C语言非局部跳转函数分析
之前就一直好奇setjmp()/longjmp()函数是怎么实现非局部跳转的，心中猜测应该是通过保存调用setjmp()函数处的栈上下文（stack context），之后通过函数longjmp()来恢复这个栈上下文来实现的，可是心中依然有疑惑，到底需要保存哪些东西呢，还有是怎么改变setjmp函数的返回值的呢。本文就通过实际程序调试以及glibc源码来一探究竟吧（本文针对i386平台）！
调制程序如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <setjmp.h>
jmp_buf env;
int main(int argc, const char *argv[])
{
if (0 == setjmp(env)) {
printf("start to throw exception\n");
longjmp(env, 1);
} else {
/* exeception */
printf("in exception\n");
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
首先看下/usr/include/setjmp.h头文件中jmp_buf的定义：
#include <bits/setjmp.h> /* Get `__jmp_buf'. */
#include <bits/sigset.h> /* Get `__sigset_t'. */
/* Calling environment, plus possibly a saved signal mask. */
struct __jmp_buf_tag {
/* NOTE: The machine-dependent definitions of `__sigsetjmp'
assume that a `jmp_buf' begins with a `__jmp_buf' and that
`__mask_was_saved' follows it. Do not move these members
or add others before it. */
__jmp_buf __jmpbuf; /* Calling environment. */
int __mask_was_saved; /* Saved the signal mask? */
__sigset_t __saved_mask; /* Saved signal mask. */
};
__BEGIN_NAMESPACE_STD typedef struct __jmp_buf_tag jmp_buf[1];
可以看到类型jmp_buf被定义为结构体struct __jmp_buf_tag的一维数组，这样做至少有两个好处：
- 在声明jmp_buf时，可以把数据分配到堆栈上
- 作为参数传递时则作为一个指针
我们目前只关心__jmp_buf __jmpbuf，也就是注释中提到的calling environment，其他的我们在后文中提到sigsetjmp()/siglongjmp()时再提。在/usr/include/i386-linux-gnu/bits/setjmp.h中找到__jmp_buf的定义如下：
#ifndef _ASM typedef int __jmp_buf[6]; #endif
看来这里的整形数组就是保存栈上下文的地方了。现在开始gdb调试程序，先看main函数的反汇编代码如下：
astrol@astrol:~$ gdb setjmp -q
Reading symbols from /home/astrol/setjmp...done.
(gdb) break main
Breakpoint 1 at 0x804844d: file setjmp.c, line 9.
(gdb) run
Starting program: /home/astrol/setjmp
Breakpoint 1, main (argc=1, argv=0xbffff504) at setjmp.c:9
9 if (0 == setjmp(env)) {
(gdb) disassemble
Dump of assembler code for function main:
0x08048444 <+0>: push %ebp
0x08048445 <+1>: mov %esp,%ebp
0x08048447 <+3>: and $0xfffffff0,%esp
0x0804844a <+6>: sub $0x10,%esp
=> 0x0804844d <+9>: movl $0x804a040,(%esp)
0x08048454 <+16>: call 0x8048350 <_setjmp@plt>
0x08048459 <+21>: test %eax,%eax
0x0804845b <+23>: jne 0x804847d <main+57>
0x0804845d <+25>: movl $0x8048570,(%esp)
0x08048464 <+32>: call 0x8048360 <puts@plt>
0x08048469 <+37>: movl $0x2,0x4(%esp)
0x08048471 <+45>: movl $0x804a040,(%esp)
0x08048478 <+52>: call 0x8048340 <longjmp@plt>
0x0804847d <+57>: movl $0x8048589,(%esp)
0x08048484 <+64>: call 0x8048360 <puts@plt>
0x08048489 <+69>: movl $0x3,0x4(%esp)
0x08048491 <+77>: movl $0x804a040,(%esp)
0x08048498 <+84>: call 0x8048340 <longjmp@plt>
End of assembler dump.
(gdb)
最开始的三行是大家熟知的function prologue：将旧的函数帧指针ebp入栈，然后更新ebp为当前堆栈指针esp，接着使esp 16字节对齐。sub $0x10, %esp是在为main函数开辟栈空间，一般是用于局部变量以及后续的入出栈操作使用的。
(gdb) ptype env
type = struct __jmp_buf_tag {
__jmp_buf __jmpbuf;
int __mask_was_saved;
__sigset_t __saved_mask;
} [1]
(gdb) ptype __jmp_buf
type = int [6]
(gdb) print $ebp
$18 = (void *) 0xbffff468
(gdb) print $esp
$19 = (void *) 0xbffff44c
(gdb) print env
$20 = {{__jmpbuf = {0, 0, 0, 0, 0, 0}, __mask_was_saved = 0, __saved_mask = {__val = {0 <repeats 32 times>}}}}
(gdb)
配合print &env的结果我们发现，程序将参数env的地址入栈，接着就是调用函数setjmp函数。注意在调用call指令的同时，程序也将下一条指令的地址入栈了，也就是test %eax,%eax的地址0x08048459，此时的函数帧情况如下（图中一个格子代表4个字节）：
好，接下来就是重点了，让我们来看看函数setjmp都做了什么。
(gdb) disassemble Dump of assembler code for function _setjmp: => 0x00160bb0 <+0>: xor %eax,%eax 0x00160bb2 <+2>: mov 0x4(%esp),%edx 0x00160bb6 <+6>: mov %ebx,(%edx) 0x00160bb8 <+8>: mov %esi,0x4(%edx) 0x00160bbb <+11>: mov %edi,0x8(%edx) 0x00160bbe <+14>: lea 0x4(%esp),%ecx 0x00160bc2 <+18>: xor %gs:0x18,%ecx 0x00160bc9 <+25>: rol $0x9,%ecx 0x00160bcc <+28>: mov %ecx,0x10(%edx) 0x00160bcf <+31>: mov (%esp),%ecx 0x00160bd2 <+34>: xor %gs:0x18,%ecx 0x00160bd9 <+41>: rol $0x9,%ecx 0x00160bdc <+44>: mov %ecx,0x14(%edx) 0x00160bdf <+47>: mov %ebp,0xc(%edx) 0x00160be2 <+50>: mov %eax,0x18(%edx) 0x00160be5 <+53>: ret End of assembler dump.
我们把glibc中的源码也贴出来看看（glibc-2.15）:
glibc-2.15/sysdeps/i386/bsd-_setjmp.S:
/* This just does a tail-call to `__sigsetjmp (ARG, 0)'.
We cannot do it in C because it must be a tail-call, so frame-unwinding
in setjmp doesn't clobber the state restored by longjmp. */
#include <sysdep.h>
#include <jmpbuf-offsets.h>
#include "bp-sym.h"
#include "bp-asm.h"
#define PARMS LINKAGE /* no space for saved regs */
#define JMPBUF PARMS
#define SIGMSK JMPBUF+PTR_SIZE
ENTRY (BP_SYM (_setjmp))
ENTER
xorl %eax, %eax
movl JMPBUF(%esp), %edx
CHECK_BOUNDS_BOTH_WIDE (%edx, JMPBUF(%esp), $(JB_SIZE+4))
/* Save registers. */
movl %ebx, (JB_BX*4)(%edx)
movl %esi, (JB_SI*4)(%edx)
movl %edi, (JB_DI*4)(%edx)
/* Save SP as it will be after we return. */
leal JMPBUF(%esp), %ecx
#ifdef PTR_MANGLE
PTR_MANGLE (%ecx)
#endif
movl %ecx, (JB_SP*4)(%edx)
/* Save PC we are returning to now. */
movl PCOFF(%esp), %ecx
#ifdef PTR_MANGLE
PTR_MANGLE (%ecx)
#endif
movl %ecx, (JB_PC*4)(%edx)
LEAVE
/* Save caller's frame pointer. */
movl %ebp, (JB_BP*4)(%edx)
movl %eax, JB_SIZE(%edx) /* No signal mask set. */
ret
END (BP_SYM (_setjmp))
libc_hidden_def (_setjmp)
glibc-2.15/sysdeps/i386/jmpbuf-offsets.h
#define JB_BX 0 #define JB_SI 1 #define JB_DI 2 #define JB_BP 3 #define JB_SP 4 #define JB_PC 5 #define JB_SIZE 24
从这里可以终于可以看出__jmp_buf整形数组存储的依次是：ebx，esi，edi，ebp，esp，eip
好，现在分析汇编代码。
一开始就将eax清零，这段汇编代码结束时，作为setjmp函数的返回值 -- 使用eax作为函数的返回值这种做法，是很常见的。
mov 0x4(%esp),%edx是将env的地址付给寄存器edx，即此时edx指向__jmpbuf首地址。如下图：
mov %ebx, (%edx)
mov %esi, 0x4(%edx)
mov %edi, 0x8(%edx)
这三句分别将当前程序的寄存器ebx，esi，edi中的值存入__jmpbuf数组,下标依次为JB_BX，JB_SI，JB_DI。
lea 0x4(%esp),%ecx
xor %gs:0x18,%ecx
rol $0x9,%ecx
mov %ecx,0x10(%edx)
这四句其实就是将当前程序的esp+4存入数组__jmpbuf下标JB_SP的位置，至于为什么不是直接存入，这里牵扯到glibc程序安全问题，我们后面再说，这里只要知道是存储数值esp+4就OK了。
mov (%esp),%ecx
xor %gs:0x18,%ecx
rol $0x9,%ecx
mov %ecx,0x14(%edx)
同样的道理，这四行代码是将eip存储到数组__jmpbuf下标JB_PC的位置。
mov %ebp,0xc(%edx)
这句将是寄存器ebp的值保存到数组__jmpbuf下标JB_BP位置。
mov %eax,0x18(%edx)就跟数组__jmpbuf无关了，而是之后的__mask_was_saved，这里将其赋值为0，表明不需要保存进程的信号屏蔽字。最后setjmp返回。
程序接着走，走到longjmp时首先进入的是glibc-2.15/setjmp/longjmp.c
/* Set the signal mask to the one specified in ENV, and jump
to the position specified in ENV, causing the setjmp
call there to return VAL, or 1 if VAL is 0. */
void
__libc_siglongjmp (sigjmp_buf env, int val)
{
/* Perform any cleanups needed by the frames being unwound. */
_longjmp_unwind (env, val);
if (env[0].__mask_was_saved)
/* Restore the saved signal mask. */
(void) __sigprocmask (SIG_SETMASK, &env[0].__saved_mask,
(sigset_t *) NULL);
/* Call the machine-dependent function to restore machine state. */
__longjmp (env[0].__jmpbuf, val ?: 1);
}
可以看到如果env[0].__mask_was_saved非零的话，程序就会调用sigprocmask来恢复进程的信号屏蔽字。
同时我们也可以看到如果我们调用longjmp时第二个参数是0的话，那么程序会自动将其设置成1。
接着就真正进入longjmp的恢复栈上下文的代码了。
(gdb) disassemble Dump of assembler code for function __longjmp: => 0x00160c50 <+0>: mov 0x4(%esp),%eax 0x00160c54 <+4>: mov 0x14(%eax),%edx 0x00160c57 <+7>: mov 0x10(%eax),%ecx 0x00160c5a <+10>: ror $0x9,%edx 0x00160c5d <+13>: xor %gs:0x18,%edx 0x00160c64 <+20>: ror $0x9,%ecx 0x00160c67 <+23>: xor %gs:0x18,%ecx 0x00160c6e <+30>: mov (%eax),%ebx 0x00160c70 <+32>: mov 0x4(%eax),%esi 0x00160c73 <+35>: mov 0x8(%eax),%edi 0x00160c76 <+38>: mov 0xc(%eax),%ebp 0x00160c79 <+41>: mov 0x8(%esp),%eax 0x00160c7d <+45>: mov %ecx,%esp 0x00160c7f <+47>: jmp *%edx End of assembler dump.
glibc中的代码（glibc-2.15/sysdeps/i386/__longjmp.S）：
#include <sysdep.h>
#include <jmpbuf-offsets.h>
#include <asm-syntax.h>
.text
ENTRY (__longjmp)
#ifdef PTR_DEMANGLE
movl 4(%esp), %eax /* User's jmp_buf in %eax. */
/* Save the return address now. */
movl (JB_PC*4)(%eax), %edx
/* Get the stack pointer. */
movl (JB_SP*4)(%eax), %ecx
PTR_DEMANGLE (%edx)
PTR_DEMANGLE (%ecx)
cfi_def_cfa(%eax, 0)
cfi_register(%eip, %edx)
cfi_register(%esp, %ecx)
cfi_offset(%ebx, JB_BX*4)
cfi_offset(%esi, JB_SI*4)
cfi_offset(%edi, JB_DI*4)
cfi_offset(%ebp, JB_BP*4)
/* Restore registers. */
movl (JB_BX*4)(%eax), %ebx
movl (JB_SI*4)(%eax), %esi
movl (JB_DI*4)(%eax), %edi
movl (JB_BP*4)(%eax), %ebp
cfi_restore(%ebx)
cfi_restore(%esi)
cfi_restore(%edi)
cfi_restore(%ebp)
movl 8(%esp), %eax /* Second argument is return value. */
movl %ecx, %esp
#else
movl 4(%esp), %ecx /* User's jmp_buf in %ecx. */
movl 8(%esp), %eax /* Second argument is return value. */
/* Save the return address now. */
movl (JB_PC*4)(%ecx), %edx
/* Restore registers. */
movl (JB_BX*4)(%ecx), %ebx
movl (JB_SI*4)(%ecx), %esi
movl (JB_DI*4)(%ecx), %edi
movl (JB_BP*4)(%ecx), %ebp
movl (JB_SP*4)(%ecx), %esp
#endif
/* Jump to saved PC. */
jmp *%edx
END (__longjmp)
mov 0x4(%esp), %eax 将数组__jmpbuf的地址复制为寄存器eax
mov 0x14(%eax), %edx
mov 0x10(%eax), %ecx
ror $0x9, %edx
xor %gs:0x18, %edx
ror $0x9, %ecx
xor %gs:0x18, %ecx
这六句就是把setjmp中经过特殊处理的eip和esp分别存储到寄存器edx和ecx中。
mov (%eax), %ebx
mov 0x4(%eax), %esi
mov 0x8(%eax), %edi
mov 0xc(%eax), %ebp
这四句分别在恢复寄存器ebx，esi，edi和ebp寄存器的值。
接下来的mov 0x8(%esp), %eax就解答了我文章一开始的疑问，就是通过这句来改变setjmp的返回值的，这里通过把压入栈的第二个参数复制给寄存器eax作为返回值。
倒数第二句mov %ecx, %esp是在恢复栈指针。
最后一句jmp *%edx就是调转到调用setjmp时压入到栈中的eip处继续执行指令。
好了，终于了解了setjmp()/longjmp()的实现细节了。
现在来了解下sigsetjmp()/siglongjmp()函数。为了了解为什么要有这两个函数，我们先来看一个有问题的程序。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <setjmp.h>
jmp_buf env;
static void sig_alrm(int signo)
{
printf("in SIGALRM signal handler.\n");
alarm(2);
longjmp(env, 1);
}
int main(int argc, const char *argv[])
{
if (signal(SIGALRM, sig_alrm) == SIG_ERR) {
perror("signal error: ");
exit(EXIT_FAILURE);
}
alarm(2);
setjmp(env);
for ( ;; )
pause();
exit(EXIT_SUCCESS);
}
运行程序，我们会发现，尽管已经在信号处理程序sig_alrm中调用了alarm函数，但是该信号处理程序我们只调用了一次。是不是很奇怪？
默认情况下（不指定sa_flags为SA_NODEFER），信号处理时会自动阻塞正在被处理的信号。也就是说，和正在被处理同样的信号再次发生时，它会被阻塞到本次信号处理结束。在信号处理函数返回时，进程的信号屏蔽字会被恢复，即解除对当前信号的阻塞。在上面的程序中，并没有让信号处理函数正常返回，而是使用了longjmp()直接跳转，所以进程的信号屏蔽字在第一次收到信号后，就把信号设置为阻塞并且再也没有恢复，因而再也触发不了信号处理函数了，除非手动将进程的信号屏蔽字去除。
sigsetjmp()/siglongjmp()就解决了这个问题：sigsetjmp()会保存进程的当前屏蔽字（第二个参数非零的情况下），而siglongjmp()会恢复这个信号屏蔽字，所以不管你阻塞了什么信号，调用siglongjmp()时都会恢复。程序修改如下就可以了：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <setjmp.h>
jmp_buf env;
static volatile sig_atomic_t canjump;
static void sig_alrm(int signo)
{
if (canjump == 0)
return;
printf("in SIGALRM signal handler.\n");
alarm(2);
canjump = 0;
siglongjmp(env, 1);
}
int main(int argc, const char *argv[])
{
if (signal(SIGALRM, sig_alrm) == SIG_ERR) {
perror("signal error: ");
exit(EXIT_FAILURE);
}
alarm(2);
sigsetjmp(env, 1);
canjump = 1;
for ( ;; )
pause();
exit(EXIT_SUCCESS);
}
看看glibc源码是怎么做的（glibc-2.15/sysdeps/i386/setjmp.S）：
#include <sysdep.h>
#include <jmpbuf-offsets.h>
#include <asm-syntax.h>
#include "bp-sym.h"
#include "bp-asm.h"
#define PARMS LINKAGE /* no space for saved regs */
#define JMPBUF PARMS
#define SIGMSK JMPBUF+PTR_SIZE
ENTRY (BP_SYM (__sigsetjmp))
ENTER
movl JMPBUF(%esp), %eax
CHECK_BOUNDS_BOTH_WIDE (%eax, JMPBUF(%esp), $JB_SIZE)
/* Save registers. */
movl %ebx, (JB_BX*4)(%eax)
movl %esi, (JB_SI*4)(%eax)
movl %edi, (JB_DI*4)(%eax)
leal JMPBUF(%esp), %ecx /* Save SP as it will be after we return. */
#ifdef PTR_MANGLE
PTR_MANGLE (%ecx)
#endif
movl %ecx, (JB_SP*4)(%eax)
movl PCOFF(%esp), %ecx /* Save PC we are returning to now. */
#ifdef PTR_MANGLE
PTR_MANGLE (%ecx)
#endif
movl %ecx, (JB_PC*4)(%eax)
LEAVE /* pop frame pointer to prepare for tail-call. */
movl %ebp, (JB_BP*4)(%eax) /* Save caller's frame pointer. */
#if defined NOT_IN_libc && defined IS_IN_rtld
/* In ld.so we never save the signal mask. */
xorl %eax, %eax
ret
#else
/* Make a tail call to __sigjmp_save; it takes the same args. */
jmp __sigjmp_save
#endif
END (BP_SYM (__sigsetjmp))
以下是调试汇编：
(gdb) disassemble Dump of assembler code for function __sigsetjmp: => 0x00160ad0 <+0>: mov 0x4(%esp),%eax # 将数组__jmpbuf的地址保存在eax 0x00160ad4 <+4>: mov %ebx,(%eax) # 恢复ebx 0x00160ad6 <+6>: mov %esi,0x4(%eax) # 恢复esi 0x00160ad9 <+9>: mov %edi,0x8(%eax) # 恢复edi 0x00160adc <+12>: lea 0x4(%esp),%ecx 0x00160ae0 <+16>: xor %gs:0x18,%ecx 0x00160ae7 <+23>: rol $0x9,%ecx 0x00160aea <+26>: mov %ecx,0x10(%eax) # 恢复esp 0x00160aed <+29>: mov (%esp),%ecx 0x00160af0 <+32>: xor %gs:0x18,%ecx 0x00160af7 <+39>: rol $0x9,%ecx 0x00160afa <+42>: mov %ecx,0x14(%eax) # 恢复eip 0x00160afd <+45>: mov %ebp,0xc(%eax) # 恢复ebp 0x00160b00 <+48>: jmp 0x160b10 <__sigjmp_save> End of assembler dump.
几乎和setjmp的源码是一样的，多了最后一句，调用了__sigjmp_save函数（glibc-2.15/setjmp/sigjmp.c）：
#include <stddef.h>
#include <setjmp.h>
#include <signal.h>
/* This function is called by the `sigsetjmp' macro
before doing a `__setjmp' on ENV[0].__jmpbuf.
Always return zero. */
int
__sigjmp_save (sigjmp_buf env, int savemask)
{
env[0].__mask_was_saved = (savemask &&
__sigprocmask (SIG_BLOCK, (sigset_t *) NULL,
&env[0].__saved_mask) == 0);
return 0;
}
可以很清楚的看到，当调用sigsetjmp时，第二个参数非零时会保存进程的当前屏蔽字于__saved_mask中，并将__mask_was_saved赋值为1，供siglongjmp函数使用。
调用siglongjmp时调用的也是__libc_siglongjmp函数，只不过在该函数中会因为env[0].__mask_was_saved为1而调用sigprocmask恢复了进程的信号屏蔽字。
此外，还需要注意到，信号是异步的，即信号可以在任何一个时间点送达，因此它完全可能在sigsetjmp()或者setjmp()设置之前就到达，那么在这种情况下进入信号处理函数，并在里面调用了siglongjmp()或者longjmp() ，那么就会使用一个未初始化的jmpbuf（跳转缓冲）。为了防止这种情况，在程序中引入了一个监控变量canjump，如果canjump没有被设置时，信号处理函数只是简单的退出，而不会进行非局部跳转；也只有在sigsetjmp()或setjmp()设置完后，才会将该变量设为1。当然，另外一个办法是也可以在建立信号处理函数之前就调用sigsetjmp()或setjmp() --- 实际上，在一个复杂的程序里，很难保证说一定能让这两个步骤按此顺序去执行 --- 因此较为简单的方法还是像上面使用一个监控变量。
至此，我们就彻底了解了setjmp()/longjmp()和sigsetjmp()/siglongjmp()的实现细节了。
接下来简单谈一谈它们在使用上的注意点吧。
未完待续！
参考链接：http://web.eecs.utk.edu/~plank/plank/classes/cs360/360/notes/Setjmp/lecture.html
http://blog.codingnow.com/2010/05/setjmp.html
http://www.cnblogs.com/archimedes/p/c-exception-assert.html
http://www.cnblogs.com/lienhua34/archive/2012/04/22/2464859.html
http://wenku.baidu.com/link?url=XigAOFO54xdlZsK9ADfCYrjINucJVBr_U0oJAV5lkTluoyGHd2g3q_UVLLzZa8yQ94RKUwy1UnlS8n9s__bJR_Mq53YwK51rss8tnmdxuOy
http://yanx730.blog.163.com/blog/static/1194421200791423334964/
http://www.csl.mtu.edu/cs4411.ck/www/NOTES/non-local-goto/
http://blog.csdn.net/topasstem8/article/details/6004945
http://www.groad.net/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=919&highlight=setjmp