C - longjump / setjump

众所周知，longjump + setjump是try-catch的鼻祖

setjump的作用

保存当前执行上下文到 std::jmp_buf 类型的变量。std::longjmp 函数稍后可用此变量恢复当前执行上下文。即在调用 std::longjmp 函数时，将在构造了传递给 std::longjmp 的 std::jmp_buf 变量的特定调用点处继续执行。此时 setjmp 返回传递给 std::longjmp 的值。

setjmp 的调用只能在下列语境出现：

switch (setjmp(env)) { // ...

  • 关系或相等性运算符的操作数之一，而另一操作数是整数常量表达式，产生的表达式是 if、switch、while、do-while、for 语句的整个控制表达式。

if (setjmp(env) > 0) { // ...

  • 一元 ! 运算符的操作数，产生的表达式是 if、switch、while、do-while、for 语句的整个控制表达式。

while (!setjmp(env)) { // ..
setjmp(env);

std::longjmp 是 C 中处理函数无法有意义返回处的错误条件的机制。C++ 通常为此目的使用异常处理。

由于 C 标准不允许存储 setjmp 的返回值，也许示例可以改为使用 switch。它仍然演示了如何区分不同的返回值，但不违反标准。在C中setjump的返回值是不在标准定义中的，只有C++允许根据setjump的返回值去决定要做什么！

#include <array>
#include <cmath>
#include <csetjmp>
#include <cstdlib>
#include <format>
#include <iostream>
 
std::jmp_buf solver_error_handler;
 
std::array<double, 2> solve_quadratic_equation(double a, double b, double c)
{
    const double discriminant = b * b - 4.0 * a * c;
    if (discriminant < 0)
        std::longjmp(solver_error_handler, true); // 去往错误处理器
 
    const double delta = std::sqrt(discriminant) / (2.0 * a);
    const double argmin = -b / (2.0 * a);
    return {argmin - delta, argmin + delta};
}
 
void show_quadratic_equation_solution(double a, double b, double c)
{
    std::cout << std::format("求解 {}x² + {}x + {} = 0...\n", a, b, c);
    auto [x_0, x_1] = solve_quadratic_equation(a, b, c);
    std::cout << std::format("x₁ = {}, x₂ = {}\n\n", x_0, x_1);
}
 
int main()
{
    if (setjmp(solver_error_handler))
    {
        // 求解器的错误处理器
        std::cout << "无实数解\n";
        return EXIT_FAILURE;
    }
 
    for (auto [a, b, c] : {std::array{1, -3, 2}, {2, -3, -2}, {1, 2, 3}})
        show_quadratic_equation_solution(a, b, c);
 
    return EXIT_SUCCESS;
}

运行结果：

求解 1x² + -3x + 2 = 0...
x₁ = 1, x₂ = 2

求解 2x² + -3x + -2 = 0...
x₁ = -0.5, x₂ = 2

求解 1x² + 2x + 3 = 0...
无实数解

上方示例只揭示了最简单的使用，接下来会有几个问题

setjump函数已退出

如果调用了 setjmp 的函数已退出，那么行为未定义（也就是说只允许沿调用栈向上长跳）。

C++ 的额外限制

在 C 的 longjmp 基础上，C++ 的 std::longjmp 的行为受到更多限制。

如果分别以 throw 和 catch 替换 std::longjmp 和 setjmp 会执行任何自动对象的非平凡析构函数，那么这种 std::longjmp 的行为未定义。

自C++20起，协程中可以使用 co_await 的地方调用 std::longjmp 的行为未定义。

longjump代码顺序前可能需要setjump

#include <array>
#include <cmath>
#include <csetjmp>
#include <cstdlib>
#include <format>
#include <iostream>

std::jmp_buf solver_error_handler;
std::jmp_buf solver_error_handler2;

std::array<double, 2> solve_quadratic_equation(double a, double b, double c)
{
    const double discriminant = b * b - 4.0 * a * c;
    if (discriminant < 0)
        std::longjmp(solver_error_handler, true); // 去往错误处理器

    const double delta = std::sqrt(discriminant) / (2.0 * a);
    const double argmin = -b / (2.0 * a);
    return {argmin - delta, argmin + delta};
}

void show_quadratic_equation_solution(double a, double b, double c)
{
    std::cout << std::format("求解 {}x² + {}x + {} = 0...\n", a, b, c);
    auto [x_0, x_1] = solve_quadratic_equation(a, b, c);
    std::cout << std::format("x₁ = {}, x₂ = {}\n\n", x_0, x_1);
}

int main1()
{
    if (setjmp(solver_error_handler2) != 0)
    {
        // 求解器的错误处理器
        std::cout << "无实数解\n";
        return EXIT_FAILURE;
    }

    for (auto [a, b, c] : {std::array{1, -3, 2}, {2, -3, -2}, {1, 2, 3}})
        show_quadratic_equation_solution(a, b, c);

    return EXIT_SUCCESS;
}

int main() {
    if (setjmp(solver_error_handler) != 0){
        std::cout << "无实解\n";
        std::longjmp(solver_error_handler2, true);
    }

    return main1();
}

上诉代码从执行流程来看，所有的handler的jumpbuf都已经初始化，但是这段代码在部分平台运行将出现错误！需要注意将main方法改成如下即可恢复正常：

int main() {
    if (setjmp(solver_error_handler2) != 0)
    {
        // 求解器的错误处理器
        std::cout << "无实数解\n";
        return EXIT_FAILURE;
    }

    if (setjmp(solver_error_handler) != 0){
        std::cout << "无实解\n";
        std::longjmp(solver_error_handler2, true);
    }

    return main1();
}

简单揭示

setjmp：保存上下文

setjmp:
    mov    [jmp_buf + sp_offset], esp   ; 保存当前的栈指针
    mov    [jmp_buf + bp_offset], ebp   ; 保存当前的基址指针
    mov    [jmp_buf + pc_offset], [esp] ; 保存当前的返回地址
    mov    [jmp_buf + reg1_offset], ebx ; 保存寄存器1的值
    mov    [jmp_buf + reg2_offset], esi ; 保存寄存器2的值
    ; ... 保存其他寄存器的值
    xor    eax, eax                     ; 返回0
    ret

longjump恢复上下文

; 示例伪汇编代码（针对x86架构）
longjmp:
    mov    esp, [jmp_buf + sp_offset]   ; 恢复栈指针
    mov    ebp, [jmp_buf + bp_offset]   ; 恢复基址指针
    mov    ebx, [jmp_buf + reg1_offset] ; 恢复寄存器1的值
    mov    esi, [jmp_buf + reg2_offset] ; 恢复寄存器2的值
    ; ... 恢复其他寄存器的值
    mov    eax, val                     ; 设置返回值
    jmp    [jmp_buf + pc_offset]        ; 跳转到之前保存的返回地址

在调用longjmp时，PC寄存器将被恢复成调用setjmp的位置。因此，程序会在逻辑上“返回”到setjmp的地方继续执行。