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C语言之setjmp和longjmp详细剖析

2024-07-28 03:20:28   221人阅读

我希望看这篇文章的你对C++的传统异常处理，即try...catch...throw有了解（不是Windows SEH），这样才能方便你最深入的理解这2个C语言的反人类函数。
当然如果不了解就先看下面的“C++式的异常处理”，如果感觉自己了解了，可以直接skip看到“C语言中的模拟”。

【C++式的异常处理】
首先，我们写一个类，请不要想这个类有什么特别的地方，其只是为了打印出来构造和析构。
class CFoo
{
public:
    CFoo()
    {
        printf("Create CFoo.\n");
    }
    ~CFoo()
    {
        printf("~Destroy CFoo.\n");
    }
};
然后我们写一个函数，这个函数foo是为了根据情况抛出异常：
void foo(int exp)
{
    if (exp == 'a')
        throw std::exception("a");

    printf("foo ok %d.\n",exp);
}
我们来写第一个main：
int main()
{
    int val = getchar();
    foo(val);

    return 0;
}
此时我们输入b，其输出的肯定是：
foo ok 98.
这里98是b的ascii值。

而我们输入a，则会出情况了：

因为foo抛出了一个异常，但是没例程去处理他，所以程序崩溃。
所以我们现在在main上加上处理foo异常的代码：
int main()
{
    int val = getchar();
    try{
        foo(val);
    }catch (std::exception& ex)
    {
        printf("skip ex:%s.\n",ex.what());
    }

    return 0;
}
好了，我们再次输入a，则会出现：
skip ex:a.
foo在throw下正常的printf则不会执行，流程被改变。
所以我们可以简单理解为throw是一个“带有异常信息的”return，当然实际情况比这个复杂的多，我这样说只是为了让你有一种C语言的感觉。

还记得上面那个CFoo嘛，我一直没使用它，现在我们把foo函数改一下：
void foo(int exp)
{
    CFoo cfoo;
    if (exp == 'a')
        throw std::exception("a");

    printf("foo ok %d.\n",exp);
}
可以看到我只加了一行代码，在堆栈上开了一个cfoo的实例，我们main不动，输入一个p试试：
Create CFoo.
foo ok 112.
~Destroy CFoo.

可以看到，其输出了CFoo的构造和析构，这个是正常的情况，因为我们看到printf执行了。
那我们输入a呢，我们来尝试：
Create CFoo.
~Destroy CFoo.
skip ex:a.

我们可以看到，虽然throw下面的printf没有被执行，但是CFoo被构造和析构了，这就是C++异常会遵循C++的栈上展开的特点，也就是即便发生异常了，throw前的栈上对象，都需要被析构，如果他们有“真正的”析构代码的话。
在执行析构的时候情况也是十分复杂，这里不扯那么多，因为这文章不是介绍C++异常处理的。。。
不过为了让你看得更清除点，我们再来把CFoo函数改一下，也是一行代码：
void foo(int exp)
{
    CFoo cfoo;
    if (exp == 'a')
        throw std::exception("a");

    CFoo cfoo2;
    printf("foo ok %d.\n",exp);
}
我们再次输入p：
Create CFoo.
Create CFoo.
foo ok 112.
~Destroy CFoo.
~Destroy CFoo.
可以看到这是输出，好，我们输入a：
Create CFoo.
~Destroy CFoo.
skip ex:a.

可以很明显的看到，因为cfoo2构造在throw下面，所以它在异常导致foo进行return的时候，并不需要被析构，因为它并没有生成一个真正的实例。
好了到这里你就算不懂C++异常处理可能也可以入门了（如果你有兴趣的话）。

【C语言中的模拟】
这里我们开始正式说一下setjmp和longjmp。
如果上面那个foo函数：
void foo(int exp)
{
    if (exp == 'a')
        throw std::exception("a");

    printf("foo ok %d.\n",exp);
}
因为在C语言中没有C++异常，foo一般使用一个返回值来交出结果判断失败，然后调用者根据返回值进行流程控制，比如foo我们可以写成：
bool foo(int exp)
{
    if (exp == 'a')
        return false;

    printf("foo ok %d.\n",exp);
    return true;
}
我们用bool来给出返回值，当然更多是使用int，char。
如果我们有特殊的情怀，或者我们有一些批量的任务，希望用一个统一的例程处理他们的错误。。。
我们想在C语言中，使用C++类似的东西，在foo中抛出一个异常，在main中catch呢？
这里需要用到setjmp和longjmp，我先给你一些概念：
setjmp=try；
longjmp=throw。

可以看到try和throw都有了，那catch在哪里？
要知道C语言是流程式的语言，那catch在C语言中肯定得遵循某一个流程表达式，没错。。。就是if。。。
所以你可以看到：
setjmp=try，longjmp=throw，if=catch。

好像所有条件都具备了，到底怎么玩？来我们继续。
我们还是上面那个foo函数：
（首先我们使用setjmp和longjmp需要include setjmp.h）
void foo(int exp,jmp_buf& jb)
{
    if (exp == 'a')
        longjmp(jb,'a'); //throw std::exception("a");

    printf("foo ok %d.\n",exp);
}
然后我们写main：
int main()
{
    jmp_buf jb;
    int jmp_ret = setjmp(jb);
    if (jmp_ret == 0) //try
    {
        int val = getchar();
        foo(val,jb);
    }else{ //catch
        printf("skip ex:%d.\n",jmp_ret);
    }

    return 0;
}
按照上面的路子来，我们输入b：
foo ok 98.
其输入也是一样的，那我们输入a呢：
skip ex:97.
这里97是a的ascii码，也就是其是跟上面的异常流程处理是一样的，是不是感觉很奇葩。

你肯定在想，为什么，按照理论上来说，setjmp后==0，foo才会执行，按照我们的传统流程，既然foo被执行了，那else应该永远得不到执行，那longjmp又是如何从foo里面跑回去了main？
我们来设想一下，else要如何才能被执行？
对了，肯定是jmp_ref != 0嘛，没错，longjmp做的就是这个工作。

我们先不要在意jmp_buf，我们先看下longjmp的第二个参数，他是一个值类型，这个参数我指定的是‘a‘，也就是97，你看到了，我在prntf里面打印了jmp_ret的值，也就是，我们在longjmp时指定某一个值后，longjmp会把当前函数的流程做一个大转弯，直接跳回到这里：
if (jmp_ret == 0) //try
而此时，jmp_ret已经是我们指定的值，就是97了，那if的==不会被成立，则去执行else了。

此时可能你想，如果我这样：
longjmp(jb,0);
那不是jmp_ret还是==0，还又去执行foo，又被longjmp，不是死循环了么？
这个情况在CRT已经考虑过了，如果你给longjmp使用0值，其会自动修改为1，也就是0值是永远不会被出现的。
好，我们来总结：
1、首先setjmp需要==0才执行foo。
2、foo发现错误，把setjmp的==0给改了。
3、if表达式的else被执行。

可能你现在头还有点晕，不过我们先说这个到这里，我们来看setjmp的第一个参数：jmp_buf。
这个jmp_buf是什么呢，首先我们来再写一个main：
int main()
{
    char sz[128] = "hello.\n";

    jmp_buf jb;
    int jmp_ret = setjmp(jb);
    if (jmp_ret == 0) //try
    {
        int val = getchar();
        foo(val,jb);
    }else{ //catch
        printf("skip ex:%d.\n",jmp_ret);
        printf(sz);
    }

    return 0;
}
输入a，则会输出：
skip ex:97.
hello.

你肯定想这是当然的，因为sz变量在main范围内嘛。
但是别忘了，我们访问sz可是在else里，也就是我们访问的时候，是被longjmp跳过去的。。。
要知道，执行foo的时候，可能整个堆栈环境已经变得离谱了，如果你知晓汇编，肯定知道，执行foo的时候，main使用堆栈指针EBP（当然也可以直接ESP，不过这里做一个比方）会被保存起来，要等foo进行return的时候，才会恢复EBP，然后main的局部变量才能通过EBP访问到，但是我们的foo可是直接longjmp的，我们没有任何代码用于恢复EBP的值，那如何保证飞过去else的时候，访问sz变量的地址是正确的？

对了，在setjmp的时候，CRT会把EBP等变量的值保存在jmp_buf里面，然后在longjmp里面，把EBP的值从jmp_buf里面取出来，进行恢复。
这样在执行longjmp的时候，EBP会被恢复到setjmp时的情况，也就保证了sz变量的地址在执行else的时候也是正确的。

如果你只会C语言，那看到这里，你应该大概理解了，如果你还了解过汇编，那可以继续看下去，我会为你揭示setjmp、longjmp背后的一些东西。

【深入探索】
我们把刚才那个exe进行动态反汇编，以便我们整体的了解setjmp和longjmp的所有情况。
首先在调试器里面，main是这样的：

可以看到，关键就是在TEST EAX,EAX这里有一个JNZ跳，如果不是0则跳到下面的catch。
我们来看setjmp的汇编：

可以看到其保存了几个windows关键的寄存器。
注意，在win32下，eax、edx、ecx被定义为易失寄存器，比如我们调用foo的时候，如果foo需要用到ebx，esi，它也需要保存，退出时恢复，但是使用edx则不需要保存。
setjmp也是遵循这个原则。
可以看到setjmp的返回是XOR EAX,EAX，就是返回0。

好我们来看longjmp的反汇编：

可以看到其检测了一下jmp_buf的正确性，然后就进行寄存器的恢复，最终把call自身的堆栈平衡了后，就使用JMP指令直接JMP到setjmp后的那个指令地址，而此时其把EAX改成了longjmp的第二个参数：

那接下来的TEST EAX,EAX肯定不会成功，就会跑去执行catch了。

【与C++的结合】
文章写到这里，应该快结束了，可还有一个点，可能你没注意到，我们还是回到我们第一个代码——CFoo这个类来。
在上面的C++异常里面，我们看到了这样的代码：
void foo(int exp)
{
    CFoo cfoo;
    if (exp == 'a')
        throw std::exception("a");

    printf("foo ok %d.\n",exp);
}
按照C++的规范，异常发生的时候，cfoo也会被析构，如果我们使用longjmp呢，就像下面：
void foo(int exp,jmp_buf& jb)
{
    CFoo cfoo;
    if (exp == 'a')
        longjmp(jb,'a'); //throw std::exception("a");

    printf("foo ok %d.\n",exp);
}
你肯定会想，cfoo应该只会被构造，而不会被析构，因为longjmp可是CRT的函数。
其实原来我也是这样想的，但是我不懂是不是VC spec，我在跟踪longjmp的时候发现了堆栈展开的代码。。。
也就是，其实cfoo在longjmp的时候，也是会被析构的：
Create CFoo.
~Destroy CFoo.
skip ex:97.
hello.

这个要注意一下。
如果你想看汇编，在下面。
这个是foo函数的汇编：

SEH处理器在这里：

然后会展开到析构函数：


【完结】
为这2个狗血的东西写了那么多，也说的差不多了。
其实这2个东西，因为其反人类的特性，在项目开发中，不应该被使用上，在这里只是告诉大家，如果遇到有setjmp、longjmp的情况的时候，可以判断出来代码的执行流程。

C语言之setjmp和longjmp详细剖析


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