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C 语言中 setjmp 和 longjmp

[日期:2014-12-06] 来源:Linux社区  作者:hazir [字体: ]

在 C 语言中,我们不能使用 goto 语句来跳转到另一个函数中的某个 label 处;但提供了两个函数——setjmp 和 longjmp来完成这种类型的分支跳转。后面我们会看到这两个函数在处理异常上面的非常有用。

setjmp 和 longjmp 使用方法

我们都知道要想在一个函数内进行跳转,可以使用 goto 语句(不知怎么该语句在中国学生眼中就是臭名昭著,几乎所有国内教材都一刀切地教大家尽量不要使用它,但在我看来,这根本不是语言的问题,而是使用该语言的人,看看 Linux 内核中遍地是 goto 语句的应用吧!),但如果从一个函数内跳转到另一个函数的某处,goto 是不能完成的,那该如何实现呢?

函数间跳转原理

我们要实现的一个 GOTO 语句(我自己定义的),能实现在函数间进行任意跳转,如下例,在函数 g() 中有条语句GOTO Label; 可以跳转到 f() 函数的 Label: 标签所指向的位置,那么我们该如何实现呢?

void f()
{
    //...
    Label:
    //...
}

void g()
{
    //...
    GOTO Label;
    //...
}

首先我们要知道,实现这种类型的跳转,和操作系统中任务切换的上下文切换有点类似,我们只需要恢复 Label 标签处函数上下文即可。函数的上下文包括以下内容:

  • 函数栈帧,主要是栈帧指针BP和栈顶指针SP
  • 程序指针PC,此处为指向 Label 语句的地址
  • 其它寄存器,这是和体系相关的,在 x86 体系下需要保存有的 AX/BX/CX 等等 callee-regs。

这样,在执行 GOTO Label; 这条语句,我们恢复 Label 处的上下文,即完成跳转到 Label 处的功能。

如果你读过 Linux 操作系统进程切换的源码,你会很明白 Linux 会把进程的上下文保存在 task_struct 结构体中,切换时直接恢复。这里我们也可以这样做,将 Label 处的函数上下文保存在某个结构体中,但执行到 GOTO Label 语句时,我们从该结构体中恢复函数的上下文。

这就是函数间进行跳转的基本原理,而 C 语言中 setjmp 和 longjmp 就为我们完成了这样的保存上下文和切换上下文的工作。

函数原型

#include <setjmp.h>
int setjmp(jmp_buf env);

setjmp 函数的功能是将函数在此处的上下文保存在 jmp_buf 结构体中,以供 longjmp 从此结构体中恢复。

  • 参数 env 即为保存上下文的 jmp_buf 结构体变量;
  • 如果直接调用该函数,返回值为 0; 若该函数从 longjmp 调用返回,返回值为非零,由 longjmp 函数提供。根据函数的返回值,我们就可以知道 setjmp 函数调用是第一次直接调用,还是由其它地方跳转过来的。
void longjmp(jmp_buf env, int val);

longjmp 函数的功能是从 jmp_buf 结构体中恢复由 setjmp 函数保存的上下文,该函数不返回,而是从 setjmp 函数中返回。

  • 参数 env 是由 setjmp 函数保存过的上下文。
  • 参数 val 表示从 longjmp 函数传递给 setjmp 函数的返回值,如果 val 值为0, setjmp 将会返回1,否则返回 val。
  • longjmp 不直接返回,而是从 setjmp 函数中返回,longjmp 执行完之后,程序就像刚从 setjmp 函数返回一样。

简单实例

下面是个简单的例子,虽然还只是函数内跳转,但足以说明这两个函数的功能了。
setjmp longjmp

运行该程序得到的结果为:

i = 0
i = 2

C 语言异常处理

Java、C# 等面向对象语言中都有异常处理的机制,如下就是典型的 Java 中异常处理的代码,两个数相除,如果被除数为0抛出异常,在函数 f() 中可以获取该异常并进行处理:

double divide(double to, double by) throws Bad {
    if(by == 0)
        throw new Bad ("Cannot / 0");
    return to / by;
}

void f() {
    try {
        divide(2, 0);
        //...   
    } catch (Bad e) {
        print(e.getMessage());
    }
    print("done");
}

在 C 语言中虽然没有类似的异常处理机制,但是我们可以使用 setjmp 和 longjmp 来模拟实现该功能,这也是这两个函数的一个重要的应用:

static jmp_buf env;

double divide(double to, double by)
{
    if(by == 0)
        longjmp(env, 1);
    return to / by;
}

void f() 
{
    if (setjmp(env) == 0)
        divide(2, 0);
    else
        printf("Cannot / 0");
    printf("done");
}

如果复杂一点,可以根据 longjmp 传递的返回值来判断各种不同的异常,来进行区别的处理,代码结构如下:

switch(setjmp(env)):
    case 0:         //default
        //...
    case 1:         //exception 1
        //...
    case 2:         //exception 2
        //...
    //...

关于使用 C 语言来处理异常,可以参见这篇文章,介绍了更多复杂的结构,但无外乎就是 setjmp 和 longjmp 的应用。

参考资料

 

C++ 设计新思维》 下载见 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-07/104850.htm

C++ Primer Plus 第6版 中文版 清晰有书签PDF+源代码 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101227.htm

读C++ Primer 之构造函数陷阱 http://www.linuxidc.com/Linux/2011-08/40176.htm

读C++ Primer 之智能指针 http://www.linuxidc.com/Linux/2011-08/40177.htm

读C++ Primer 之句柄类 http://www.linuxidc.com/Linux/2011-08/40175.htm

将C语言梳理一下,分布在以下10个章节中:

  1. Linux-C成长之路(一):Linux下C编程概要 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242.htm
  2. Linux-C成长之路(二):基本数据类型 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p2.htm
  3. Linux-C成长之路(三):基本IO函数操作 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p3.htm
  4. Linux-C成长之路(四):运算符 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p4.htm
  5. Linux-C成长之路(五):控制流 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p5.htm
  6. Linux-C成长之路(六):函数要义 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p6.htm
  7. Linux-C成长之路(七):数组与指针 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p7.htm
  8. Linux-C成长之路(八):存储类,动态内存 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p8.htm
  9. Linux-C成长之路(九):复合数据类型 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p9.htm
  10. Linux-C成长之路(十):其他高级议题

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