详解C的异常处理机制(goto\setjmp longjmp)

（转载）http://blog.csdn.net/yucan1001/article/details/7014277

来自希赛网，作者王胜祥。
1 C语言中的异常处理机制
    在这之前的所有文章中，都是阐述关于C++的异常处理机制。的确，在C++语言中，它提供的异常处理的模型是非常完善的，主人公阿愚因此才和“异常处理”结下了不解之缘，才有了这一系列文章的基本素材，同时主人公阿愚在自己的编程开发过程中，也才更离不开她，喜欢并依赖于她。
　
    另外，C++语言中完善的异常处理的模型，也更激发了主人公阿愚更多其它的思考。难道异常处理机制只有在C++语言中才有吗？不是的，绝对不是这样的。实际上，异常处理的机制是无处不在的，它与软件的编程思想的发展，与编程语言的发展是同步的。异常处理机制自身的发展和完善过程，也是并记录了我们在编程思想上和编程方法上的改变、进步和发展的过程和重要的足迹。

　　在前面的文章中，早就讲到过，异常处理的核心思想是，把功能模块代码与系统中可能出现错误的处理代码分离开来，以此来达到使我们的代码组织起来更美观、逻辑上更清晰，并且同时从根本上来提高我们软件系统长时间稳定运行的可靠性。那么，现在回过头来看，实际上在计算机系统的硬件设计中，操作系统的总体设计中，早期的许多面向结构化程序设计语言中（例如C语言），都有异常处理的机制和方法的广泛运用。只不过是到了像C++这样面向对象的程序设计语言中，才把异常处理的模型设计到了一个相当理想和完善的程度。下面来看看主人公阿愚对在C语言中，异常处理机制的如何被运用？

goto语句，实现异常处理编程，最初也最原始的支持手段

　　1、goto语句，程序员朋友们对它太熟悉了，它是C语言中使用最为灵活的一条语句，由它也充分体现出了C语言的许多特点或者说是优点。它虽然是一条高级语言中提供的语句，但是它一般却直接对应一条“无条件直接跳转的机器指令”，所以说它非常地特别，它引起过许多争议，但是这条语句仍然一直被保留了下来，即便是今天的C++语言中，也有对它的支持（虽然不建议使用它）。goto语句有非常多的用途或优点，例如，它特别适合于在编写系统程序中被使用，它能使编写出来的代码非常简练。另外，goto语句另外一个最重要的作用就是，它实际上是一种对异常处理编程，最初也最原始的支持手段或方法。它能把错误处理模块的代码有效与其它代码分离开来。例程如下（请与第一集文章中的示例代码相比较）：

void main(int argc, char* argv[])

{

    if (Call_Func1(in, param out)

    {

        // 函数调用成功，我们正常的处理

        if (Call_Func2(in, param out)

        {

            // 函数调用成功，我们正常的处理

            while(condition)

            {

                //do other job                

                // 如果错误直接跳转

                if (has error) goto Error;                

                //do other job

            }

        }

        // 如果错误直接跳转

        else goto Error;        

    }

    // 如果错误直接跳转

    else goto Error;

    // 错误处理模块

Error:

    process_error();

    exit();    

}

　　呵呵！上面经过改善后的代码是不是更加清晰了一些，也更简练了一些。因此说，goto语句确是是能够很好地完成一些简易的异常处理编程的实现。虽然它较C++语言中提供的异常处理编程模型相差甚远。

为什么不建议使用goto语句来实现异常处理编程

　　虽然goto 语句能有效地支持异常处理编程的实现。但是没有人却建议使用它，即便是在C语言中。因为：
　　（1） goto语句能破坏程序的结构化设计，使代码难于测试，且包含大量goto的代码模块不易理解和阅读。它一直遭结构化程序设计思想所抛弃，强烈建议程序员不易使用它；
　　（2） 与C++语言中提供的异常处理编程模型相比，它的确是太弱了一些。例如，它一般只能是在某个函数的局部作用域内跳转，也即它不能有效和方便地实现程序控制流的跨函数远程的跳转。

　　（3） 如果在C++语言中，用goto语句来实现异常处理，那么它将给面向对象构成极大破坏，并影响到效率。这一点，以后会继续深入阐述。

总结

　　虽然goto语句缺点多多，但不管如何，goto语句的确为程序员朋友们，在C语言中，有效运用异常处理思想来进行编程处理，提供了一种途径或简易的手段。当然，运用goto语句来进行异常处理编程已经成为历史。因为，在C语言中，早就已经提供了一种更加优雅的异常处理机制。去看看吧！继续！

2 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 <stdio.h>

#include <signal.h>

#include <setjmp.h>

#include <stdlib.h>

#include <float.h>

#include <math.h>

#include <string.h>



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
　　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！

3 全面了解setjmp与longjmp的使用
    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。

    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()

{

    // 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！

    后面的是有关模拟C++中try，catch还有throw的方法，以及为什么不要在C++中使用setjmp
和longjum的讨论，主要还是因为无法保证对象正确销毁，就不贴了。