Setjmp.h

C标准函数库
一般
杂项

setjmp.h是C标准函数库中提供“非本地跳转”的头文件：控制流偏离了通常的子程序调用与返回序列。互补的两个函数setjmp与longjmp提供了这种功能。

setjmp/longjmp的典型用途是异常处理机制的实现：利用longjmp恢复程序或线程的状态，甚至可以跳过栈中多层的函数调用。

成员函数

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int setjmp(jmp_buf env) 建立本地的jmp_buf缓冲区并且初始化，用于将来跳转回此处。这个子程序[1] 保存程序的调用环境于env参数所指的缓冲区，env将被longjmp使用。如果是从setjmp直接调用返回，setjmp返回值为0。如果是从longjmp恢复的程序调用环境返回，setjmp返回非零值。
void longjmp(jmp_buf env, int value) 恢复env所指的缓冲区中的程序调用环境上下文，env所指缓冲区的内容是由setjmp子程序[1]调用所保存。value的值从longjmp传递给setjmp。longjmp完成后，程序从对应的setjmp调用处继续执行，如同setjmp调用刚刚完成。如果value传递给longjmp零值，setjmp的返回值为1；否则，setjmp的返回值为value。

setjmp保存当前的环境（即程序的状态）到平台相关的一个数据结构 (jmp_buf)，该数据结构在随后程序执行的某一点可被 longjmp用于恢复程序的状态到setjmp调用所保存到jmp_buf时的原样。这一过程可以认为是"跳转"回setjmp所保存的程序执行状态。setjmp的返回值指出控制是正常到达该点还是通过调用longjmp恢复到该点。因此有编程的惯用法: if( setjmp(x) ){/* handle longjmp(x) */}。

成员类型

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jmp_buf 数组类型，例如struct int[16][2]或struct __jmp_buf_tag[3]，用于保存恢复调用环境所需的信息。

告诫与限制

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longjmp实现了非本地跳转，微软的IA32程序设计环境中正常的"栈卷回"("stack unwinding")因而没有发生，所以诸如栈中已定义的局部变量的析构函数的调用（用于销毁该局部变量）都没有执行。所有依赖于栈卷回调用析构函数所做的扫尾工作，如关闭文件、释放堆内存块等都没有做。但在微软的X64程序设计环境，longjmp启动了正常的"栈卷回"。[4]

如果setjmp所在的函数已经调用返回了，那么longjmp使用该处setjmp所填写的对应jmp_buf缓冲区将不再有效。这是因为longjmp所要返回的"栈帧"(stack frame)已经不再存在了，程序返回到一个不再存在的执行点，很可能覆盖或者弄坏程序栈.[5][6]

使用例子

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简单例子

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

static jmp_buf buf;

void second(void) {
    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(void) {
    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;
}

上述程序将输出: 

second
main

注意到虽然first()子程序被调用，"first"不可能被打印。"main"被打印，因为条件语句if ( ! setjmp(buf) )被执行第二次。

异常处理

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在下例中，setjmp被用于包住一个例外处理，类似try。longjmp调用类似于throw语句，允许一个异常返回给setjmp一个异常值。下属代码示例遵从1999 ISO C standard与Single UNIX Specification：仅在特定范围内引用setjmp

  • if，switch或它们的嵌套使用的条件表达式
  • 上述情况下与!一起使用或者与整数常值比较
  • 作为单独的语句(不使用其返回值)

遵从上述规则使得创建程序环境缓冲区更为容易。更一般的使用setjmp可能引起未定义行为，如破坏局部变量；编译器被要求保护或警告这些用法。但轻微的复杂用法如switch ((exception_type = setjmp(env))) { }在文献与实践中是常见的，并保持了相当的可移植性。 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <setjmp.h>
 
void first(void);
void second(void);
 
/* This program's output is:
 
calling first
calling second
entering second
second failed with type 3 exception; remapping to type 1.
first failed, exception type 1
 
*/
 
/* Use a file scoped static variable for the exception stack so we can access
 * it anywhere within this translation unit. */
static jmp_buf exception_env;
static int exception_type;
 
int main() {
    void *volatile mem_buffer;
 
    mem_buffer = NULL;
    if (setjmp(exception_env)) {
        /* if we get here there was an exception */
        printf("first failed, exception type %d\n", exception_type);
    } else {
        /* Run code that may signal failure via longjmp. */
        printf("calling first\n");
        first();
        mem_buffer = malloc(300); /* allocate a resource */
        printf("%s",strcpy((char*) mem_buffer, "first succeeded!")); /* ... this will not happen */
    }
    if (mem_buffer)
        free((void*) mem_buffer); /* carefully deallocate resource */
    return 0;
}
 
void first(void) {
    jmp_buf my_env;
 
    printf("calling second\n");
    memcpy(my_env, exception_env, sizeof(jmp_buf));
    switch (setjmp(exception_env)) {
        case 3:
            /* if we get here there was an exception. */
            printf("second failed with type 3 exception; remapping to type 1.\n");
            exception_type = 1;

        default: /* fall through */
            memcpy(exception_env, my_env, sizeof(jmp_buf)); /* restore exception stack */
            longjmp(exception_env, exception_type); /* continue handling the exception */

        case 0:
            /* normal, desired operation */
            second();
            printf("second succeeded\n");  /* not reached */
    }
    memcpy(exception_env, my_env, sizeof(jmp_buf)); /* restore exception stack */
}
 
void second(void) {
    printf("entering second\n" ); /* reached */
    exception_type = 3;
    longjmp(exception_env, exception_type); /* declare that the program has failed */
    printf("leaving second\n"); /* not reached */
}

用于信号处理

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在信号处理机制中，进程在检查收到的信号，会从原来的系统调用中直接返回，而不是等到该调用完成。这种进程突然改变其上下文的情况，就是通过使用setjmp和longjmp来实现的。setjmp将保存的上下文载入用户空间，并继续在旧的上下文中继续执行。这就是说，进程执行一个系统调用，当因为资源或其他原因要去睡眠时，内核为进程作了一次setjmp，如果在睡眠中被信号唤醒，进程不能再进入睡眠时，内核为进程调用longjmp，该操作是内核为进程将现在的上下文切换成原先通过setjmp调用保存在进程用户区的上下文，这样就使得进程可以恢复等待资源前的状态，而且内核为setjmp返回1，使得进程知道该次系统调用失败。

参考文献

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  1. ^ 1.0 1.1 ISO C标准要求setjmp必须是宏实现，但POSIX明确称未定义setjmp是宏实现还是函数实现。
  2. ^ Visual Studio 2008用法
  3. ^ GNU C 函式庫 2.7的用法
  4. ^ Microsoft Visual C++ 2010 x32或x64与Intel ICC 2011 (version 12) x32或x64，编译结果都是longjmp启动了正常的"栈卷回"。但GCC 4.4 x32版编译的longjmp不执行"栈卷回"。可见，是否“栈卷回”不具有移植性。
  5. ^ CS360 Lecture Notes — Setjmp and Longjmp. [2011-06-06]. （原始内容存档于2010-07-04）. 
  6. ^ setjmp(3). [2011-06-06]. （原始内容存档于2009-07-26）. 

外部链接

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