C/C++ 异常处理之 01：setjmp 和 longjmp

jibin

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C/C++

C C++C#VC++编程

前段时间给组内做一个栈方面内容培训的时候，很多人都讨论起C++ 里面 try catch 在捕获异常的时候栈是如何工作。因为我对try catch的异常处理时，栈的回退也不是很清楚，更何况Windows下还有SEH，VEH之流的处理机制。因此只好找时间慢慢做些功课，顺便记录下来。

提到C和C++的异常处理的，大家可能首先第一个想到的自然是try catch。但是在C语言里面是没有try-catch-finally 这样的异常处理方式，至少C标准没有定义，至于VC里面可以使用__try 和 __except 那是属于SEH 的范畴。其实最最原始的处理方式goto应该算一种，不过据大部分地方都有不建议使用goto的说法，大家感兴趣的完全可以使用索搜引擎搜一下关于goto的讨论。至少在我所在的公司不少部门在编程规范中都有关于“使用goto需要申请的”这么一条，哈哈。其实在做一些清理工作的时候goto是非常有用的。当然goto只能处理自身函数域内的一些问题，总不至于整个程序只有一个函数吧。

在C语言里还有一种处理机制就是使用setjmp 和longjmp。我们先来看一下这两个函数的原型：

int setjmp(jmp_buf env);
void longjmp(jmp_buf env, int val);

这两个函数在glibc 里面可以找到实现。简单的说setjmp 会保存当前的栈信息，而longjmp则会恢复当前的栈信息。而堆栈信息就保存在参数env里面了。

我们先看一个简单的例子来分析一下，参见如下代码：

#include <setjmp.h>
#include <iostream>

using namespace std;

static jmp_buf g_jmpbuf;

void exception_jmp()
{
    cout << "throw_exception_jmp start." << endl;
    longjmp(g_jmpbuf, 1);
    cout << "throw_exception_jmp end." << endl;
}


void call_jmp()
{
    exception_jmp();
}


int main(int argc, char *argv[])
{
    /* using setjmp and longjmp */
    if (setjmp(g_jmpbuf) == 0)
    {
        call_jmp();
    }
    else
    {
        cout << "catch exception via setimp-longjmp." << endl;
    }

    return 0;
}

main 函数调用 call_jmp，call_jmp 里再调用exception_jmp，先看执行结果：

[root@centbox cjmp]# ./test01 
throw_exception_jmp start.
catch exception via setimp-longjmp.
[root@centbox cjmp]# 
[root@centbox cjmp]#

结果和使用try-catch很类似。但是按照C 语言的思维来思考的话，可能不太好理解，因为两句打印实际上位于一个If的两个分支里面的。我们需要看一下setjmp 和 longjmp 的实现。

前面已经说过了setjmp 具体的作用就是保存寄存器。setjmp/longjmp 是分别在 glibc (GNU)和 CRT (MSVC) 里面实现的。我暂且先看GNU glibc里的实现。在X86下，实现在sysdeps/i386/setjmp.S，有如下实现：

ENTRY (BP_SYM (__sigsetjmp))
	ENTER

	movl JMPBUF(%esp), %eax
	CHECK_BOUNDS_BOTH_WIDE (%eax, JMPBUF(%esp), $JB_SIZE)

     	/* Save registers.  */
	movl %ebx, (JB_BX*4)(%eax)
	movl %esi, (JB_SI*4)(%eax)
	movl %edi, (JB_DI*4)(%eax)
	leal JMPBUF(%esp), %ecx	/* Save SP as it will be after we return.  */
#ifdef PTR_MANGLE
	PTR_MANGLE (%ecx)
#endif
     	movl %ecx, (JB_SP*4)(%eax)
	movl PCOFF(%esp), %ecx	/* Save PC we are returning to now.  */
#ifdef PTR_MANGLE
	PTR_MANGLE (%ecx)
#endif
     	movl %ecx, (JB_PC*4)(%eax)
	LEAVE /* pop frame pointer to prepare for tail-call.  */
	movl %ebp, (JB_BP*4)(%eax) /* Save caller's frame pointer.  */

#if defined NOT_IN_libc && defined IS_IN_rtld
	/* In ld.so we never save the signal mask.  */
	xorl %eax, %eax
	ret
#else
	/* Make a tail call to __sigjmp_save; it takes the same args.  */
	jmp __sigjmp_save
#endif
END (BP_SYM (__sigsetjmp))

其实简单的说就是存储相应的寄存器的值，在Jmpbuf-offsets.h 里有如下定义：

#define JB_BX	0
#define JB_SI	1
#define JB_DI	2
#define JB_BP	3
#define JB_SP	4
#define JB_PC	5
#define JB_SIZE 24

现在很清楚了，被保存起来的寄存器依次是：EBX, ESI, EDI, EBP, ESP, 还有就是返回地址。EBP和ESP是用来恢复栈帧的。EBX, ESI, EDI 被约定函数调用的时候需要恢复。注意返回值，也就是EAX里面的值，是0。所以setjmp 执行的时候实际返回的是0。

我们接着看 longjmp 的实现，在sysdeps/i386/__longjmp.S 中，注意在longjmp 和 setjmp都有出现一组宏 PTR_DEMANGLE 和 PTR_MANGLE，这是glibc 为了解决安全问题引入的，为了方便理解，我们暂时只看没有这组宏的地方的代码。__longjmp 如下：

#else
	movl 4(%esp), %ecx	/* User's jmp_buf in %ecx.  */
	movl 8(%esp), %eax	/* Second argument is return value.  */
	/* Save the return address now.  */
	movl (JB_PC*4)(%ecx), %edx
     	/* Restore registers.  */
	movl (JB_BX*4)(%ecx), %ebx
	movl (JB_SI*4)(%ecx), %esi
	movl (JB_DI*4)(%ecx), %edi
	movl (JB_BP*4)(%ecx), %ebp
	movl (JB_SP*4)(%ecx), %esp
#endif
	/* Jump to saved PC.  */
     	jmp *%edx
END (__longjmp)

首先将返回地址传给 edx，然后恢复剩余的5个寄存器后，最后jmp 到 edx 所指向的地址上去。这样就完成了栈的恢复。回过头来我考察一下main 函数里面调用setjmp 的代码的汇编逻辑。

0x0804878a <main+24>:   call   0x804858c <_setjmp@plt>
0x0804878f <main+29>:   test   %eax,%eax
0x08048791 <main+31>:   sete   %al
0x08048794 <main+34>:   test   %al,%al
0x08048796 <main+36>:   je     0x804879f <main+45>
0x08048798 <main+38>:   call   0x8048764 <_Z8call_jmpv>

调用_setjmp@plt后，我们之前分析过了_setjmp里面会保存当前寄存器的值，同时会把返回地址：0x0804878f 也保存下来。由于_setjmp执行返回0，因此接下来的跳转不会执行，而在接下来的执行的代码的时候如果调用longjmp 那么代码就会跳转回0x0804878f，由于longjmp 设置了新的返回值，此时eax 不为0，那么接下来的跳转就被执行了。至此在两个If 分支里的代码都被执行也就解释清楚了。

汇编的跳转如下：

还有一点值得说的。由于longjmp的时候是直接跳到原来的栈帧上去的，所以和C++ 的 try catch 是不太一样的。由于我们尚没有看C++ 的try catch是如何实现的。因此只好用一段测试代码的行为来说明。

#include <setjmp.h>
#include <iostream>

using namespace std;

static jmp_buf g_jmpbuf;

class TestClass
{
public:
    ~TestClass()
    {
        cout << "Call ~TestClass." << endl;
    }
};

void exception_jmp()
{
    cout << "throw_exception_jmp start." << endl;
    longjmp(g_jmpbuf, 1);
    cout << "throw_exception_jmp end." << endl;
}

void exception_throw()
{
    cout << "throw_exception_throw start." << endl;
    throw(0);
    cout << "throw_exception_throw end." << endl;
}

void call_jmp()
{
    TestClass oTest;
    exception_jmp();
}

void call_throw()
{
    TestClass oTest;
    exception_throw();
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    /* using setjmp and longjmp */
    if (setjmp(g_jmpbuf) == 0)
    {
        call_jmp();
    }
    else
    {
        cout << "catch exception via setimp-longjmp." << endl;
    }

    /* using try and catch */
    try
    {
        call_throw();
    }
    catch (...)
    {
        cout << "catch exception via try-catch." << endl;
    }

    return 0;
}

上面的代码分别使用longjmp 和 throw来抛出异常。

调用关系分别有：

main -> call_throw -> exception_throw

main -> call_jmp -> exception_jmp

在函数call_throw 和 call_jmp 里面都定义了局部的C++对象，执行结果表明在使用longjmp 方式的，析构函数没有被调用到。原因：longjmp 是直接跳回去的，try catch 的方式，我们后续会再讨论。所以：在C++里面可以使用try catch了，就不要用setjmp/longjmp来处理了。

上面代码的执行结果：

[root@centbox cjmp]# ./test
throw_exception_jmp start.
catch exception via setimp-longjmp.
throw_exception_throw start.
Call ~TestClass.
catch exception via try-catch.
[root@centbox cjmp]#