longjmp 应该恢复堆栈吗？

Question

据我了解，setjmp 保存了当前上下文，并且应该在调用longjmp 时恢复它。然而，下一段代码打印 15 （我用 -g 编译并且没有任何优化）。我误解了这个结构还是我遗漏了什么？

#include <iostream>
#include <csetjmp>


std::jmp_buf jump_buffer;

int main()
{
    int a = 0;
    if (setjmp(jump_buffer) == 0) {
      a = 15;
      std::longjmp(jump_buffer, 42);
    }
    std::cerr << a << std::endl;
}

免责声明：仅出于好奇而尝试使用它。我从来没有听说过这个结构，直到我最近阅读了一些关于 NASA 编码指南的论文，其中提到禁止使用这种控制流结构

同时使用 c 和 c++ 标记，因为代码是混合的，我假设实际的相关功能与 c 重度用户更相关，而不是 c++...：/

Answer 1

那是expected behavior：

返回setjmp的范围后，所有可访问的对象， 浮点状态标志和抽象的其他组件 machine 具有与 std::longjmp 时相同的值 已执行，setjmp 中的非易失性局部变量除外 范围，如果它们的值从 setjmp 调用。

执行longjmp 时a 的值是15，所以这是一个可以预期看到的值（通常是不确定的）。 jmp_buf 只存储执行点。不是程序中每个变量的状态。

Answer 2

setjmp 范围内的非易失性局部变量除外，如果它们在 setjmp 调用后发生更改，则其值是不确定的。 部分描述非常重要，因为您的值重新看到属于那个不确定的类别。

考虑对您的程序稍作修改：

#include <iostream>
#include <csetjmp>

std::jmp_buf jump_buffer;

void func() {
  std::longjmp(jump_buffer, 42);
}

int main()
{
  int a = 0;
  volatile int b = 0;
  if (std::setjmp(jump_buffer) == 0) {
    a = 15;
    b = 1;
    func();
  }
  std::cout << a << ' ' << b << '\n';
}

当我编译并运行这个版本时（使用-O），我得到0 1作为输出，而不是15 1（因为a是不确定的，你的结果可能会有所不同）。

如果您想要在初始 setjmp() 调用和调用 longjmp() 之间更改的局部变量以可靠地保持该更改，则它需要是 volatile。

Answer 3

对于setjmp 和longjmp，“上下文”是执行上下文，而不是堆栈的实际内容（通常存储局部变量的地方）。

使用 setjmp 和 longjmp 您不能“回滚”对局部变量所做的更改。

Answer 4

我认为您可能会看到较旧的代码库。异常在某些编译器中不太流行或不可用的地方。

在您更接近系统软件工作之前，您不应使用 setjmp 和 longjmp。

• 至于控制流程：setjmp 返回两次，longjmp 从不返回 返回。
• 当您第一次调用 setjmp 时，存储 环境，它返回零，
• 然后，当您调用 longjmp 时，控制流将通过参数中提供的值从 setjmp 返回。
• 用例通常被称为“错误处理”，并且 “不要使用这些功能”。

setjmp 和 longjmp 存储和恢复 CPU SFR（即上下文寄存器）。

这是一个小控制流示例：

#include <stdio.h>
#include <setjmp.h>
jmp_buf env;
void foo()
{
    longjmp(&env, 10);                      +---->----+
}                                           |         |
                                            |         |
int main()              (entry)---+         ^         V
{                                 |         |         |
    if(setjmp(&env) == 0)         | (= 0)   |         | (= 10)
    {                             |         ^         |
        foo();                    +---->----+         |
    }                                                 +---->----+
    else                                                        |
    {                                                           |
        return 0;                                               +--- (end)
    }
}

Answer 5

“Setjump” and “Longjump” are defined in setjmp.h, a header file in C standard library.

setjump(jmp_buf buf) : uses buf to remember current position and returns 0.
longjump(jmp_buf buf, i) : Go back to place buf is pointing to and return i .

简单示例

 #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;
}

这就是为什么 setjump() 为您返回 0 并且当您检查条件时，它分配 a=15 并且一旦该过程完成，下一步它会给出 42。

这些函数的主要特点是提供了一种偏离标准调用和返回顺序的方式。这主要用于在 C 中实现异常处理。 setjmp 可以像 try 一样使用（在 C++ 和 Java 等语言中）。对 longjmp 的调用可以像 throw 一样使用（注意 longjmp() 将控制转移到 setjmp() 设置的点）。

Answer 6

我只想回答问题的另一部分，推测为什么 NASA 会禁止这些功能（基本上是链接来自 SO 的相关答案）。由于与 automatic object destruction 相关的未定义行为，在 C++ 中比在 C 代码中更不鼓励使用 setjmp 和 longjmp，请参阅此 SO thread，尤其是接受答案的 cmets：

通常，只要有某种方法可以退出 C++ 中的范围（返回、抛出或其他），编译器就会放置指令来调用 dtor，以获取因离开该块而需要销毁的任何自动变量。 longjmp() 只是跳转到代码中的新位置，因此它不会为调用 dtor 提供任何机会。该标准实际上没有那么具体——标准并没有说不会调用 dtors——它说所有的赌注都没有。在这种情况下，您不能依赖任何特定的行为。

[...]

由于智能指针依赖于被销毁，你会得到未定义的行为。未定义的行为很可能包括引用计数未递减。使用longjmp() 是“安全的”，只要您没有将导致调用 dtor 的代码中的 longjmp 退出。然而，正如 David Thornley 在评论中指出的那样，setjmp()/longjmp() 即使在直接的 C 语言中也很难正确使用——在 C++ 中它们是非常危险的。尽可能避免使用它们。

那么是什么让setjmp()/longjmp() 在 C 中变得棘手？看看可能的use cases，我们可以看到其中之一是协程的实现。 cmets @StoryTeler 中已经给出了答案，但是您可以使用goto across different functions 吗？

你不能在标准 C 中；标签是单个函数的本地标签。

最接近的标准等效函数是 setjmp() 和 longjmp() 函数对。

但是，setjmp 和 longjmp 也非常有限，您可能很快就会遇到segfault。宝藏又可以在 cmets 中找到了：

您可以将longjmp() 视为“扩展返回”。一个成功的longjmp() 就像一系列连续的返回一样，展开调用堆栈，直到它到达相应的setjmp()。一旦调用堆栈帧被展开，它们就不再有效。这与调用堆栈在跳转到其他地方后仍然有效的协程（例如 Modula-2）或延续（例如 Scheme）的实现形成对比。 C 和 C++ 仅支持单个线性调用堆栈，除非您使用创建多个独立调用堆栈的线程。