是 0xc3264 位通用)。

需要注意的是,此成员在 32 位程序中是地址;在 64 位程序中是偏移,需要加上镜像基址得到最终的地址。

再找到 CatchableType 类型的对象

解析 CatchableTypeArray 的第 2 个成员 arrayOfCatchableTypes ,偏移是 0x43264 位通用)。

该成员记录了 CatchableType 数组的首地址或者偏移。

需要注意的是,此成员在 32 位程序中是地址;在 64 位程序中是偏移,需要加上镜像基址得到最终的地址。

说明:1 个成员 nCatchableTypes 记录了 CatchableType 数组的个数。

再找到 TypeDescriptor 类型的对象

解析 CatchableType 数组中的每个对象(其实,只需要解析第一个即可)。重点关注第 2 个成员 pType,偏移是 0x43264 位通用)。

需要注意的是,此成员在 32 位程序中是地址;在 64 位程序中是偏移,需要加上镜像基址得到最终的地址。

最后找到异常类型名

解析 TypeDescriptor 对象,只需要关注第 3 个成员 name 成员即可,在 32 位程序中偏移是 0x8,在 64 位程序中偏移是 0x10

它是一个以 \0 结尾的字符串,可以在 windbgda 显示其内容。

vs 源码

extern "C" __declspec(noreturn) void __stdcall
_CxxThrowException(
  void*       pExceptionObject, // The object thrown
  _ThrowInfo* pThrowInfo        // Everything we need to know about it
) {
    EHTRACE_ENTER_FMT1("Throwing object @ 0x%p", pExceptionObject);
 
    static const EHExceptionRecord ExceptionTemplate = { // A generic exception record
      EH_EXCEPTION_NUMBER,       // Exception number
      EXCEPTION_NONCONTINUABLE,  // Exception flags (we don't do resume)
      nullptr,                   // Additional record (none)
      nullptr,                   // Address of exception (OS fills in)
      EH_EXCEPTION_PARAMETERS,   // Number of parameters
      { EH_MAGIC_NUMBER1,        // Our version control magic number
        nullptr,                 // pExceptionObject
        nullptr,
#if EH_EXCEPTION_PARAMETERS == 4
        nullptr                  // Image base of thrown object
#endif
      }                          // pThrowInfo
    };
    EHExceptionRecord ThisException = ExceptionTemplate; // This exception
 
    ThrowInfo* pTI = (ThrowInfo*)pThrowInfo;
    // deleted ...
     
    ThisException.params.pExceptionObject = pExceptionObject;
    ThisException.params.pThrowInfo = pTI;
#if _EH_RELATIVE_TYPEINFO
    PVOID ThrowImageBase = RtlPcToFileHeader((PVOID)pTI, &ThrowImageBase);
    ThisException.params.pThrowImageBase = ThrowImageBase;
#endif
    // deleted ...
 
    EHTRACE_EXIT;
    RaiseException( ThisException.ExceptionCode,
      ThisException.ExceptionFlags,
      ThisException.NumberParameters,
      (PULONG_PTR)&ThisException.params );
}
extern "C" __declspec(noreturn) void __stdcall
_CxxThrowException(
  void*       pExceptionObject, // The object thrown
  _ThrowInfo* pThrowInfo        // Everything we need to know about it
) {
    EHTRACE_ENTER_FMT1("Throwing object @ 0x%p", pExceptionObject);
 
    static const EHExceptionRecord ExceptionTemplate = { // A generic exception record
      EH_EXCEPTION_NUMBER,       // Exception number
      EXCEPTION_NONCONTINUABLE,  // Exception flags (we don't do resume)
      nullptr,                   // Additional record (none)
      nullptr,                   // Address of exception (OS fills in)
      EH_EXCEPTION_PARAMETERS,   // Number of parameters
      { EH_MAGIC_NUMBER1,        // Our version control magic number
        nullptr,                 // pExceptionObject
        nullptr,
#if EH_EXCEPTION_PARAMETERS == 4
        nullptr                  // Image base of thrown object
#endif
      }                          // pThrowInfo
    };
    EHExceptionRecord ThisException = ExceptionTemplate; // This exception
 
    ThrowInfo* pTI = (ThrowInfo*)pThrowInfo;
    // deleted ...
     
    ThisException.params.pExceptionObject = pExceptionObject;
    ThisException.params.pThrowInfo = pTI;
#if _EH_RELATIVE_TYPEINFO
    PVOID ThrowImageBase = RtlPcToFileHeader((PVOID)pTI, &ThrowImageBase);
    ThisException.params.pThrowImageBase = ThrowImageBase;
#endif
    // deleted ...
 
    EHTRACE_EXIT;
    RaiseException( ThisException.ExceptionCode,
      ThisException.ExceptionFlags,
      ThisException.NumberParameters,
      (PULONG_PTR)&ThisException.params );
}
VOID WINAPI RaiseException(
  _In_ DWORD dwExceptionCode,
  _In_ DWORD dwExceptionFlags,
  _In_ DWORD nNumberOfArguments,
  _In_reads_opt_(nNumberOfArguments) CONST ULONG_PTR* lpArguments
);
VOID WINAPI RaiseException(
  _In_ DWORD dwExceptionCode,
  _In_ DWORD dwExceptionFlags,
  _In_ DWORD nNumberOfArguments,
  _In_reads_opt_(nNumberOfArguments) CONST ULONG_PTR* lpArguments
);
#if (defined(_M_AMD64) || defined(_M_ARM) || defined(_M_ARM64)) && !defined(_CHPE_X86_ARM64_EH_)
#define EH_EXCEPTION_PARAMETERS 4  // Number of parameters in exception record
#else
#define EH_EXCEPTION_PARAMETERS 3  // Number of parameters in exception record
#endif
#if (defined(_M_AMD64) || defined(_M_ARM) || defined(_M_ARM64)) && !defined(_CHPE_X86_ARM64_EH_)
#define EH_EXCEPTION_PARAMETERS 4  // Number of parameters in exception record
#else
#define EH_EXCEPTION_PARAMETERS 3  // Number of parameters in exception record
#endif
typedef struct EHExceptionRecord {
  unsigned long ExceptionCode;  // The code of this exception. (= EH_EXCEPTION_NUMBER)
  unsigned long ExceptionFlags; // Flags determined by NT
  struct _EXCEPTION_RECORD* ExceptionRecord; // An extra exception record (not used)
  void* ExceptionAddress;  // Address at which exception occurred
  unsigned long NumberParameters; // Number of extended parameters. (= EH_EXCEPTION_PARAMETERS)
 
  struct EHParameters {
    unsigned long magicNumber; // = EH_MAGIC_NUMBER1
    void * pExceptionObject;   // Pointer to the actual object thrown
    ThrowInfo* pThrowInfo;     // Description of thrown object
#if _EH_RELATIVE_TYPEINFO
    void * pThrowImageBase;    // Image base of thrown object
#endif
  } params; // <-----
 
} EHExceptionRecord;
typedef struct EHExceptionRecord {
  unsigned long ExceptionCode;  // The code of this exception. (= EH_EXCEPTION_NUMBER)
  unsigned long ExceptionFlags; // Flags determined by NT
  struct _EXCEPTION_RECORD* ExceptionRecord; // An extra exception record (not used)
  void* ExceptionAddress;  // Address at which exception occurred
  unsigned long NumberParameters; // Number of extended parameters. (= EH_EXCEPTION_PARAMETERS)
 
  struct EHParameters {
    unsigned long magicNumber; // = EH_MAGIC_NUMBER1
    void * pExceptionObject;   // Pointer to the actual object thrown
    ThrowInfo* pThrowInfo;     // Description of thrown object
#if _EH_RELATIVE_TYPEINFO
    void * pThrowImageBase;    // Image base of thrown object
#endif
  } params; // <-----
 
} EHExceptionRecord;
#if defined(_M_CEE_PURE) || defined(BUILDING_C1XX_FORCEINCLUDE)
#define _EH_RELATIVE_TYPEINFO 0  // <-----
#define _EH_RELATIVE_FUNCINFO 0
#define _RTTI_RELATIVE_TYPEINFO 0
#elif defined(_CHPE_X86_ARM64_EH_)
#define _EH_RELATIVE_TYPEINFO 0  // <-----
#define _EH_RELATIVE_FUNCINFO 1
#define _RTTI_RELATIVE_TYPEINFO 0
#elif defined(_M_ARM)
#define _EH_RELATIVE_TYPEINFO 1  // <-----
#define _EH_RELATIVE_FUNCINFO 1
#define _RTTI_RELATIVE_TYPEINFO 0
#elif defined(_M_AMD64) || defined(_M_ARM64)
#define _EH_RELATIVE_TYPEINFO 1  // <-----
#define _EH_RELATIVE_FUNCINFO 1
#define _RTTI_RELATIVE_TYPEINFO 1
#else
#define _EH_RELATIVE_TYPEINFO 0  // <-----
#define _EH_RELATIVE_FUNCINFO 0
#define _RTTI_RELATIVE_TYPEINFO 0
#endif
#if defined(_M_CEE_PURE) || defined(BUILDING_C1XX_FORCEINCLUDE)
#define _EH_RELATIVE_TYPEINFO 0  // <-----
#define _EH_RELATIVE_FUNCINFO 0
#define _RTTI_RELATIVE_TYPEINFO 0
#elif defined(_CHPE_X86_ARM64_EH_)
#define _EH_RELATIVE_TYPEINFO 0  // <-----
#define _EH_RELATIVE_FUNCINFO 1
#define _RTTI_RELATIVE_TYPEINFO 0
#elif defined(_M_ARM)
#define _EH_RELATIVE_TYPEINFO 1  // <-----
#define _EH_RELATIVE_FUNCINFO 1
#define _RTTI_RELATIVE_TYPEINFO 0
#elif defined(_M_AMD64) || defined(_M_ARM64)
#define _EH_RELATIVE_TYPEINFO 1  // <-----
#define _EH_RELATIVE_FUNCINFO 1
#define _RTTI_RELATIVE_TYPEINFO 1
#else
#define _EH_RELATIVE_TYPEINFO 0  // <-----
#define _EH_RELATIVE_FUNCINFO 0
#define _RTTI_RELATIVE_TYPEINFO 0
#endif
typedef const struct _s_ThrowInfo {
 unsigned int attributes; // Throw Info attributes (Bit field)
 PMFN pmfnUnwind; // Destructor to call when exception has been handled or aborted
#if _EH_RELATIVE_TYPEINFO && !defined(BUILDING_C1XX_FORCEINCLUDE)
 int pForwardCompat;  // Image relative offset of Forward compatibility frame handler
 int pCatchableTypeArray; // Image relative offset of CatchableTypeArray
#else
 int (__cdecl * pForwardCompat)(...); // Forward compatibility frame handler
 CatchableTypeArray* pCatchableTypeArray; // Pointer to list of pointers to types
#endif
} ThrowInfo;
typedef const struct _s_ThrowInfo {
 unsigned int attributes; // Throw Info attributes (Bit field)
 PMFN pmfnUnwind; // Destructor to call when exception has been handled or aborted
#if _EH_RELATIVE_TYPEINFO && !defined(BUILDING_C1XX_FORCEINCLUDE)
 int pForwardCompat;  // Image relative offset of Forward compatibility frame handler
 int pCatchableTypeArray; // Image relative offset of CatchableTypeArray
#else
 int (__cdecl * pForwardCompat)(...); // Forward compatibility frame handler
 CatchableTypeArray* pCatchableTypeArray; // Pointer to list of pointers to types
#endif
} ThrowInfo;
typedef const struct _s_CatchableTypeArray {
  int nCatchableTypes;
#if _EH_RELATIVE_TYPEINFO
  int arrayOfCatchableTypes[];  // Image relative offset of Catchable Types
#else
  CatchableType* arrayOfCatchableTypes[];
#endif
} CatchableTypeArray;

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