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LLVM 3.0 异常处理重新设计

LLVM 3.0 版本中最大的 IR 变化之一是 LLVM IR 异常处理模型的重新设计和重新实现。旧模型虽然在大多数情况下都能正常工作，但在一些关键情况下却会失效，导致难以理解的编译错误、优化遗漏和糟糕的编译时间。这篇文章讨论了 LLVM 3.0 中的更改以及如何将现有的 LLVM 前端迁移到新的设计。它假设读者对 Itanium C++ ABI 的异常处理有一定了解。

异常处理系统的目标

异常处理需要成为 LLVM IR 的一等公民。这让我们能够以智能的方式操作异常处理信息（例如，在内联期间）。此外，代码生成需要能够可靠地找到与特定invoke调用相关联的各种信息（例如，与调用一起使用的个性函数）。最后，我们需要遵循已建立的异常处理 ABI，以确保与其他编译器的二进制兼容性。

虽然要让异常处理正常工作（关于 ABI），需要许多细节需要正确处理，但我们的目标是使 LLVM IR 尽可能易于生成和操作。通过使 EH 成为一等公民，新的指令将具有简单易懂的语法和约束，这些约束可以进行测试以确保在每次代码转换后 IR 都是正确的。

旧的异常处理系统

旧系统使用 LLVM 内联函数将异常处理信息传达给代码生成器。旧系统的主要问题是，没有任何东西将这些内联函数绑定到可以被解开调用的 invoke 调用，这使得代码生成变得脆弱，并且像内联这样的优化无法表示（在一般情况下）。

此外，内联函数对于代码转换来说非常难以维护和正确更新：我们经常会得到异常表，其中包含错误信息（例如，指定特定类型无法传播到该点，而这在原始程序中并没有指定）。它也不能在没有大量工作的情况下处理“清理”情况。

由于正常的代码移动，内联函数（包含代码生成器生成正确表所需的信息）可以从invoke它们所关联的指令移动很远。也就是说，它们可以从invoke's landingpad 移动。这使得以前异常处理构造的代码生成变得脆弱，有时会导致异常处理代码的编译错误，这是不可接受的。

最后一个（有点理论上的）问题是旧系统只适用于标准个性函数。它几乎不可能使用自定义个性函数（例如，在 landingpad 中返回 3 个寄存器而不是 2 个）。虽然我们没有这个特定的用例，但我们无法使用自定义个性函数来优化 C++ 异常的代码大小或性能。

LLVM 3.0 异常处理系统

新异常处理系统的支柱是两个新的指令landingpad和resume:
landingpad
定义一个 landingpad 基本块。它包含代码生成器生成正确 EH 表所需的所有信息。它也必须是 invoke 指令解开目的地的第一个非PHI指令。此外，landingpad 只能被invoke指令的解开边跳转到。这些约束确保始终能够准确地将解开信息与 invoke 调用匹配起来。它取代了@llvm.eh.exception和@llvm.eh.selector内联函数。
resume
导致当前异常恢复传播到堆栈的上层。它取代了@llvm.eh.resume内联函数。

这是一个简单示例，展示了新的语法是什么样的。对于这个程序



  void bar();
  void foo() throw (const char *) {
    try {
      bar();
    } catch (int) {
    }
  }

IR 看起来像这样

  @_ZTIPKc = external constant i8*
  @_ZTIi = external constant i8*
  define void @_Z3foov() uwtable ssp {
  entry:
    invoke void @_Z3barv()
            to label %try.cont unwind label %lpad

  lpad:
    %0 = landingpad { i8*, i32 } personality i8* bitcast (i32 (...)* @__gxx_personality_v0 to i8*)
                                   catch i8* bitcast (i8** @_ZTIi to i8*)
                                   filter [1 x i8*] [i8* bitcast (i8** @_ZTIPKc to i8*)]
    %1 = extractvalue { i8*, i32 } %0, 0
    %2 = extractvalue { i8*, i32 } %0, 1
    %3 = tail call i32 @llvm.eh.typeid.for(i8* bitcast (i8** @_ZTIi to i8*)) nounwind
    %matches = icmp eq i32 %2, %3
    br i1 %matches, label %catch, label %filter.dispatch

  filter.dispatch:
    %ehspec.fails = icmp slt i32 %2, 0
    br i1 %ehspec.fails, label %ehspec.unexpected, label %eh.resume

  ehspec.unexpected:
    tail call void @__cxa_call_unexpected(i8* %1) no return
    unreachable

  catch:
    %4 = tail call i8* @__cxa_begin_catch(i8* %1) nounwind
    tail call void @__cxa_end_catch() nounwind
    br label %try.cont

  try.cont:
    ret void

  eh.resume:
    resume { i8*, i32 } %0
  }

Thelandingpad指令指定 EH 运行时使用的个性函数，它可以捕获的类型列表（int），以及foo允许抛出的类型列表（const char *).

Theresume指令如果异常没有被捕获并且是允许的类型，则恢复异常传播。

转换为 LLVM 3.0 异常处理系统

从旧的 EH API 转换为新的 EH API 非常简单，因为很多复杂性都被去掉了。要生成 LLVM 2.9 中的 EH 代码，您需要执行类似于以下操作

  Function *ExcIntr =
    Intrinsic::getDeclaration(TheModule, Intrinsic::eh_exception);
  Function *SlctrIntr =
    Intrinsic::getDeclaration(TheModule, Intrinsic::eh_selector);
  Function *PersonalityFn =
    Function::Create(FunctionType::get(Type::getInt32Ty(Context), true),
                     Function::ExternalLinkage,
                     "__gxx_personality_v0", TheModule);

  // The exception pointer.
  Value *ExnPtr = Builder.CreateCall(ExcIntr, "exn");

  // The arguments to the @llvm.eh.selector instruction.
  std::vector<Value*> Args;  Args.push_back(ExnPtr);
  Args.push_back(Builder.CreateBitCast(PersonalityFn,
                                       Type::getInt8PtrTy(Context)));

  // ... Complex code to add catch types, filters, cleanups, and catch-alls to Args ...

  // The selector call.
  Value *Sel = Builder.CreateCall(SlctrIntr, Args, "exn.sel");

您应该改为生成一个landingpad指令，它返回一个异常对象和选择器值

  LandingPadInst *LPadInst =
    Builder.CreateLandingPad(StructType::get(Int8PtrTy, Int32Ty, NULL),
                             PersonalityFn, 0);
  Value *ExnPtr = Builder.CreateExtractValue(LPadInst, 0);
  Value *Sel = Builder.CreateExtractValue(LPadInst, 1);

现在可以轻松地将各个子句添加到landingpad指令中。

  // Adding a catch clause
  Constant *TypeInfo = getTypeInfo();
  LPadInst->addClause(TypeInfo);

  // Adding a C++ catch-all
  LPadInst->addClause(Constant::getNullValue(Builder.getInt8PtrTy()));

  // Adding a cleanup
  LPadInst->setCleanup(true);

  // Adding a filter clause
  std::vector<Value*> TypeInfos;
  Constant *TypeInfo = getFilterTypeInfo();
  TypeInfos.push_back(Builder.CreateBitCast(TypeInfo, Builder.getInt8PtrTy()));
  ArrayType *FilterTy = ArrayType::get(Int8PtrTy, TypeInfos.size());
  LPadInst-<addClause(ConstantArray::get(FilterTy, TypeInfos));

从使用@llvm.eh.resume内联函数转换为使用resume指令非常简单。它采用由landingpad指令

  Type *UnwindDataTy = StructType::get(Builder.getInt8PtrTy(),
                                       Builder.getInt32Ty(), NULL);
  Value *UnwindData = UndefValue::get(UnwindDataTy);
  Value *ExcPtr = Builder.CreateLoad(getExceptionObjSlot());
  Value *ExcSel = Builder.CreateLoad(getExceptionSelSlot());
  UnwindData = Builder.CreateInsertValue(UnwindData, ExcPtr, 0, "exc_ptr");
  UnwindData = Builder.CreateInsertValue(UnwindData, ExcSel, 1, "exc_sel");
  Builder.CreateResume(UnwindData);

结论

新的 EH 系统现在比旧系统工作得更好。它更不容易出错，也更不复杂。这使得在您需要阅读 IR 以了解发生了什么时更容易理解。更重要的是，它让我们比以前更紧密地遵循 ABI。

更棒的是，从旧系统转换到新系统非常简单。事实上，您可能会发现您的代码变得更简单！如果您想了解更多详细信息和参考信息，请参阅 LLVM IR 中的异常处理 文档。