setjmp.h

setjmp.h — это заголовок , определенный в стандартной библиотеке C для обеспечения «нелокальных переходов»: потока управления , который отличается от обычной подпрограммы последовательности вызова и возврата . Дополнительные функции setjmp и longjmp обеспечить эту функциональность.

Типичное использование setjmp/ longjmp представляет собой реализацию механизма исключений , который использует возможности longjmp для восстановления состояния программы или потока даже на нескольких уровнях вызовов функций. Менее распространенное использование setjmp заключается в создании синтаксиса, похожего на сопрограммы .

Функции-члены

int setjmp(jmp_buf env)	Настраивает локальный `jmp_buf` буфер и инициализирует его для перехода. Эта рутина ^[1] сохраняет среду вызова программы в буфере среды, указанном параметром `env` аргумент для дальнейшего использования `longjmp`. Если возврат происходит из прямого вызова, `setjmp` возвращает 0. Если возврат происходит от вызова `longjmp`, `setjmp` возвращает ненулевое значение.
void longjmp(jmp_buf env, int value)	Восстанавливает контекст буфера среды `env` который был сохранен путем вызова `setjmp` рутина ^[1] в том же вызове программы. Вызов `longjmp` из вложенного обработчика сигнала не определено . Значение, указанное `value` передается от `longjmp` к `setjmp`. После `longjmp` завершено, выполнение программы продолжается, как если бы соответствующий вызов `setjmp` только что вернулся. Если `value` перешел к `longjmp` 0, `setjmp` будет вести себя так, как если бы он вернул 1; в противном случае он будет вести себя так, как если бы он вернулся `value`.

setjmp сохраняет текущую среду (состояние программы) в определенный момент выполнения программы в структуру данных, специфичную для платформы ( jmp_buf), который может быть использован на более позднем этапе выполнения программы longjmp восстановить состояние программы до состояния, сохраненного setjmp в jmp_buf. Этот процесс можно представить как «прыжок» назад к точке выполнения программы, где setjmp сохранил окружающую среду. (Очевидное) возвращаемое значение из setjmp указывает, достигло ли управление этой точки обычным способом (ноль) или в результате вызова longjmp (отличное от нуля). Это приводит к общей идиоме : if( setjmp(x) ){/* handle longjmp(x) */}.

POSIX .1 не определяет, setjmp и longjmp сохранить и восстановить текущий набор заблокированных сигналов ; если программа использует обработку сигналов, она должна использовать POSIX sigsetjmp/ siglongjmp.

Типы участников

`jmp_buf`	Тип массива, подходящий для хранения информации, необходимой для восстановления вызывающей среды.

Обоснование C99 описывает jmp_buf как тип массива для обратной совместимости ; существующий код относится к jmp_buf места хранения по названию (без & оператор адреса), что возможно только для типов массивов. ^[2] Он отмечает, что это может быть просто массив длиной в один элемент, единственный элемент которого является фактическими данными; действительно, это подход, используемый библиотекой GNU C , которая определяет тип как struct __jmp_bug_tag[1].

Предостережения и ограничения

Когда «нелокальный переход» выполняется через setjmp/ longjmp в C++ нормального « раскручивания стека » не происходит. Таким образом, никаких необходимых действий по очистке также не произойдет. Это может включать в себя закрытие файловых дескрипторов , очистку буферов или освобождение памяти, выделенной в куче .

Если функция, в которой setjmp назывался возвратом, безопасно использовать уже невозможно longjmp с соответствующим jmp_buf объект. Это связано с тем, что кадр стека становится недействительным при возврате функции. Вызов longjmp восстанавливает указатель стека , который — поскольку функция возвращает — будет указывать на несуществующий и потенциально перезаписанный или поврежденный кадр стека. ^[3]^[4]

Аналогично, C99 не требует, чтобы longjmp сохранить текущий кадр стека. Это означает, что переход в функцию, выход из которой был выполнен посредством вызова longjmp является неопределенным. ^[5]

Пример использования

Простой пример

В примере ниже показана основная идея setjmp. Там, main() звонки first(), который, в свою очередь, вызывает second(). Затем, second() прыгает обратно в main(), пропуская first()это вызов printf().

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

static jmp_buf buf;

void second() {
    printf("second\n");         // prints
    longjmp(buf, 1);            // jumps back to where setjmp was called - making setjmp now return 1
}

void first() {
    second();
    printf("first\n");          // does not print
}

int main() {
    if (!setjmp(buf))
        first();                // when executed, setjmp returned 0
    else                        // when longjmp jumps back, setjmp returns 1
        printf("main\n");       // prints

    return 0;
}

При выполнении вышеуказанная программа выведет:

second
main

Обратите внимание, что, хотя first() вызывается подпрограмма, " first"никогда не печатается." main" печатается как условный оператор if (!setjmp(buf)) выполняется второй раз.

Обработка исключений

В этом примере setjmp используется для заключения в скобки обработки исключений, например try на некоторых других языках. Звонок в longjmp аналогичен throw оператор, позволяющий исключению возвращать статус ошибки непосредственно в setjmp. Следующий код соответствует стандарту ISO C 1999 года и единой спецификации UNIX, вызывая setjmp в ограниченном диапазоне контекстов: ^[6]

В качестве условия if, switch или оператор итерации
Как указано выше, в сочетании с одним ! или сравнение с целочисленной константой
Как оператор (с неиспользованным возвращаемым значением)

Следование этим правилам может облегчить реализацию создания буфера среды, что может быть конфиденциальной операцией. ^[2] Более общее использование setjmp может вызвать неопределенное поведение, например повреждение локальных переменных; соответствующие компиляторы и среды не обязаны защищать или даже предупреждать о таком использовании. Однако более сложные идиомы, такие как switch ((exception_type = setjmp(env))) { } распространены в литературе и практике и остаются относительно портативными. Ниже представлена простая соответствующая методология, в которой наряду с буфером состояния поддерживается дополнительная переменная. Эта переменная может быть преобразована в структуру, включающую сам буфер.

В более современном примере обычный блок «try» будет реализован как setjmp (с некоторым подготовительным кодом для многоуровневых переходов, как показано на рис. first), «throw» как longjmp с необязательным параметром в качестве исключения и «catch» в качестве блока «else» в разделе «try».

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

static void first();
static void second();

/* Use a file scoped static variable for the exception stack so we can access
 * it anywhere within this translation unit. */
static jmp_buf exception_env;
static int exception_type;

int main(void) {
    char* volatile mem_buffer = NULL;

    if (setjmp(exception_env)) {
        // if we get here there was an exception
        printf("first failed, exception type: %d\n", exception_type);
    } else {
        // Run code that may signal failure via longjmp.
        puts("calling first");
        first();

        mem_buffer = malloc(300); // allocate a resource
        printf("%s\n", strcpy(mem_buffer, "first succeeded")); // not reached
    }

    free(mem_buffer); // NULL can be passed to free, no operation is performed

    return 0;
}

static void first() {
    jmp_buf my_env;

    puts("entering first"); // reached

    memcpy(my_env, exception_env, sizeof my_env);

    switch (setjmp(exception_env)) {
        case 3: // if we get here there was an exception.
            puts("second failed, exception type: 3; remapping to type 1");
            exception_type = 1;

        default: // fall through
            memcpy(exception_env, my_env, sizeof exception_env); // restore exception stack
            longjmp(exception_env, exception_type); // continue handling the exception

        case 0: // normal, desired operation
            puts("calling second"); // reached 
            second();
            puts("second succeeded"); // not reached
    }

    memcpy(exception_env, my_env, sizeof exception_env); // restore exception stack

    puts("leaving first"); // never reached
}

static void second() {
    puts("entering second" ); // reached

    exception_type = 3;
    longjmp(exception_env, exception_type); // declare that the program has failed

    puts("leaving second"); // not reached
}

Вывод этой программы:

calling first
entering first
calling second
entering second
second failed, exception type: 3; remapping to type 1
first failed, exception type: 1

Кооперативная многозадачность

C99 предусматривает, что longjmp гарантированно будет работать только тогда, когда пункт назначения является вызывающей функцией, т. е. область назначения гарантированно не повреждена. Переход к функции, которая уже завершилась return или longjmp является неопределенным. ^[5] Однако большинство реализаций longjmp не уничтожайте локальные переменные при выполнении перехода. Поскольку контекст сохраняется до тех пор, пока его локальные переменные не будут удалены, его фактически можно восстановить с помощью setjmp. Во многих средах (таких как Really Simple Threads и TinyTimbers ) такие идиомы, как if(!setjmp(child_env)) longjmp(caller_env); может позволить вызываемой функции эффективно приостанавливаться и возобновляться в setjmp.

Это используется библиотеками потоков для обеспечения совместной многозадачности без использования setcontext или другие оптоволоконные средства.

Учитывая, что setjmp дочерней функции, как правило, будет работать, если ее не саботировать, и setcontext, как часть POSIX, не требуется предоставлять реализациями C, этот механизм может быть переносимым, если setcontext альтернатива не удалась.

Поскольку в таком механизме при переполнении одного из нескольких стеков не будет сгенерировано никаких исключений, важно переоценить пространство, необходимое для каждого контекста, включая тот, который содержит main() и включая место для любых обработчиков сигналов, которые могут прервать обычное выполнение. Превышение выделенного пространства приведет к повреждению других контекстов, обычно сначала самых внешних функций. К сожалению, системы, требующие такой стратегии программирования, зачастую также являются небольшими и имеют ограниченные ресурсы.

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

jmp_buf mainTask, childTask;

void call_with_cushion();
void child();

int main() {
    if (!setjmp(mainTask)) {
        call_with_cushion(); // child never returns, yield
    } // execution resumes after this "}" after first time that child yields

    while (1) {
        printf("Parent\n");
        
        if (!setjmp(mainTask))
            longjmp(childTask, 1); // yield - note that this is undefined under C99
    }
}

void call_with_cushion() {
    char space[1000]; // Reserve enough space for main to run
    space[999] = 1; // Do not optimize array out of existence
    child();
}

void child() {
    while (1) {
        printf("Child loop begin\n");
        
        if (!setjmp(childTask))
            longjmp(mainTask, 1); // yield - invalidates childTask in C99

        printf("Child loop end\n");

        if (!setjmp(childTask))
            longjmp(mainTask, 1); // yield - invalidates childTask in C99
    }

    /* Don't return. Instead we should set a flag to indicate that main()
       should stop yielding to us and then longjmp(mainTask, 1) */
}

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ISO C утверждает, что setjmp должен быть реализован как макрос, но POSIX явно заявляет, что не определено, будет ли setjmp это макрос или функция.
^ Перейти обратно: ^а ^б C99 Обоснование, версия 5.10, апрель 2003 г. , раздел 7.13
^ Конспекты лекций CS360 — Setjmp и Longjmp
^ setjmp(3). Архивировано 26 июля 2009 г. на Wayback Machine.
^ Перейти обратно: ^а ^б ISO/IEC 9899:1999 , 2005, 7.13.2.1:2 и сноска 211.
^ setjmp: установить точку перехода для нелокального перехода — Справочник по системным интерфейсам, Единая спецификация UNIX , версия 4 от The Open Group

Дальнейшее чтение

Нидито, Франческо (2 июля 2016 г.). «Исключения в C с Longjmp и Setjmp» . Группы.Di.Unipi.it . Проверено 02 января 2024 г.

Внешние ссылки

setjmp: установить точку перехода для нелокального перехода — Справочник по системным интерфейсам, Единая спецификация UNIX , версия 4 от The Open Group
есть ли sigsetjmp/siglongjmp (опять) (об этих функциях в mingw / MSYS )

[macro-1] Перейти обратно: ^а ^б ISO C утверждает, что setjmp должен быть реализован как макрос, но POSIX явно заявляет, что не определено, будет ли setjmp это макрос или функция.

[rationale-2] Перейти обратно: ^а ^б C99 Обоснование, версия 5.10, апрель 2003 г. , раздел 7.13

[3] Конспекты лекций CS360 — Setjmp и Longjmp

[4] setjmp(3). Архивировано 26 июля 2009 г. на Wayback Machine.

[ISO/IEC_9899:1999-5] Перейти обратно: ^а ^б ISO/IEC 9899:1999 , 2005, 7.13.2.1:2 и сноска 211.

[SUS-6] setjmp: установить точку перехода для нелокального перехода — Справочник по системным интерфейсам, Единая спецификация UNIX , версия 4 от The Open Group

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]