RTFSC

C 语言中 setjmp 和 longjmp

03 November 2013

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

  • http://en.wikipedia.org/wiki/Longjmp
  • www.cs.purdue.edu/homes/cs240/lectures/Lecture-19.pdf
comments powered by Disqus