C 语言中 setjmp 和 longjmp

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。

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