C语言中一种更优雅的异常处理机制

上一篇文章对C语言中的goto语句进行了较深入的阐述，实际上goto语句是面向过程与面向结构化程序语言中，进行异常处理编程的最原始的支持形 式。后来为了更好地、更方便地支持异常处理编程机制，使得程序员在C语言开发的程序中，能写出更高效、更友善的带有异常处理机制的代码模块来。于是，C语 言中出现了一种更优雅的异常处理机制，那就是setjmp()函数与longjmp()函数。

　　实际上，这种异常处理的机制不是C语言 中自身的一部分，而是在C标准库中实现的两个非常有技巧的库函数，也许大多数C程序员朋友们对它都很熟悉，而 且，通过使用setjmp()函数与longjmp()函数组合后，而提供的对程序的异常处理机制，以被广泛运用到许多C语言开发的库系统中，如jpg解 析库，加密解密库等等。

　　也许C语言中的这种异常处理机制，较goto语句相比较，它才是真正意义上的、概念上比较彻底的，一种异常处理机制。作风一向比较严谨、喜欢刨根问底的主人公阿愚当然不会放
弃对这种异常处理机制进行全面而深入的研究。下面一起来看看。

setjmp函数有何作用？

　　前面刚说了，setjmp是C标准库中提供的一个函数，它的作用是保存程序当前运行的一些状态。它的函数原型如下：

int setjmp( jmp_buf env );

　　这是MSDN中对它的评论，如下：

　　setjmp函数用于保存程序的运行时的堆栈环境，接下来的其它地方，你可以通过调用longjmp函数来恢复先前被保存的程序堆栈环境。当 setjmp和longjmp组合一起使用时，它们能提供一种在程序中实现“非本地局部跳转”（"non-local goto"）的机制。并且这种机制常常被用于来实现，把程序的控制流传递到错误处理模块之中；或者程序中不采用正常的返回（return）语句，或函数的 正常调用等方法，而使程序能被恢复到先前的一个调用例程（也即函数）中。

　 　对setjmp函数的调用时，会保存程序当前的堆栈环境到env参数中；接下来调用longjmp时，会根据这个曾经保存的变量来恢复先前的环境，并且 当前的程序控制流，会因此而返回到先前调用setjmp时的程序执行点。此时，在接下来的控制流的例程中，所能访问的所有的变量（除寄存器类型的变量以 外），包含了longjmp函数调用时，所拥有的变量。

　　setjmp和longjmp并不能很好地支持C++中面向对象的语义。因此在C++程序中，请使用C++提供的异常处理机制。

　　好了，现在已经对setjmp有了很感性的了解，暂且不做过多评论，接着往下看longjmp函数。

longjmp函数有何作用？

　　同样，longjmp也是C标准库中提供的一个函数，它的作用是用于恢复程序执行的堆栈环境，它的函数原型如下：

void longjmp( jmp_buf env, int value );

　　这是MSDN中对它的评论，如下：

　　longjmp函数用于恢复先前程序中调用的setjmp函数时所保存的堆栈环境。setjmp和longjmp组合一起使用时，它们能提供一 种在程序中实现“非本地局部跳转”（"non-local goto"）的机制。并且这种机制常常被用于来实现，把程序的控制流传递到错误处理模块，或者不采用正常的返回（return）语句，或函数的正常调用等 方法，使程序能被恢复到先前的一个调用例程（也即函数）中。

　 　对setjmp函数的调用时，会保存程序当前的堆栈环境到env参数中；接下来调用longjmp时，会根据这个曾经保存的变量来恢复先前的环境，并且 因此当前的程序控制流，会返回到先前调用setjmp时的执行点。此时，value参数值会被setjmp函数所返回，程序继续得以执行。并且，在接下来 的控制流的例程中，它所能够访问到的所有的变量（除寄存器类型的变量以外），包含了longjmp函数调用时，所拥有的变量；而寄存器类型的变量将不可预 料。setjmp函数返回的值必须是非零值，如果longjmp传送的value参数值为0，那么实际上被setjmp返回的值是1。

　　在调用setjmp的函数返回之前，调用longjmp，否则结果不可预料。

　　在使用longjmp时，请遵守以下规则或限制：
　　· 不要假象寄存器类型的变量将总会保持不变。在调用longjmp之后，通过setjmp所返回的控制流中，例程中寄存器类型的变量将不会被恢复。
　　· 不要使用longjmp函数，来实现把控制流，从一个中断处理例程中传出，除非被捕获的异常是一个浮点数异常。在后一种情况下，如果程序通过调用 _fpreset函数，来首先初始化浮点数包后，它是可以通过longjmp来实现从中断处理例程中返回。
　　· 在C++程序中，小心对setjmp和longjmp的使用，应为setjmp和longjmp并不能很好地支持C++中面向对象的语义。因此在C++程序中，使用C++提供的异常处理机制将会更加安全。
把setjmp和longjmp组合起来，原来它这么厉害！
　　现在已经对setjmp和longjmp都有了很感性的了解，接下来，看一个示例，并从这个示例展开分析，示例代码如下（来源于MSDN）：

/* FPRESET.C: This program uses signal to set up a
* routine for handling floating-point errors.
*/

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

jmp_buf mark; /* Address for long jump to jump to */
int fperr; /* Global error number */

void __cdecl fphandler( int sig, int num ); /* Prototypes */
void fpcheck( void );

void main( void )
{
double n1, n2, r;
int jmpret;
/* Unmask all floating-point exceptions. */
_control87( 0, _MCW_EM );
/* Set up floating-point error handler. The compiler
* will generate a warning because it expects
* signal-handling functions to take only one argument.
*/
if( signal( SIGFPE, fphandler ) == SIG_ERR )

{
fprintf( stderr, "Couldn't set SIGFPE\n" );
abort(); }

/* Save stack environment for return in case of error. First
* time through, jmpret is 0, so true conditional is executed.
* If an error occurs, jmpret will be set to -1 and false
* conditional will be executed.
*/

// 注意，下面这条语句的作用是，保存程序当前运行的状态
jmpret = setjmp( mark );
if( jmpret == 0 )
{
printf( "Test for invalid operation - " );
printf( "enter two numbers: " );
scanf( "%lf %lf", &n1, &n2 );

// 注意，下面这条语句可能出现异常，
// 如果从终端输入的第2个变量是0值的话
r = n1 / n2;
/* This won't be reached if error occurs. */
printf( "\n\n%4.3g / %4.3g = %4.3g\n", n1, n2, r );

r = n1 * n2;
/* This won't be reached if error occurs. */
printf( "\n\n%4.3g * %4.3g = %4.3g\n", n1, n2, r );
}
else
fpcheck();
}
/* fphandler handles SIGFPE (floating-point error) interrupt. Note
* that this prototype accepts two arguments and that the
* prototype for signal in the run-time library expects a signal
* handler to have only one argument.
*
* The second argument in this signal handler allows processing of
* _FPE_INVALID, _FPE_OVERFLOW, _FPE_UNDERFLOW, and
* _FPE_ZERODIVIDE, all of which are Microsoft-specific symbols
* that augment the information provided by SIGFPE. The compiler
* will generate a warning, which is harmless and expected.

*/
void fphandler( int sig, int num )
{
/* Set global for outside check since we don't want
* to do I/O in the handler.
*/
fperr = num;
/* Initialize floating-point package. */
_fpreset();
/* Restore calling environment and jump back to setjmp. Return
* -1 so that setjmp will return false for conditional test.
*/
// 注意，下面这条语句的作用是，恢复先前setjmp所保存的程序状态
longjmp( mark, -1 );
}
void fpcheck( void )
{
char fpstr[30];
switch( fperr )
{
case _FPE_INVALID:
strcpy( fpstr, "Invalid number" );
break;
case _FPE_OVERFLOW:
strcpy( fpstr, "Overflow" );

break;
case _FPE_UNDERFLOW:
strcpy( fpstr, "Underflow" );
break;
case _FPE_ZERODIVIDE:
strcpy( fpstr, "Divide by zero" );
break;
default:
strcpy( fpstr, "Other floating point error" );
break;
}
printf( "Error %d: %s\n", fperr, fpstr );
}

程序的运行结果如下：
Test for invalid operation - enter two numbers: 1 2

1 / 2 = 0.5

1 * 2 = 2

　　上面的程序运行结果正常。另外程序的运行结果还有一种情况，如下：
Test for invalid operation - enter two numbers: 1 0
Error 131: Divide by zero

　　呵呵！程序运行过程中出现了异常（被0除），并且这种异常被程序预先定义的异常处理模块所捕获了。厉害吧！可千万别轻视，这可以C语言编写的程序。

分析setjmp和longjmp

　　现在，来分析上面的程序的执行过程。当然，这里主要分析在异常出现的情况下，程序运行的控制转移流程。由于文章篇幅有限，分析时，我们简化不相关的代码，这样更也易理解控制流的执行过程。如下图所示。

　　呵呵！现在是否对程序的执行流程一目了然，其中最关键的就是setjjmp和longjmp函数的调用处理。我们分别来分析之。

　 　当程序运行到第②步时，调用setjmp函数，这个函数会保存程序当前运行的一些状态信息，主要是一些系统寄存器的值，如ss，cs，eip， eax，ebx，ecx，edx，eflags等寄存器，其中尤其重要的是eip的值，因为它相当于保存了一个程序运行的执行点。这些信息被保存到 mark变量中，这是一个C标准库中所定义的特殊结构体类型的变量。

　　调用setjmp函数保存程序状态之后，该函数返回0值，于是接下来程序执行到第③步和第④步中。在第④步中语句执行时，如果变量n2为0值，于是便 引发了一个浮点数计算异常，，导致控制流转入fphandler函数中，也即进入到第⑤步。

　 　然后运行到第⑥步，调用longjmp函数，这个函数内部会从先前的setjmp所保存的程序状态，也即mark变量中，来恢复到以前的系统寄存器的 值。于是便进入到了第⑦步，注意，这非常有点意思，实际上，通过longjmp函数的调用后，程序控制流（尤其是eip的值）再次戏剧性地进入到了 setjmp函数的处理内部中，但是这一次setjmp返回的值是longjmp函数调用时，所传入的第2个参数，也即-1，因此程序接下来进入到了第⑧ 步的执行之中。

总结

　　与goto语句不同，在C语言中，setjmp()与longjmp()的组合调用，为程序员提供了一种更优雅的异常处理机制。它具有如下特点：

　　 （1） goto只能实现本地跳转，而setjmp()与longjmp()的组合运用，能有效的实现程序控制流的非本地（远程）跳转；

　 　 （2） 与goto语句不同，setjmp()与longjmp()的组合运用，提供了真正意义上的异常处理机制。例如，它能有效定义受监控保护的模块区域（类似 于C++中try关键字所定义的区域）；同时它也能有效地定义异常处理模块（类似于C++中catch关键字所定义的区域）；还有，它能在程序执行过程 中，通过longjmp函数的调用，方便地抛出异常（类似于C++中throw关键字）。

　　现在，相信大家已经对在C语言中提供的这种异常处理机制有了很全面地了解。但是我们还没有深入它研究它，下一篇文章中继续探讨吧！go！

全面了解setjmp与longjmp的使用

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作者：王胜祥　来源：希赛网　　2005年5月21日

　 　上一篇文章对setjmp函数与longjmp函数有了较全面的了解，尤其是这两个函数的作用，函数所完成的功能，以及将setjmp函数与 longjmp函数组合起来，实现异常处理机制时，程序模块控制流的执行过程等。这里更深入一步，将对setjmp与longjmp的具体使用方法和适用 的场合，进行一个非常全面的阐述。

　　另外请特别注意，setjmp函数与longjmp函数总是组合起来使用，它们是紧密相关的一对操作，只有将它们结合起来使用，才能达到程序控制流有效转移的目的，才能按照程序员的预先设计的意图，去实现对程序中可能出现的异常进行集中处理。

　　与goto语句的作用类似，它能实现本地的跳转

　　这种情况容易理解，不过还是列举出一个示例程序吧！如下：

void main( void )
{
int jmpret;

jmpret = setjmp( mark );
if( jmpret == 0 )
{
// 其它代码的执行
// 判断程序远行中，是否出现错误，如果有错误，则跳转！
if(1) longjmp(mark, 1);

// 其它代码的执行
// 判断程序远行中，是否出现错误，如果有错误，则跳转！
if(2) longjmp(mark, 2);

// 其它代码的执行
// 判断程序远行中，是否出现错误，如果有错误，则跳转！
if(-1) longjmp(mark, -1);

// 其它代码的执行
}
else
{
// 错误处理模块
switch (jmpret)
{
case 1:
printf( "Error 1\n");
break;
case 2:
printf( "Error 2\n");
break;
case 3:
printf( "Error 3\n");
break;
default :
printf( "Unknown Error");
break;
}
exit(0);
}

return;
}

　 　上面的例程非常地简单，其中程序中使用到了异常处理的机制，这使得程序的代码非常紧凑、清晰，易于理解。在程序运行过程中，当异常情况出现后，控制流是 进行了一个本地跳转（进入到异常处理的代码模块，是在同一个函数的内部），这种情况其实也可以用goto语句来予以很好的实现，但是，显然setjmp与 longjmp的方式，更为严谨一些，也更为友善。程序的执行流如图17-1所示。

setjmp与longjmp相结合，实现程序的非本地的跳转

　 　呵呵！这就是goto语句所不能实现的。也正因为如此，所以才说在C语言中，setjmp与longjmp相结合的方式，它提供了真正意义上的异常处 理机制。其实上一篇文章中的那个例程，已经演示了longjmp函数的非本地跳转的场景。这里为了更清晰演示本地跳转与非本地跳转，这两者之间的区别，我 们在上面刚才的那个例程基础上，进行很小的一点改动，代码如下：

void Func1()
{
// 其它代码的执行
// 判断程序远行中，是否出现错误，如果有错误，则跳转！
if(1) longjmp(mark, 1);
}

void Func2()
{
// 其它代码的执行
// 判断程序远行中，是否出现错误，如果有错误，则跳转！
if(2) longjmp(mark, 2);
}

void Func3()
{
// 其它代码的执行
// 判断程序远行中，是否出现错误，如果有错误，则跳转！
if(-1) longjmp(mark, -1);
}

void main( void )
{
int jmpret;

jmpret = setjmp( mark );
if( jmpret == 0 )
{
// 其它代码的执行

// 下面的这些函数执行过程中，有可能出现异常
Func1();

Func2();

Func3();

// 其它代码的执行
}
else
{
// 错误处理模块
switch (jmpret)
{
case 1:
printf( "Error 1\n");
break;
case 2:
printf( "Error 2\n");
break;
case 3:
printf( "Error 3\n");
break;
default :
printf( "Unknown Error");
break;
}
exit(0);
}

return;
}

　　回顾一下，这与C++中提供的异常处理模型是不是很相近。异常的传递是可以跨越一个或多个函数。这的确为C程序员提供了一种较完善的异常处理编程的机制或手段。

setjmp和longjmp使用时，需要特别注意的事情

　 　1、setjmp与longjmp结合使用时，它们必须有严格的先后执行顺序，也即先调用setjmp函数，之后再调用longjmp函数，以恢复到 先前被保存的“程序执行点”。否则，如果在setjmp调用之前，执行longjmp函数，将导致程序的执行流变的不可预测，很容易导致程序崩溃而退出。 请看示例程序，代码如下：

class Test
{
public:
Test() {printf("构造对象\n");}
~Test() {printf("析构对象\n");}
}obj;

//注意，上面声明了一个全局变量obj

void main( void )
{
int jmpret;

// 注意，这里将会导致程序崩溃，无条件退出
Func1();
while(1);

jmpret = setjmp( mark );
if( jmpret == 0 )
{
// 其它代码的执行

// 下面的这些函数执行过程中，有可能出现异常
Func1();

Func2();

Func3();

// 其它代码的执行
}
else
{
// 错误处理模块
switch (jmpret)
{
case 1:
printf( "Error 1\n");
break;
case 2:
printf( "Error 2\n");
break;
case 3:
printf( "Error 3\n");
break;
default :
printf( "Unknown Error");
break;
}
exit(0);
}

return;
}

　　上面的程序运行结果，如下：
　　构造对象
　　Press any key to continue

　 　的确，上面程序崩溃了，由于在Func1()函数内，调用了longjmp，但此时程序还没有调用setjmp来保存一个程序执行点。因此，程序的执行 流变的不可预测。这样导致的程序后果是非常严重的，例如说，上面的程序中，有一个对象被构造了，但程序崩溃退出时，它的析构函数并没有被系统来调用，得以 清除一些必要的资源。所以这样的程序是非常危险的。（另外请注意，上面的程序是一个C++程序，所以大家演示并测试这个例程时，把源文件的扩展名改为 xxx.cpp）。

　　2、除了要求先调用setjmp函数，之后再调用longjmp函数（也即longjmp必须有对应的setjmp函数）之外。另外，还有一个很重要的规则，那就是longjmp的调用是有一定域范围要求的。这未免太抽象了，还是先看一个示例，如下：

int Sub_Func()
{
int jmpret, be_modify;

be_modify = 0;

jmpret = setjmp( mark );
if( jmpret == 0 )
{
// 其它代码的执行
}
else
{
// 错误处理模块
switch (jmpret)
{
case 1:
printf( "Error 1\n");
break;
case 2:
printf( "Error 2\n");
break;
case 3:
printf( "Error 3\n");
break;
default :
printf( "Unknown Error");
break;
}

//注意这一语句，程序有条件地退出
if (be_modify==0) exit(0);
}

return jmpret;
}

void main( void )
{
Sub_Func();

// 注意，虽然longjmp的调用是在setjmp之后，但是它超出了setjmp的作用范围。
longjmp(mark, 1);
}

　　如果你运行或调试（单步跟踪）一下上面程序，发现它真是挺神奇的，居然longjmp执行时，程序还能够返回到setjmp的执行点，程序正常退出。但是这就说明了上面的这个例程的没有问题吗？我们对这个程序小改一下，如下：

int Sub_Func()
{
// 注意，这里改动了一点
int be_modify, jmpret;

be_modify = 0;

jmpret = setjmp( mark );
if( jmpret == 0 )
{
// 其它代码的执行
}
else
{
// 错误处理模块
switch (jmpret)
{
case 1:
printf( "Error 1\n");
break;
case 2:
printf( "Error 2\n");
break;
case 3:
printf( "Error 3\n");
break;
default :
printf( "Unknown Error");
break;
}

//注意这一语句，程序有条件地退出
if (be_modify==0) exit(0);
}

return jmpret;
}

void main( void )
{
Sub_Func();

// 注意，虽然longjmp的调用是在setjmp之后，但是它超出了setjmp的作用范围。
longjmp(mark, 1);
}

　 　运行或调试（单步跟踪）上面的程序，发现它崩溃了，为什么？这就是因为，“在调用setjmp的函数返回之前，调用longjmp，否则结果不可预料” （这在上一篇文章中已经提到过，MSDN中做了特别的说明）。为什么这样做会导致不可预料？其实仔细想想，原因也很简单，那就是因为，当setjmp函数 调用时，它保存的程序执行点环境，只应该在当前的函数作用域以内（或以后）才会有效。如果函数返回到了上层（或更上层）的函数环境中，那么setjmp保 存的程序的环境也将会无效，因为堆栈中的数据此时将可能发生覆盖，所以当然会导致不可预料的执行后果。

　　 3、不要假象寄存器类型的变量将总会保持不变。在调用longjmp之后，通过setjmp所返回的控制流中，例程中寄存器类型的变量将不会被恢复。 （MSDN中做了特别的说明，上一篇文章中，这也已经提到过）。寄存器类型的变量，是指为了提高程序的运行效率，变量不被保存在内存中，而是直接被保存在 寄存器中。寄存器类型的变量一般都是临时变量，在C语言中，通过register定义，或直接嵌入汇编代码的程序。这种类型的变量一般很少采用，所以在使 用setjmp和longjmp时，基本上不用考虑到这一点。

　　4、MSDN中还做了特别的说明，“在C+ +程序中，小心对setjmp和longjmp的使用，因为setjmp和longjmp并不能很好地支持C++中面向对象的语义。因此在C++程序中， 使用C++提供的异常处理机制将会更加安全。”虽然说C++能非常好的兼容C，但是这并非是100%的完全兼容。例如，这里就是一个很好的例子，在C++ 程序中，它不能很好地与setjmp和longjmp和平共处。在后面的一些文章中，有关专门讨论C++如何兼容支持C语言中的异常处理机制时，会做详细 深入的研究，这里暂且跳过。

总结

　　主人公阿愚现在对setjmp与longjmp 已经是非常钦佩了，虽然它没有C++中提供的异常处理模型那么好用，但是毕竟在C语言中，有这么好用的 东东，已经是非常不错了。为了更上一层楼，使setjmp与longjmp更接近C++中提供的异常处理模型（也即try()catch()语法）。阿愚 找到了不少非常有价值的资料。不要错过，继续到下一篇文章中去吧！让程序员朋友们“玩转setjmp与longjmp”，Let’s go！