C语言异常处理机制, setjmp() and longjmp()

1、什么是异常

   异常一般指的是程序运行期（Run-Time）发生的非正常情况。
   异常一般是不可预测的，如：内存不足、打开文件失败、范围溢出等。
   UNIX 使用信号给出异常，并当发生异常时转跳到信号处理过程进行异常处理。DOS下的信号对比UNIX系统而言相对较少。
  

   C标准库提供两个特殊的函数：setjmp() 及 longjmp()，这两个函数是结构化异常的基础，正是利用这两个函数的特性来实现异常。
   所以，异常的处理过程可以描述为这样：
   1. 首先设置一个跳转点（setjmp() 函数可以实现这一功能），然后在其后的代码中任意地方调用 longjmp() 跳转回这个跳转点上，以此来实现当发生异常时，转到处理异常的程序上，在其后的介绍中将介绍如何实现。
   setjmp() 为跳转返回保存现场并为异常提供处理程序，longjmp() 则进行跳转（抛出异常），setjmp() 与 longjmp() 可以在函数间进行跳转，这就像一个全局的 goto 语句，可以跨函数跳转。
   举个例子，程序在 main() 函数内使用 setjmp() 设置跳转，并调用另一函数A，函数A内调用B，B抛出异常（调用longjmp() 函数），则程序直接跳回到 main() 函数内使用 setjmp() 的地方返回，并且返回一个值。

2、jmp_buf 异常结构

    使用 setjmp() 及 longjmp() 函数前，需要先认识一下 jmp_buf 异常结构。jmp_buf 将使用在 setjmp() 函数中，用于保存当前程序现场（保存当前需要用到的寄存器的值），jmp_buf 结构在 setjmp.h 文件内声明：

           typedef struct
           {
                   unsigned j_sp;   // 堆栈指针寄存器
                   unsigned j_ss;  // 堆栈段
                   unsigned j_flag;  // 标志寄存器
                   unsigned j_cs;  // 代码段
                   unsigned j_ip;  // 指令指针寄存器
                   unsigned j_bp; // 基址指针
                   unsigned j_di;  // 目的指针
                   unsigned j_es; // 附加段
                   unsigned j_si;  // 源变址
                   unsigned j_ds; // 数据段
           } jmp_buf;

jmp_buf 结构存放了程序当前寄存器的值，以确保使用 longjmp() 后可以跳回到该执行点上继续执行。

3、setjmp() 与 longjmp() 函数详细说明

  setjmp() 与 longjmp() 函数原型如下：
    void _Cdecl longjmp(jmp_buf jmpb, int retval);
    int _Cdecl setjmp(jmp_buf jmpb);

  _Cdecl 声明函数的参数使用标准C的进栈方式（由右向左）压栈，_Cdecl 是C语言的一种调用约定，除此以外，PASCAL 也是调用约定之一。C标准调用约定（_Cdecl）所声明的函数不自动清除堆栈，这一事务由调用者自行负责——这也是C可以支持不固定个数的参数的原因。此外，这一调用约定将在函数名前添加一个下划线字符，如某一函数声明为：
        int cdecl DoSomething(void);
    编译时将自动为 DoSomething 加上下划线前缀，即函数名变为：     _DoSomething。

    setjmp() 与 longjmp() 函数都使用了 jmp_buf 结构作为形参，它们的调用关系是这样的：
    首先调用 setjmp() 函数来初始化 jmp_buf 结构变量 jmpb，将当前CPU中的大部分影响到程序执行的寄存器的值存入 jmpb，为 longjmp() 函数提供跳转，setjmp() 函数是一个有趣的函数，它能返回两次，它应该是所有库函数中唯一一个能返回两次的函数，第一次是初始化时，返回零，第二次遇到 longjmp() 函数调用后，longjmp() 函数使 setjmp() 函数发生第二次返回，返回值由 longjmp() 的第二个参数给出（整型，这时不应该再返回零）。
    在使用 setjmp() 初始化 jmpb 后，可以其后的程序中任意地方使用 longjmp() 函数跳转会 setjmp() 函数的位置，longjmp() 的第一个参数便是 setjmp() 初始化的 jmpb，若想跳转回刚才设置的 setjmp() 处，则 longjmp() 函数的第一个参数是 setjmp() 所初始化的 jmpb 这个异常，这也说明一件事，即 jmpb 这个异常，一般需要定义为全局变量，否则，若是局部变量，当跨函数调用时就几乎无法使用（除非每次遇到函数调用都将 jmpb 以参数传递，然而明显地，是不值得这样做的）；longjmp() 函数的第二个参数是传给 setjmp() 的第二次返回值，这在介绍 setjmp() 函数时已经介绍过。

4、异常处理过程

   先来对比（参考）一下 C++ 的异常处理，C++ 在语言层上便添加了异常处理机制，使用 try 块来包含那些可能出现错误的代码，你可以在 try 块代码中抛出异常，C++ 使用 throw 来抛出异常。抛出异常后，将转到异常处理程序中执行，C++ 使用 catch 块来包含那些处理异常的代码，catch 块可以接收不同类型的异常。需要说明的是，throw 一般不在 try 块内的代码中抛出异常，try 块内的代码调用了别的函数，如函数A，函数A 又调用了函数 B，throw 可以在函数B中抛出异常，或者更深的函数调用层，无论如何，只要有异常抛出，程序将转到 catch 处执行。
    C中如何实现，或者明确地说是模拟这一功能？
    下面介绍的是一些简单的方法。
    现在假设 longjmp() 第二个值为1，即 setjmp() 第二次将返回1。我们使用一组简单的宏来替代 setjmp() 和 longjmp() 以便使用：

    首先定义一个全局的异常：
      jmp_buf Jump_Buffer;

    因为 setjmp() 第一次调用初始化后返回0，第二次返回非0，可以这样定义一个宏使得它功能接近于 C++ 的 try。
     #define try if(!setjmp(Jump_Buffer))

     当 setjmp() 函数第一次0 时，取非为真，则执行 try 块内的代码，如：
     try
     {
           Test();
     }

     当因为调用 longjmp() 抛出异常而导致 setjmp() 第二次返回时（程序将会转到 setjmp() 函数处返回，这时，这时应该执行的是异常处理代码。longjmp() 使 setjmp() 函数返回非0，if(!setjmp(JumpBuffer)) 中将值取非则为假，是以，异常处理放在其后应该使用一个 else：
     #define catch else

     如此看起来便跟 C++ 相似了，setjmp() 函数的第二次返回导致 if() 中表达式值为假，刚好使 catch 块得以执行，如：
     try
     {
          Test();
     }
     catch
     {
         puts("Error");
     }

     实现如 C++ 的 throw 语句，事实上以宏替换 longjmp(jmp_buf, int) 的调用：
            #define throw longjmp(Jump_Buffer, 1)

    下面的例程解释如何使用这些宏：
    
       /* 输入一个整型数，如果大于 100，则以异常抛出 */

#include"stdio.h"
#include "conio.h"
#include "setjmp.h"

jmp_buf Jump_Buffer;

#define try if(!setjmp(Jump_Buffer))
#define catch else
#define throw longjmp(Jump_Buffer,1)

int Test(int T);
int Test_T(int T);

int Test(int T)
{
    if(T>100 )
        throw ;
    else
           puts( "OK." );

    return 0 ;
}
int Test_T(int T)
{
       Test(T);
    return 0 ;
}

int main()
{
    int T;

    try {
           puts("Input a value:" );
           scanf("%d",& T);
           T++ ;
           Test_T(T);
       }
    catch {
           puts("Input Error!" );
       }

       getch();
    return 0 ;
}

当遇到 throw 抛出异常，立即转跳到 setjmp 处执行，
       屏弃了与之无相关的枝节（函数的返回及 throw 其后的代码）

       main [setjmp()] -> Test_T -> Test [throw]
              ↑                               ↓
              ┗━━━━━━━━━━━━━━┛

       当输入一个大于100的整数，throw 导致异常抛出，使用 1 返回到 setjmp() 函数处，宏 try 使 if(!setjmp(Jump_Buffer)) 不成立，执行 catch 块，catch 块是十分简单的 else 分支语句关键词的别称。

       这一组宏完成了对 setjmp() 及 longjmp() 两个函数的封装，使程序具备简单的异常处理功能。然而，遗憾的是这组宏不具备嵌套的能力；
       当这组宏应用到嵌套异常，只能响应最后一组异常宏，并且无法抛出异常类型，至少它连一个常量整型都无法抛出，这是因为 jmp_buf 全局只能存放一个 jmpb 异常结构。
       以下是对上面叙述的简单的图示：

虽然这组宏无法嵌套使用，然而抛出一个常量整型是有可能的（甚至是一个结构struct），更改成如下一组宏，便可抛出一个常量整型，并且可以在 catch 处以 catch(Value)     的方式处理异常。

       jmp_buf Jump_Buffer;
       int        TValue;
       #define try            if( !( TValue = setjmp(Jump_Buffer) ) )
       #define catch(Val)     elseif(TValue == Val)
       /* throw 抛出的值不应该等于0，因为这会导致无法执行try后面的catch块而继续执行形成了死循环*/
       #define throw(Val)     longjmp(Jump_Buffer, Val)

       下面的例程演示了这组宏：

       /* 输入一个整型数值，若大于 100 以异常抛出一个常量 20
          否则以异常抛出一个常量 20 */

#include "stdio.h"
#include "conio.h"
#include "setjmp.h"

jmp_buf Jump_Buffer;
int TValue;
#define try if(!(TValue=setjmp(Jump_Buffer)))
#define catch(Val) else if(TValue==Val)
#define catch_all else /*它只能是放置在最后的一个异常处理块*/
#define throw(Val) longjmp(Jump_Buffer,Val)

int Test(int T);
int Test_T(int T);

int Test(int T)
{
    if(T>100 )
        throw(20);/*只是演示，20这个常量值并无特别意义*/

     throw(10 );
    return 0 ;
}

int Test_T(int T)
{
       Test(T);
    return 0 ;
}

int main()
{
    int T;

    try {
           puts("Input a value:" );
           scanf("%d",& T);
           T++ ;
           Test_T(T);
       }
    catch(20 ){
           puts("Input Error!(Code:20)" );
       }
       catch_all{
           puts("Unknown error!" );
       }

       getch();
    return 0 ;
}

正是因为 jmp_buf 全局只能存放一个 jmpb 结构，使得只有最后一组宏可以响应异常；这是无法嵌套异常的原因，要实现多重嵌套可以建立一个全局堆栈来维护一组 jmpb 结构，将在日后给出实现，若感兴趣请自行实现，请将实现给我一份以作参考。这里给出的只是C异常处理的简单实现，若要完善的异常处理，这需要更多的手段（如有部分异常需要由信号捕抓及处理）。