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34 用 setjmp、longjmp 实现长跳转

我们已经见过 goto，它在函数作用域内跳转。但 longjmp() 允许你跳回到执行过程中的更早位置，跳回到调用了当前函数的那个函数。

它有很多限制和注意事项，但要从调用栈深处跳出去、回到较早的状态时，它可能很有用。

以我的经验，这是一个极少被用到的功能。

34.1 使用 setjmp 与 longjmp

我们这里要跳的这套舞，基本上就是用 setjmp() 在执行过程中放一个书签。稍后我们会调用 longjmp()，它就会跳回到此前用 setjmp() 设置书签的那个执行位置。

即使你已经调用了几层子函数，它也能做到这一点。

下面是一个快速演示：我们调用几层深的函数，然后从中跳出来。

我们用一个文件作用域变量 env 来保存调用 setjmp() 时的状态，以便稍后调用 longjmp() 时恢复它们。我们就是靠这个变量记住自己“在哪儿”的。

变量 env 的类型是 jmp_buf，这是在 <setjmp.h> 中声明的一种不透明类型。

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

jmp_buf env;

void depth2(void)
{
    printf("Entering depth 2\n");
    longjmp(env, 3490);           // 跳出
    printf("Leaving depth 2\n");  // 这不会发生
}

void depth1(void)
{
    printf("Entering depth 1\n");
    depth2();
    printf("Leaving depth 1\n");  // 这不会发生
}

int main(void)
{
    switch (setjmp(env)) {
      case 0:
          printf("Calling into functions, setjmp() returned 0\n");
          depth1();
          printf("Returned from functions\n");  // 这不会发生
          break;

      case 3490:
          printf("Bailed back to main, setjmp() returned 3490\n");
          break;
    }
}

运行时输出如下：

Calling into functions, setjmp() returned 0
Entering depth 1
Entering depth 2
Bailed back to main, setjmp() returned 3490

如果你把那段输出和代码对照起来看，就会明显发现里面有一些相当古怪的事在发生。

最引人注目的现象之一是 setjmp() 会返回两次。这到底是什么鬼？这是什么巫术？！

事情是这样的：如果 setjmp() 返回 0，就说明你已经成功在那个位置设好了“书签”。

如果它返回非零值，就说明你刚刚回到了先前设好的“书签”处。（而返回的值就是你传给 longjmp() 的那个值。）

这样你就能区分“设置书签”和“稍后回到书签”这两种情况。

所以上面那段代码第一次调用 setjmp() 时，setjmp() 会把状态存储到 env 变量里，并返回 0。之后我们用同一个 env 调用 longjmp()，它会恢复状态，而 setjmp() 则返回传给 longjmp() 的那个值。

34.2 陷阱

在底层，这件事其实相当直接。通常由栈指针记录局部变量在内存中的存储位置，由程序计数器记录当前正在执行的指令的地址180。

所以如果我们想跳回到更早的某个函数，基本上只需要把栈指针和程序计数器恢复成 jmp_buf 变量里保存的值，并确保返回值设置正确。然后执行就会从那里继续。

但各种因素会让这件事变得复杂，从而制造出相当多的未定义行为陷阱。

34.2.1 局部变量的值

如果你希望自动变量（即非 static、非 extern 的局部变量）的值在 longjmp() 发生之后，仍能在调用 setjmp() 的那个函数里保持有效，就必须把这些变量声明为 volatile。

严格来说，只有当它们在调用 setjmp() 之后、调用 longjmp() 之前发生了改变时，才必须声明为 volatile181。

例如，如果我们运行下面这段代码：

int x = 20;

if (setjmp(env) == 0) {
    x = 30;
}

然后稍后再用 longjmp() 跳回来，x 的值就会是不确定的。

如果想修正这个问题，x 必须声明为 volatile：

volatile int x = 20;

if (setjmp(env) == 0) {
    x = 30;
}

现在，当 longjmp() 把我们带回这个位置时，值就会是正确的 30。

34.2.2 保存了多少状态？

当你调用 longjmp() 时，执行会从对应的 setjmp() 那一点继续。仅此而已。

规范指出，这就好像你跳回到函数中的那一点，而局部变量被设为调用 longjmp() 时它们各自的值。

套用规范的说法，不会被恢复的东西包括：

34.2.3 不能把任何东西命名为 setjmp

不能有任何名为 setjmp 的 extern 标识符。或者，如果 setjmp 是宏，你不能取消定义它。

这两种情况都是未定义行为。

34.2.4 不能在更大的表达式里调用 setjmp()

也就是说，你不能做下面这样的事：

if (x == 12 && setjmp(env) == 0) { ... }

规范不允许这么复杂，因为在展开栈之类的过程中必须做许多精密的操作。我们不能用 longjmp() 跳回某个只执行了一部分的复杂表达式中间。

所以那个表达式的复杂度是有限制的。

34.2.5 什么时候不能 longjmp()？

以下情况属于未定义行为：

关于最后一条，“退出”既包括从该函数正常返回，也包括另一次 longjmp() 跳回到调用栈中比该函数更“早”的位置这种情况。

34.2.6 不能给 longjmp() 传 0

如果你试图把值 0 传给 longjmp()，它会悄悄把这个值改成 1。

由于 setjmp() 最终会返回这个值，而 setjmp() 返回 0 又有特殊含义，所以禁止返回 0。

34.2.7 longjmp() 与变长数组

如果你处在某个 VLA 的作用域内，却用 longjmp() 跳了出去，那么分配给该 VLA 的内存就可能泄漏182。

如果你用 longjmp() 越过某些更早的函数，而那些函数里还有作用域内的 VLA，也会发生同样的事。

这就是 VLA 让我非常不爽的一点——你完全可以写出完全合法的 C 代码，却浪费了内存。不过，嘿——规范又不是我说了算。

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