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第16集 C语言中一种更优雅的异常处理机制

时间:2009-12-04 22:56 点击:665次 字体:[ ]




  上一篇文章对C语言中的goto语句进行了较深入的阐述,实际上goto语句是面向过程与面向结构化程序语言中,进行异常处理编程的最原始的支持形式。后来为了更好地、更方便地支持异常处理编程机制,使得程序员在C语言开发的程序中,能写出更高效、更友善的带有异常处理机制的代码模块来。于是,C语言中出现了一种更优雅的异常处理机制,那就是setjmp()函数与longjmp()函数。

  实际上,这种异常处理的机制不是C语言中自身的一部分,而是在C标准库中实现的两个非常有技巧的库函数,也许大多数C程序员朋友们对它都很熟悉,而且,通过使用setjmp()函数与longjmp()函数组合后,而提供的对程序的异常处理机制,以被广泛运用到许多C语言开发的库系统中,如jpg解析库,加密解密库等等。

  也许C语言中的这种异常处理机制,较goto语句相比较,它才是真正意义上的、概念上比较彻底的,一种异常处理机制。作风一向比较严谨、喜欢刨根问底的主人公阿愚当然不会放

  弃对这种异常处理机制进行全面而深入的研究。下面一起来看看。

  setjmp函数有何作用?

  前面刚说了,setjmp是C标准库中提供的一个函数,它的作用是保存程序当前运行的一些状态。它的函数原型如下:

  int setjmp( jmp_buf env );

  这是MSDN中对它的评论,如下:

  setjmp函数用于保存程序的运行时的堆栈环境,接下来的其它地方,你可以通过调用longjmp函数来恢复先前被保存的程序堆栈环境。当setjmp和longjmp组合一起使用时,它们能提供一种在程序中实现“非本地局部跳转”("non-local goto")的机制。并且这种机制常常被用于来实现,把程序的控制流传递到错误处理模块之中;或者程序中不采用正常的返回(return)语句,或函数的正常调用等方法,而使程序能被恢复到先前的一个调用例程(也即函数)中。

  对setjmp函数的调用时,会保存程序当前的堆栈环境到env参数中;接下来调用longjmp时,会根据这个曾经保存的变量来恢复先前的环境,并且当前的程序控制流,会因此而返回到先前调用setjmp时的程序执行点。此时,在接下来的控制流的例程中,所能访问的所有的变量(除寄存器类型的变量以外),包含了longjmp函数调用时,所拥有的变量。

  setjmp和longjmp并不能很好地支持C++中面向对象的语义。因此在C++程序中,请使用C++提供的异常处理机制。

  好了,现在已经对setjmp有了很感性的了解,暂且不做过多评论,接着往下看longjmp函数。

  longjmp函数有何作用?

  同样,longjmp也是C标准库中提供的一个函数,它的作用是用于恢复程序执行的堆栈环境,它的函数原型如下:

  void longjmp( jmp_buf env, int value );

  这是MSDN中对它的评论,如下:

  longjmp函数用于恢复先前程序中调用的setjmp函数时所保存的堆栈环境。setjmp和longjmp组合一起使用时,它们能提供一种在程序中实现“非本地局部跳转”("non-local goto")的机制。并且这种机制常常被用于来实现,把程序的控制流传递到错误处理模块,或者不采用正常的返回(return)语句,或函数的正常调用等方法,使程序能被恢复到先前的一个调用例程(也即函数)中。

  对setjmp函数的调用时,会保存程序当前的堆栈环境到env参数中;接下来调用longjmp时,会根据这个曾经保存的变量来恢复先前的环境,并且因此当前的程序控制流,会返回到先前调用setjmp时的执行点。此时,value参数值会被setjmp函数所返回,程序继续得以执行。并且,在接下来的控制流的例程中,它所能够访问到的所有的变量(除寄存器类型的变量以外),包含了longjmp函数调用时,所拥有的变量;而寄存器类型的变量将不可预料。setjmp函数返回的值必须是非零值,如果longjmp传送的value参数值为0,那么实际上被setjmp返回的值是1。

  在调用setjmp的函数返回之前,调用longjmp,否则结果不可预料。

  在使用longjmp时,请遵守以下规则或限制:

  · 不要假象寄存器类型的变量将总会保持不变。在调用longjmp之后,通过setjmp所返回的控制流中,例程中寄存器类型的变量将不会被恢复。

  · 不要使用longjmp函数,来实现把控制流,从一个中断处理例程中传出,除非被捕获的异常是一个浮点数异常。在后一种情况下,如果程序通过调用_fpreset函数,来首先初始化浮点数包后,它是可以通过longjmp来实现从中断处理例程中返回。

  · 在C++程序中,小心对setjmp和longjmp的使用,应为setjmp和longjmp并不能很好地支持C++中面向对象的语义。因此在C++程序中,使用C++提供的异常处理机制将会更加安全。

  把setjmp和longjmp组合起来,原来它这么厉害!

  现在已经对setjmp和longjmp都有了很感性的了解,接下来,看一个示例,并从这个示例展开分析,示例代码如下(来源于MSDN):

  /* FPRESET.C: This program uses signal to set up a

  * routine for handling floating-point errors.

  */

  #include

  #include

  #include

  #include

  #include

  #include

  #include

  jmp_buf mark; /* Address for long jump to jump to */

  int fperr; /* Global error number */

  void __cdecl fphandler( int sig, int num ); /* Prototypes */

  void fpcheck( void );

  void main( void )

  {

  double n1, n2, r;

  int jmpret;

  /* Unmask all floating-point exceptions. */

  _control87( 0, _MCW_EM );

  /* Set up floating-point error handler. The compiler

  * will generate a warning because it expects

  * signal-handling functions to take only one argument.

  */

  if( signal( SIGFPE, fphandler ) == SIG_ERR )

  {

  fprintf( stderr, "Couldn't set SIGFPE\n" );

  abort(); }

  /* Save stack environment for return in case of error. First

  * time through, jmpret is 0, so true conditional is executed.

  * If an error occurs, jmpret will be set to -1 and false

  * conditional will be executed.

  */

  // 注意,下面这条语句的作用是,保存程序当前运行的状态

  jmpret = setjmp( mark );

  if( jmpret == 0 )

  {

  printf( "Test for invalid operation - " );

  printf( "enter two numbers: " );

  scanf( "%lf %lf", &n1, &n2 );

  // 注意,下面这条语句可能出现异常,

  // 如果从终端输入的第2个变量是0值的话

  r = n1 / n2;

  /* This won't be reached if error occurs. */

  printf( "\n\n%4.3g / %4.3g = %4.3g\n", n1, n2, r );

  r = n1 * n2;

  /* This won't be reached if error occurs. */

  printf( "\n\n%4.3g * %4.3g = %4.3g\n", n1, n2, r );

  }

  else

  fpcheck();

  }

  /* fphandler handles SIGFPE (floating-point error) interrupt. Note

  * that this prototype accepts two arguments and that the

  * prototype for signal in the run-time library expects a signal

  * handler to have only one argument.

  *

  * The second argument in this signal handler allows processing of

  * _FPE_INVALID, _FPE_OVERFLOW, _FPE_UNDERFLOW, and

  * _FPE_ZERODIVIDE, all of which are Microsoft-specific symbols

  * that augment the information provided by SIGFPE. The compiler

  * will generate a warning, which is harmless and expected.

  */

  void fphandler( int sig, int num )

  {

  /* Set global for outside check since we don't want

  * to do I/O in the handler.

  */

  fperr = num;

  /* Initialize floating-point package. */

  _fpreset();

  /* Restore calling environment and jump back to setjmp. Return

  * -1 so that setjmp will return false for conditional test.

  */

  // 注意,下面这条语句的作用是,恢复先前setjmp所保存的程序状态

  longjmp( mark, -1 );

  }

  void fpcheck( void )

  {

  char fpstr[30];

  switch( fperr )

  {

  case _FPE_INVALID:

  strcpy( fpstr, "Invalid number" );

  break;

  case _FPE_OVERFLOW:

  strcpy( fpstr, "Overflow" );

  break;

  case _FPE_UNDERFLOW:

  strcpy( fpstr, "Underflow" );

  break;

  case _FPE_ZERODIVIDE:

  strcpy( fpstr, "Divide by zero" );

  break;

  default:

  strcpy( fpstr, "Other floating point error" );

  break;

  }

  printf( "Error %d: %s\n", fperr, fpstr );

  }

  程序的运行结果如下:

  Test for invalid operation - enter two numbers: 1 2

  1 / 2 = 0.5

  1 * 2 = 2

  上面的程序运行结果正常。另外程序的运行结果还有一种情况,如下:

  Test for invalid operation - enter two numbers: 1 0

  Error 131: Divide by zero

  呵呵!程序运行过程中出现了异常(被0除),并且这种异常被程序预先定义的异常处理模块所捕获了。厉害吧!可千万别轻视,这可以C语言编写的程序。

  分析setjmp和longjmp

  现在,来分析上面的程序的执行过程。当然,这里主要分析在异常出现的情况下,程序运行的控制转移流程。由于文章篇幅有限,分析时,我们简化不相关的代码,这样更也易理解控制流的执行过程。如下图所示。

   第16集 C语言中一种更优雅的异常处理机制_www.fengfly.com

  呵呵!现在是否对程序的执行流程一目了然,其中最关键的就是setjjmp和longjmp函数的调用处理。我们分别来分析之。

  当程序运行到第②步时,调用setjmp函数,这个函数会保存程序当前运行的一些状态信息,主要是一些系统寄存器的值,如ss,cs,eip,eax,ebx,ecx,edx,eflags等寄存器,其中尤其重要的是eip的值,因为它相当于保存了一个程序运行的执行点。这些信息被保存到mark变量中,这是一个C标准库中所定义的特殊结构体类型的变量。

  调用setjmp函数保存程序状态之后,该函数返回0值,于是接下来程序执行到第③步和第④步中。在第④步中语句执行时,如果变量n2为0值,于是便引发了一个浮点数计算异常,,导致控制流转入fphandler函数中,也即进入到第⑤步。

  然后运行到第⑥步,调用longjmp函数,这个函数内部会从先前的setjmp所保存的程序状态,也即mark变量中,来恢复到以前的系统寄存器的值。于是便进入到了第⑦步,注意,这非常有点意思,实际上,通过longjmp函数的调用后,程序控制流(尤其是eip的值)再次戏剧性地进入到了setjmp函数的处理内部中,但是这一次setjmp返回的值是longjmp函数调用时,所传入的第2个参数,也即-1,因此程序接下来进入到了第⑧步的执行之中。

  总结

  与goto语句不同,在C语言中,setjmp()与longjmp()的组合调用,为程序员提供了一种更优雅的异常处理机制。它具有如下特点:

  (1) goto只能实现本地跳转,而setjmp()与longjmp()的组合运用,能有效的实现程序控制流的非本地(远程)跳转;

  (2) 与goto语句不同,setjmp()与longjmp()的组合运用,提供了真正意义上的异常处理机制。例如,它能有效定义受监控保护的模块区域(类似于C++中try关键字所定义的区域);同时它也能有效地定义异常处理模块(类似于C++中catch关键字所定义的区域);还有,它能在程序执行过程中,通过longjmp函数的调用,方便地抛出异常(类似于C++中throw关键字)。

  现在,相信大家已经对在C语言中提供的这种异常处理机制有了很全面地了解。但是我们还没有深入它研究它,下一篇文章中继续探讨吧!go!



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