.Net应用异常处理研究

□ 叶信子

上海维宏电子科技股份有限公司 上海 200140

1 .Net异常处理机制

人们总是希望编写出优秀的代码，以便在生产环境中稳定而持久的运行。然而，不同的客户所处的环境各不相同，很难保证代码一直正确运行。因此，工程项目中，代码的编写需要更加注重稳定性、容错性和扩展性。

一般而言，程序的容错性主要体现在对于异常的处理上。应用程序抛出的异常，如果没有得到及时的处理，公共语言运行库（CLR）会自动停止该应用程序的运行。在处理异常的过程中，可以在线程中捕获这个异常进行处理，然后继续在另一个线程中重新抛出处理后的异常，以便堆栈的上一级继续处理该异常。在异常发生时，CLR会在发生异常的堆栈上，由下往上依次查找对应类型异常的catch块。如果找到了对应的catch块，那么将异常交由该catch块处理。处理完成后，应用程序继续运行。否则，该异常将被视为未经处理的异常。CLR在任何地方检测到未经处理的异常时，都会立即终止进程，导致应用程序崩溃。

.Net标准的异常处理过程通常由try、catch、finally三个代码块完成，他们之间可以相互嵌套，组合起来处理系统的各种异常。

2 代码块介绍

2.1 try块

try块是异常处理必需的代码块，这一代码块内部通常包含可能抛出异常的代码。try块还可以用来清理系统资源，使系统从异常中恢复过来。每个try块后面必须跟有至少一个catch或finally块。

2.2 catch块

catch块仅在对应的try块抛出异常后才会执行。若未发生任何异常，系统会跳过所有catch块中的内容，继续向下执行。

catch块需要显示所处理异常的类型。所有的异常均继承自System.Exception。因此，catch块后面的异常类型可以直接写System.Exception。但是，为了能够更好地处理不同类型的异常，仍然应该在catch块后面放上具体的异常类型，以便CLR在异常发生后，能够匹配到类型相同的catch块执行。

2.3 finally块

finally块中的内容，无论是否发生异常都会执行。通常而言，finally块中的代码用来清理try块中的资源。finally块不是必需的，但如果需要用finally块，那么其必须在所有的catch块之后，并且一个try块仅能有一个finally块。

总体而言，这三个代码块是.Net提供的异常处理机制的基础。在try块中尝试执行一些代码。如果发生了错误，那么需要在catch块中进行处理，以便从错误中恢复并继续执行。或者通过catch块进行补偿，来撤销一些状态更改，并向调用者上报错误。最终，通过finally块确保清理操作无论如何都能执行。

3 在.Net中执行非托管代码

.Net程序需要在CLR虚拟机中运行，属于托管代码。使用C或C++所编写的组件，可以直接访问和修改内存，属于非托管代码。托管代码和非托管代码的运行机制存在差异，导致非托管代码无法在托管代码中使用。因此.Net推出了P/Invoke机制，这实际上是一种函数调用机制，可以消除.Net托管代码和非托管代码之间的鸿沟。

在.Net平台开发出来前，在Windows平台工作的程序员，基于Win32 API花费了大量精力编写各种库和com等非托管组件。为了避免程序重复，项目组一般通过P/Invoke直接在托管代码中调用非托管DLL中的函数，提高工作效率，减少维护这部分功能的人力和时间成本。

在设计.Net时，.Net团队发现现有的Win32 API经过多年完善，规模实在过于庞大，导致.Net没有为所有的Win32 API编写基于.Net的托管实现文档。而通过P/Invoke，则可以方便地使用较为完善的Win32 API函数。

由于机制原因，托管代码需要通过CLR间接访问内存，因此，它的运行效率比非托管代码稍低。在某些对效率要求较高的项目中，程序员通过C或C++编写核心算法，并封装成库。在非托管代码中，程序员可以通过P/Invoke直接调用，提升软件的整体效率。

在托管代码中，需要通过调用函数，来执行非托管代码。这一过程主要有以下步骤：

（1）获得需要调用的非托管函数的信息，包括函数名、形参、返回值等内容；

（2）在托管代码中，声明对应的非托管函数，并通过DLLImport特性，设置P/Invoke过程中所需要的属性，主要为非托管库的名称、形参和返回值的内存布局方式；

（3）在托管代码中，直接调用声明之后的非托管函数。

实际执行过程中，P/Invoke做了以下工作：

（1）查找包含对应函数的DLL；

（2）将对应的DLL装载到内存中；

（3）查找函数在内存中的地址，并将其参数推入堆栈，以便封送非托管函数所需的数据；

（4）将控制权转移给非托管函数，确认调用完成，非托管函数返回。

CLR第一次调用函数时，会装载对应的DLL，并查找函数的内存地址。当该函数发生第一次调用之后，CLR会将该函数的内存地址进行缓存，从而可以提高P/Invoke的使用效率。

在应用程序被卸载之前，装载过的非托管DLL会一直留在内存中。因此，在关闭软件时，需要释放非托管DLL申请的内存。

4 .Net下未捕获的异常处理

随着计算机技术的发展，软件的规模日益扩大。在这样的背景下，.Net技术虽然在各种大型软件中应用越来越多，但是这些项目中不可避免地会存在许多第三方库。

在大型项目中，软件的稳定性是尤为重要的，因此，如何保证这些第三方库能够稳定运行，是项目维护人员不得不面对的工作。所幸，.Net平台有一套完善且强大的异常处理机制。上述异常处理机制在通过.Net直接操作内存的过程中即使产生越界和内存泄漏，也有较为有效的解决措施。因此，大部分通过.Net技术搭建的软件稳定性是有保证的。

但是，代码如果没有通过CLR运行，而是直接通过P/Invoke机制调用C或C++库操作内存而产生了异常，那么上述.Net框架提供的异常处理机制将无法进行工作，导致应用程序运行出错，甚至崩溃。

有两种情况无法通过这种方法捕获。

（1）垃圾回收时产生的异常。这种异常一般在Finalize函数中被抛出，但是没有被捕获处理。除了这种情况，类似内存耗尽时，也会造成系统产生未经处理的异常，导致应用程序崩溃。

（2）主线程无法捕获的未处理异常。通常会在应用程序的入口中添加try块、catch块来处理程序运行时产生的所有异常，但是应用程序在调用外部组件提供的接口函数或者Win32提供的某些API时，在这些组件内部产生了异常，这些异常无法直接被主线程中的try块、catch块捕获。

因为有上述两种情况，所以try块、catch块是无法捕获所有异常的。由此可见，即使代码中所有可能出现问题的地方都加上了try块、catch块，也无法杜绝未经捕获的异常导致应用程序崩溃。因此，要提高程序的健壮性和可维护性，使应用程序能够长时间稳定运行，软件工程师需要一种用能截获未经处理异常的机制，来帮助应用程序从异常中恢复，或者记录有价值的错误信息。

在非托管代码中，异常的处理会经过以下步骤。

（1）调试器处理。异常发生的时候，如果程序正在被调试，那么异常会被交给调试器。调试器收到异常后，判断该异常是否需要处理。

（2）执行VEH。异常发生时，如果应用程序不在调试过程中，或者调试器此时返回值为0，那么操作系统会将该异常交给VEH处理。VEH是一个链表，可以挂接多个VEH的处理过程，在系统调用时，按顺序调用链表中的多个函数，依次处理异常。

VEH的返回值有三个：1、0、-1。返回1时，表示无效的处理，实际处理同0。返回0时，将把异常交给VEH链表中的下一个进行处理。返回-1时，表示异常已处理完成，此时系统会退出异常处理器，在异常指令处继续往下执行。

（3）执行SEH。当所有VEH执行完成后，异常会被SEH处理。SHE基于线程栈的异常处理机制，仅处理自身线程内部发生的异常。

（4）顶层异常处理。顶层异常处理实际也是通过SEH实现的。在最顶层的SEH中，可以注册一个顶层异常处理器，它可以处理所有线程抛出的异常。因此，SEH发现无法处理的异常时，会检查是否注册了顶层异常处理，如果注册了，则调用顶层异常处理。

.Net中，提供了Unhandled Exception Event Handler事件，这一事件可以注册到顶层异常处理中。通过这一事件，可以截获系统中未捕获的异常，并进行处理。

Unhandled Exception Event Handler的事件参数Unhandled Exception Event Argse具体有两个属性，分别为 Exception Object和 Is Terminating。Is Terminating表示如果异常不处理，是否会终止当前应用程序。Exception Object为截获异常的对象。当系统捕获到未经处理的异常时，通过该对象就可以记录异常在何处被引发。通过这一信息，软件设计人员可以在操作该对象的地方做出改进，降低异常发生的可能性。此外，依赖这一事件，可以在程序崩溃退出之前，做好数据备份，记录错误日志工作，以便排查问题。

5 抓取Dump加固程序

在顶层异常处理中，可以记录下程序的Dump文件，保存未处理异常现场，以便后续分析和改进。

在应用程序中挂接Unhandled Exception事件。事件的响应函数中，构建描述Mini Dump信息的结构体Mini Dump Exception Information，然后通过Marshal.Get Exception Pointers函数获取异常的位置，通过Win32 API的Get Current Thread Id函数获取当前的非托管线程号。最后，通过Windbg的Dbghelp.dll中提供的Mini Dump Write Dump函数，将当前应用程序的信息写入对应的文件中，形成一个Dump文件。

在程序发生异常崩溃时，通过Dump文件，可以分析程序崩溃时的CallStack。配合应用程序对应的Pdb文件和源码，可以在程序崩溃后继续调试当前异常。