C语言中利用setjmp和longjmp做异常处理

Posted 2020-06-16 smstong

错误处理是任何语言都需要解决的问题，只有不能保证100%的正确运行，就需要有处理错误的机制。异常处理就是其中的一种错误处理方式。

1 过程活动记录（Active Record）

C语言中每当有一个函数调用时，就会在堆栈(Stack)上准备一个被称为AR的结构，抛开具体编译器实现细节的不同，这个AR基本结构如下所示。

每当遇到一次函数调用的语句，C编译器都会产生出汇编代码来在堆栈上分配这个AR。例如下面的C代码：

void a(int i)
{
    if(i==0){
        i = 1;
    }
    else
    {
        printf("i = %d \n", i);
    }
}

int main(int argc, char** argv)
{
    a(1);
}

当程序运行后执行到printf()语句时，堆栈上的AR布局如下：

2 通过setjmp和longjmp操纵AR，完成任意跳转

那么如何来操纵AR呢，一个可能的方法是，根据局部变量的地址进行推算，例如对于上面的a函数，执行a函数时的当前AR地址就是参数i的地址偏移8个字节，也就是 ((char*)&i) - 8。然而，不同的C编译器，以及不同的硬件平台都会产生不同的AR结构布局，甚至在一些平台上，AR根本不会存放到Stack中。所以这种方式操纵AR是不通用的。

为此，C语言通过库函数的方式提供了操纵AR的统一方法，那就是setjmp和longjmp函数。

int setjmp(jmp_buf jb);
void longjmp(jmp_buf jb, int r);

setjmp用于保存当前AR到jb变量中；
而longjmp用于设置当前AR为jb，并跳转到调用setjmp()；之后的第一个语句处。其结果就相当于回到了setjmp()刚执行完毕，只是偷偷的修改了setjmp的返回值。

setjmp()第一次调用时总是返回0，而通过longjmp(jb,r)跳转后其返回值总是被修改为r，并且r不能为0。这样程序中就很容易根据setjmp()的返回值来判断是否是longjmp()导致了跳转才执行到此。

setjmp/longjmp主要从嵌套的函数调用中跳出来。

#include <stdio.h>
#include <setjmp.h>

jmp_buf jb;
void a();
void b();
void c();

int main()
{
    if(setjmp(jb)==0){
        a();
    }
    printf("after a(); \n");
    return 0;
}
void a()
{
    b();
    printf("a() is called\n");
}
void b()
{
    c();
    printf("b() is called\n");
}
void c()
{
    printf("c() is called\n");
    longjmp(jb, 1);
}

在c()中可以直接跳转到main()中，实际上longjmp不限制跳转的目的地，可以跳转到任意位置并恢复当时的堆栈环境（堆栈平衡）。

3 C语言中实现异常处理

异常处理是错误处理的一种方式，C语言中更常用的错误处理方式是检测函数返回值。

#include <stdio.h>

int f1()
{
    if(1/*正确执行*/) { return 1; }
    else { return -1; }
}
int f2()
{
    if(0/*正确执行*/) { return 1; }
    else { return -1; }
}

int main()
{
    if(f1()<0){
        printf("错误处理1\n");
        exit(1);
    }

    if(f2()<0){
        printf("错误处理2\n");
        exit(2);
    }
    return 0;
}

上面代码显示了常见的C语言错误处理方式。严谨的软件开发中，必须检测每一次函数调用可能出现的错误，并做相应的处理。造成的后果就是冗长繁琐的代码。为了统一处理错误，C++，C#，Java等现代语言引入了异常处理机制。同样功能的C++代码大概如下：

#include <stdio.h>

class Ex1{
};
class Ex2{
};
void f1()
{
    printf("进入f1()\n");
    if(0/*正确执行*/){ }
    else {
        throw Ex1();
    }
    printf("退出f1()\n");
}
void f2()
{
    printf("进入f2()\n");
    if(1/*正确执行*/) {  }
    else {
        throw Ex2();
    }
    printf("退出f2()\n");
}

int main()
{
    try{
        f1();
        f2();
    }catch(Ex1 &ex){
        printf("处理错误1\n");
        exit(1);
    }
    catch(Ex2 &ex){
        printf("处理错误2\n");
        exit(2);
    }
    return 0;
}

程序输出：

进入f1()
处理错误1

可见，异常处理让代码看起来更加整洁，逻辑代码在一起，错误处理代码在一起。throw后面的语句不再执行，执行流直接跳转到最近的try对应的catch块。

可以推测，

• throw要负责两件事情：（1）完成跳转；（2）恢复堆栈AR；
• try则负责保存当前AR

可见这与setjmp/longjmp基本相当。于是可以在C中近似写成。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <setjmp.h>

jmp_buf jb;

void f1()
{
    printf("进入f1()\n");
    if(0/*正确执行*/){ }
    else {
        longjmp(jb,1);
    }
    printf("退出f1()\n");
}
void f2()
{
    printf("进入f2()\n");
    if(1/*正确执行*/) {  }
    else {
        longjmp(jb, 2);
    }
    printf("退出f2()\n");
}

int main()
{
    int r = setjmp(jb);
    if(r==0){
        f1();
        f2();
    }else if(r==1){
        printf("处理错误1\n");
        exit(1);
    }else if(r==2){
        printf("处理错误2\n");
        exit(2);
    }
    return 0;
}

当然完整的异常处理远比这里的代码要复杂，需要考虑异常的嵌套等，这里仅仅给出最简单的思路。

4 不要在C++中使用setjmp和longjmp

C++为异常处理提供了直接支持。除非极特殊需要，不要再重新实现自己的异常机制，尤其需要说明的是，简单的调用setjmp/longjmp有可能带来问题。如

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <setjmp.h>

class MyClass
{
public:
    MyClass(){ printf("MyClass::MyClass()\n");}
    ~MyClass(){ printf("MyClass::~MyClass()\n");}
};
jmp_buf jb;

void f1()
{
    MyClass obj;
    printf("进入f1()\n");
    if(0/*正确执行*/){ }
    else {
        longjmp(jb,1);
    }
    printf("退出f1()\n");
}
void f2()
{
    printf("进入f2()\n");
    if(1/*正确执行*/) {  }
    else {
        longjmp(jb, 2);
    }
    printf("退出f2()\n");
}

int main()
{
    int r = setjmp(jb);
    if(r==0){
        f1();
        f2();
    }else if(r==1){
        printf("处理错误1\n");
        exit(1);
    }else if(r==2){
        printf("处理错误2\n");
        exit(2);
    }
    return 0;
}

g++编译，程序输出：

MyClass::MyClass()
进入f1()
处理错误1

vc++编译，程序输出：

MyClass::MyClass()
进入f1()
MyClass::~MyClass()
处理错误1

longjmp()跳转前局部对象可能并不会析构（g++），也可能析构（VC++），C++标准对此并无明确要求。这种依赖于具体编译器版本的代码是应该避免的。

而C++本身的throw关键字，却能严格保证局部对象构造和析构的成对调用。

5 辩证看待异常处理

为实现异常处理，C++编译器为此必须做更多的工作，也必然导致在AR中直接或间接地存放更多的信息，并产生操作这些信息的汇编代码，最终必然导致运行效率的降低。

另一方面，已经存在大量没有严格使用异常处理C++函数库和类库，兼容的C库更是没有异常的概念，历史的包袱让C++很难完全采用异常处理。在这个方面，Java和C#从头开始，重要的库都实现了标准的异常处理规范，完全采用异常机制切实可行。

有趣的是C++11在标准中删除了异常规范，而且添加了 noexcept关键字来声明一个函数不会抛出异常，可见异常并不是那么受欢迎。

C++编译器也会提供一个禁用异常的选项，下面是VC++中禁用异常的方法。

然而，C++的STL广泛使用异常，所以实际上使用了STL的C++程序是不可能禁用异常的，要是没有了STL，C++又有什么优势了呢？C++在不断的矛盾冲突中向前发展者。