浅析C语言的非局部跳转：setjmp和longjmp

作者：李恩华  写于2012.4.22日凌晨西甲国家德比之前

C语言中有一个goto语句，其可以结合标号实现函数内部的任意跳转（通常情况下，很多人都建议不要使用goto语句，因为采用goto语句后，代码维护工作量加大）。另外，C语言标准中还提供一种非局部跳转“no-local goto"，其通过标准库<setjmp.h>中的两个标准函数setjmp和longjmp来实现。

C标准库<setjmp.h>

下面是K＆R的《C程序设计语言（第2版 . 新版）》第232页给出的关于标准库<setjmp.h>的说明。

8 非局部跳转<setjmp.h>

头文件<setjmp.h>中的说明提供了一种避免通常的函数调用和返回顺序的途径，特别的，它允许立即从一个多层嵌套的函数调用中返回。

8.1 setjmp

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

setjmp()宏把当前状态信息保存到env中，供以后longjmp()恢复状态信息时使用。如果是直接调用setjmp()，那么返回值为0；如果是由于调用longjmp()而调用setjmp()，那么返回值非0。setjmp()只能在某些特定情况下调用，如在if语句、 switch语句及循环语句的条件测试部分以及一些简单的关系表达式中。

8.2 longjmp

#include <setjmp.h>
void longjmp(jmp_buf env, int val);

longjmp()用于恢复由最近一次调用setjmp()时保存到env的状态信息。当它执行完时，程序就象setjmp()刚刚执行完并返回非0值val那样继续执行。包含setjmp()宏调用的函数一定不能已经终止。所有可访问的对象的值都与调用longjmp()时相同，唯一的例外是，那些调用setjmp()宏的函数中的非volatile自动变量如果在调用setjmp()后有了改变，那么就变成未定义的。

jmp_buf是setjmp.h中定义的一个结构类型，其用于保存系统状态信息。宏函数setjmp会将其所在的程序点的系统状态信息保存到某个jmp_buf的结构变量env中，而调用函数longjmp会将宏函数setjmp保存在变量env中的系统状态信息进行恢复，于是系统就会跳转到setjmp()宏调用所在的程序点继续进行。这样setjmp/longjmp就实现了非局部跳转的功能。

一个简单的例子：

下面我们来看一个简单的例子。

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

jmp_buf jump_buffer;

void func(void)
{
         printf("Before calling longjmp\n");
         longjmp(jump_buffer, 1);
         printf("After calling longjmp\n");
}
void func1(void)
{
         printf("Before calling func\n");
         func();
         printf("After calling func\n");
}
int main()
{
         if (setjmp(jump_buffer) == 0){
                   printf("first calling set_jmp\n");
                   func1();
         }else {
                   printf("second calling set_jmp\n");
         }
         return 0;
}

代码的运行结果如下

lienhua34@lienhua34-laptop:~/program/test$ ./test
first calling set_jmp
Before calling func
Before calling longjmp
second calling set_jmp 

通过上面这个简单例子的运行结果可以看出。main函数运行的setjmp()宏调用，将当前程序点的系统状态信息保存到全局变量jump_buffer中，然后返回结果0。于是，代码打印出字符串"first calling set_jmp"，然后调用函数func1()。在函数func1中，先打印字符串"Before calling func"，然后去调用函数func()。现在程序控制流转到func函数中，函数func先打印字符串“Before calling longjmp"，然后调用函数longjmp。这时候关键点到了！！！longjmp函数将main函数中setjmp()宏调用设置在全局变量jump_buffer中的系统状态信息恢复到系统的相应寄存器中，导致程序的控制流跳转到了main函数中setjmp()宏调用所在的程序点，此时相当于第二次进行setjmp()宏调用，并且此时的setjmp()宏调用的返回不再是0，而是传递给函数调用longjmp()的第二个参数1。于是程序控制流转到main函数中if语句的else部分执行，打印字符串“second calling set_jmp“。最后，执行main函数中的语句“reture 0;”返回，程序运行结束退出。

 

从上面的运行过程，我们可以看出在longjmp()函数调用处的程序点嵌套在三层函数调用中：main, func1和func，但是longjmp()函数调用导致程序控制流跳过函数调用func和func1，直接回到main函数中setjmp()宏调用所在的程序点，然后执行main函数中后续的语句，从而忽略了函数func1和func中后续的语句部分。这就是非局部跳转。

非局部跳转的实现机制

C语言的运行控制模型，是一个基于栈结构的指令执行序列，表现出来就是call/return: call调用一个函数，然后return从一个函数返回。在这种运行控制模型中，每个函数调用都会对应着一个栈帧，其中保存了这个函数的参数、返回值地址、局部变量以及控制信息等内容。当调用一个函数时，系统会创建一个对应的栈帧压入栈中，而从一个函数返回时，则系统会将该函数对应的栈帧从栈顶退出。正常的函数跳转就是这样从栈顶一个一个栈帧逐级地返回。

 

另外，系统内部有一些寄存器记录着当前系统的状态信息，其中包括当前栈顶位置、位于栈顶的栈帧位置以及其他一些系统信息（例如代码段，数据段等等）。这些寄存器指示了当前程序运行点的系统状态，可以称为程序点。在宏函数setjmp中就是将这些系统寄存器的内容保存到jmp_buf类型变量env中，然后在函数longjmp中将函数setjmp保存在变量env中的系统状态信息恢复，此时系统寄存器中指示的栈顶的栈帧就是调用宏函数setjmp时的栈顶的栈帧。于是，相当控制流跳过了中间的若干个函数调用对应的栈帧，到达setjmp所在那个函数的栈帧。这就是非局部跳转的实现机制，其不同于上面所说的call/return跳转机制。

 

正是因为这种实现机制，在上面的标准库说明中提到：“包含setjmp()宏调用的函数一定不能终止”。如果该函数终止的话，该函数对应的栈帧也已经从系统栈中退出，于是setjmp()宏调用保存在env中的内容在longjmp函数恢复时，就不再是setjmp()宏调用所在程序点。此时，调用函数longjmp()就会出现不可预测的错误。 

非局部跳转的运用

非局部跳转通常被用于实现将程序控制流转移到错误处理模块中；或者是通过这种非正常的函数返回机制，返回到之前调用的函数中。

 

最近，在我的毕业设计，我也采用了这种非局部跳转方式来实现错误处理机制。我的毕业设计是用C语言实现一个简单的scheme解析器，在该求值器对某个表达式的求值过程中可能遇到某个错误，导致这个表达式无效。此时，需要跳转到求值器的主循环开头，重新读取表达式，然后求值。于是，我的主循环框架就设计为：

while (1){
     if (setjmp(jump_buffer) == 0){
         /*读取表达式
            求值表达式
            打印表达式的值
        */
     }else {
         /* 进行错误处理，初始化求值环境 */
    }
}

其中，jump_buffer是一个jmp_buf类型的全局变量。循环开始时，if语句的条件判断中，setjmp保存程序点信息到全局变量jump_buffer中，此时setjmp()宏调用返回值为0，然后开始读取、求值表达式。当表达式求值遇到错误时，通过执行函数调用

longjmp(jump_buffer, 1);

就可以跳转到主循环的setjmp()宏调用所在程序点，而此时setjmp()宏调用的返回值为1，于是进入else部分进行错误处理，初始化求值环境。

 

上面只是我这两天为了实现我的毕业设计，而进行学习得到的一些知识。如有错误的地方，请各位看官指正，谢谢！