setjmp()和longjmp()函数详解

今天看《unix环境高级编程》发现这两个函数，还挺有用的，在c异常处理、协程等作用很大。

使用方法

我们知道，想要实现函数内的跳转可以使用goto语句，但如果需要从一个函数跳转到另一个函数，goto是不能完成的，那该如何实现呢？

函数间跳转原理

示例代码：

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。

原型

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

setjmp函数的功能就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。

env 即为保存函数上下文的jmp_buf结构体变量；
返回值：如果直接调用该函数，直接返回0；若该函数从longjmp调用返回，返回值为非零值，由longjmp传进来。根据函数的返回值，我们就可以判断setjmp是直接第一次调用，还是从其他地方跳转过来的。

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

#include "stdio.h"
#include "setjmp.h"

static jmp_buf buf;

void second(){
    printf("second\n");         // 打印
    longjmp(buf,1); // 跳回setjmp的调用处 - 使得setjmp返回值为1
}

void first(){
    second();
    printf("first\n"); // 不可能执行到此行
}

int main(){

    if (!setjmp(buf)){
        first();        // 进入此行前，setjmp返回0
    }else{      // 当longjmp跳转回，setjmp返回1，因此进入此行
        printf("main\n");  // 打印 
    }
    return 0;
}

输出结果：
这里写图片描述

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。

下次有时间看看关于这两个函数在协程中的应用，今天就先到这~

参考：
1、http://www.cnblogs.com/hazir/p/c_setjmp_longjmp.html
2、http://blog.csdn.net/chenyiming_1990/article/details/8683413