Boost #8 SEH on mingw32

1. SEH on Mingw32
Boost.勉強会 #8 大阪
@kikairoya (Tomohiro Kashiwada)

2. 発表者について
● 名前： @kikairoya
● 南九州から来ました
● もうすぐ大阪人になります
● 触手の下僕として働くことになりました
● C++ とか出来ます

3. 喋ること
● SEH(構造化例外) とは
● SEH ライブラリ実装の解説

4. 喋ること
● SEH(構造化例外) とは
● SEH ライブラリ実装の解説
● Boostはいつも通り出てきません

5. …その前に
● https://gist.github.com/1710310 を開いて
おいてください。
● スライドにコードを表示するのはちょっと無理があ
りました

6. SEH(構造化例外)とは
● Windowsシステムが使用する例外処理の方法
● 主にCPUのハードウェア例外を扱う
● ぬるぽとか
● divide by zero とか
● 一部システムAPIがソフトウェア例外を投げる
● HeapAllocとか
● UNIX クローンの非同期シグナルに相当

7. SEHのシンタックス
● __except を使う場合
__try {
/* try block */
} __except (filter-expr) {
/* except block */
}
● __finally を使う場合
__try {
/* try block */
} __finally {
/* finally block */
}

8. SEHの処理手順
● 関数呼び出しごとに例外ハンドラを登録
● 例外処理(ハンドラの呼び出し)は二段階
● まずはスタックをどこまで巻き戻すか探索
__exceptのフィルタ式を呼び出して判定
● 巻き戻し先が決まってから実際に巻き戻す
finally blockをスタックの先端から順に実行

9. 例外ハンドラの登録
● 関数呼び出しごとに例外ハンドラを登録
● 例外処理(ハンドラの呼び出し)は二段階
● まずはスタックをどこまで巻き戻すか探索
__excpetのフィルタ式を呼び出して判定
● 巻き戻し先が決まってから実際に巻き戻す
finally blockをスタックの先端から順に実行

10. 例外ハンドラの登録
● EXCEPTION_REGISTRATION構造体をスタッ
ク上に構築
● prev メンバに[fs:0]の値をコピー
● [fs:0]に構造体のアドレスをコピー
struct EXCEPTION_REGISTRATION {
EXCEPTION_REGISTRATION *prev;
PEXCEPTION_HANDLER handler;
unsigned char user_data[VAR_LENGTH];
};

11. スタックの構造
fn2のローカル変数
fn2のer.prev
fn2のer.handler
fn1のフレームポインタ
fn2からの戻りアドレス
fn2の引数
fn1のローカル変数
fn1のer.prev
fn1のer.handler
fn0のフレームポインタ
fn1からの戻りアドレス
fn1の引数
esp
[fs:0]
ebp

12. 巻き戻し先の探索
● 関数呼び出しごとに例外ハンドラを登録
● 例外処理(ハンドラの呼び出し)は二段階
● まずはスタックをどこまで巻き戻すか探索
__exceptのフィルタ式を呼び出して判定
● 巻き戻し先が決まってから実際に巻き戻す
finally blockをスタックの先端から順に実行

13. 巻き戻し先の探索
例外発生
コンテキストを保存してjmp
kernel呼出し
ハンドラ探索
} __except (filter-expr) {
ハンドラA
ハンドラB
ハンドラC
call
call
return 1
call
return 1
call
filterA
filterB
filterC
call
return 0
call
return 0
call
return 1
探索終了
これ

14. SEHの実現方法
● 関数呼び出しごとに例外ハンドラを登録
● 例外処理(ハンドラの呼び出し)は二段階
● まずはスタックをどこまで巻き戻すか探索
__exceptのフィルタ式を呼び出して判定
● 巻き戻し先が決まってから実際に巻き戻す
finally blockをスタックの先端から順に実行

15. 巻き戻し実行
ハンドラA
ハンドラB
ハンドラC
RtlUnwind
call
return 1
call
return 1
call
finally blockの実行
call
return
call
return
jmp
finaly blockの実行
ハンドラCの続きexcept blockの実行
正常処理に復帰
jmp

16. 構造化例外のライブラリ実装
● GCCでもSEH使いたい
● VC++と互換性のある構文を目指して
→ __try, __except, __finallyのキーワードを
魔クロで乗っ取る
● もちろんデストラクタも呼びたい
→ 黒魔術の山

17. 黒魔術っぽいところだけ解説
● setjmp/longjmp
● filterの呼出し
● RtlUnwindの呼出し
● スタックの巻き戻し

18. 黒魔術っぽいところだけ解説
● setjmp/longjmp
● filterの呼出し
● RtlUnwindの呼出し
● スタックの巻き戻し

19. setjmp/longjmp
● setjmp/longjmpを使ってスタックを縦横無尽に駆
け回る
● msvcrtのsetjmp/longjmpは内部でSEHを使う
● __builtin_longjmpは1しか返せない
→ 自前実装

20. 黒魔術っぽいところだけ解説
● setjmp/longjmp
● filterの呼出し
● RtlUnwindの呼出し
● スタックの巻き戻し

21. filterの呼出し
● EXCEPTION_REGISTRATIONにfilterをwrapした
lambda-expressionを保存
● lambda-exprがローカル変数をキャプチャしている
ため、例外ハンドラから直接呼び出せる
● C++98で実現するにはsetjmp/longjmpでスタック
を行き来する必要がある
→ コールスタックをどこまで壊すか予測不可能な
ため非現実的

22. 黒魔術っぽいところだけ解説
● setjmp/longjmp
● filterの呼出し
● RtlUnwindの呼出し
● スタックの巻き戻し

23. RtlUnwindの呼出し
void WINAPI RtlUnwind(
PVOID TargetFrame,
PVOID TargetIp,
PEXCEPTION_RECORD ExceptionRecord,
PVOID ReturnValue
);
● TargetFrameに巻き戻し先の
EXCEPTION_REGISTRATION を指定
● TargetIpに巻き戻し完了後の復帰点を指定
● 残りはnullptr

24. RtlUnwindの呼出し
● ライブラリ関数のクセにcallee-saveレジスタを破
壊する曲者
● 呼んだ後にesi/ediがクリアされている
● callで呼ばれる前提のクセに戻りアドレスを引数
で指定する必要がある
● GCCの拡張インラインアセンブラで破壊レジスタ
を指定して対処

25. RtlUnwindの呼出し
asm volatile (
"pushl $0nt" // ReturnValue
"pushl $0nt" // ExceptionRecord
"pushl $1fnt" // TargetIp
"pushl %0nt" // TargetFrame
"call _RtlUnwind@16nt"
"1: nopnt"
:
: "a"(reg)
: "ecx", "edx", "ebx", "esi", "edi",
"esp", "cc", "memory"
);

26. 黒魔術っぽいところだけ解説
● setjmp/longjmp
● filterの呼出し
● RtlUnwindの呼出し
● スタックの巻き戻し

27. スタックの巻き戻し
● 実装のキモ
● finally blockの実行とデストラクタの呼出しを行
う必要がある
● __finallyだけなら__tryでsetjmp した地点に
longjmp するだけ
● デストラクタを呼ぶにはC++例外を投げる必要
がある

28. 巻き戻し実行(/EHsc相当)
ハンドラA
ハンドラB
ハンドラC
RtlUnwind
call
return 1
call
return 1
call
finally blockの実行
call
return
call
return
jmp
finaly blockの実行
ハンドラCの続きexcept blockの実行
正常処理に復帰
jmp

29. スタックの巻き戻し(C++例外)
● ebpを操作して例外発生地点からthrowしたかの
ように振舞う
● 2段目以降のフレームでは、下位フレームの
try block終了地点で例外が発生したかのように
振る舞う
● Leaf-functionのデストラクタを正しく呼び出すた
めに-fnon-call-exceptionsが必須

30. スタックの巻き戻し(throw)
void throw_seh_unwinder(const seh_jmp_buf &b) {
asm volatile (
"movl %0, %%ebpnt" // フレームポインタを切り替え
"pushl %1nt" // 戻りアドレスの偽装
"jmp _throw_seh_unwinder" // call
:
: "r"(b.ebp), "a"(b.eip),
"b"(b.ebx), "S"(b.esi), "D"(b.edi)
: "memory");
__builtin_unreachable();
}
extern "C" void throw_seh_unwinder() {
// 例外発生地点から呼ばれているように見える
throw seh_unwinder();
}

31. 巻き戻し実行(/EHa相当)
ハンドラA
ハンドラB
ハンドラC
RtlUnwind
call
return 1
call
return 1
call
例外発生地点から例外を投
げてtry blockでcatch
jmp
jmp
jmp
jmp
jmp
直前のtry blockから例外を
投げてtry blockでcatch
直前のtry blockから例外を
投げてtry blockでcatch
正常処理に復帰
jmp
ハンドラCの続き

32. 巻き戻し実行 (/EHa相当)
3段目のハンドラ：
*1からthrow して*2でcatch
そのままfinally block を実行
*3からハンドラにlongjmp
2段目のハンドラ：
*3からthrow して*4でcatch
そのままfinally block を実行
*5からハンドラにlongjmp
1段目のハンドラ：
*5からthrow して*6でcatch
そのままexcept block を実行
*7から正常ルートに復帰
__try {
__try {
__try {
// *1 Access Violation
*(int *)0 = 0;
} __finally {
// *2
} // *3
} __finally {
// *4
} // *5
} __except(1) {
// *6
} // *7
throw
throw
throw
longjmp
longjmp

33. スタックの巻き戻し(スタック破壊)
● C++例外で巻き戻している間も普通にスタックは
使われる
● 巻き戻すごとにスタックは短くなる(スタックの末
端にある領域は潰される)
● 例外ハンドラのコールスタックは例外発生場所よ
り先端側にある
● つまり、スタック破壊が避けられない
● 巻き戻し中はコールスタックをヒープに一時退避

34. 制限事項
● -fnon-call-exceptionsをつけないとleaf-function
上にあるオブジェクトのデストラクタが呼ばれない
● VC++の/EHaとは互換性が無い
● try blockに出入りするたびにsetjmp/longjmpをす
るのでパフォーマンスペナルティがある
● 某ランドの特許に引っかかるかどうか不明

35. まとめ
● Mingwで動くSEH構文をライブラリで実装した
● longjmp とかインラインアセンブリとか使ってるけ
どC++です

36. まとめ
● Mingwで動くSEH構文をライブラリで実装した
● longjmp とかインラインアセンブリとか使ってるけ
どC++です
● C++は黒魔術のない素敵な言語です

37. おしまい