c语言中的局部跳转以及全局跳转

一、前言

在c语言中,当我们在处理某些异常情况的时候,经常会使用goto语句来进行跳转。goto用起来很方便,但可能很多人都不知道,goto只能在一个函数里面跳转,并不能够跨函数跳转。本文将介绍能够跨函数跳转的接口setjmp和longjmp,将围绕如下内容展开:

1.goto的局限性

2.进程运行时的栈帧结构

3.setjmp和longjmp简介和使用方法

4.使用了全局跳转后main中变量的状态

二、goto的局限性

goto只能在同一个函数里面跳转,无法从一个函数跳转到另一个函数中。如果试图从一个函数跳转到另一个函数,则编译会报错。参考代码如下:

c 复制代码
/*************************************************************************
        > File Name: goto_test.c
        > Author: conbiao
        > Created Time: 2024年09月13日 星期五 10时47分41秒
 ************************************************************************/

/***********************************************************************
 *                             HEADER
 **********************************************************************/
#include<stdio.h>


/***********************************************************************
 *                              MACRO
 **********************************************************************/


/***********************************************************************
 *                          GLOBAL VARIABLE
 **********************************************************************/


/***********************************************************************
 *                       FUNCTION DESCRIPTION
 **********************************************************************/
void goto_test(void);


/***********************************************************************
* FUNCTION NAME: void goto_test()
 ***********************************************************************
*
* Summary:
*       This function is used to test goto.
*
* Params:
*       NONE.
*
* Return:
*       NONE.
*
***********************************************************************/
void goto_test(void)
{
    int i;

start:
    i = 0;
    printf("%s: start!\n",__func__);

    while(1)
    {
        printf("%s: i = %d\n",__func__,i++);

        if(i > 5)
            goto main_start;
    }
}

/***********************************************************************
 *                                MAIN
 **********************************************************************/
int main(int argc, char *argv[])
{
    int ret = 0;
main_start:
    printf("%s: start!\n",__func__);

    goto_test();

    return ret;
}

编译结果如下:

(2-1)

如果在同一个函数中使用goto,则能够正常跳转,代码如下:

c 复制代码
/*************************************************************************
        > File Name: goto_test.c
        > Author: conbiao
        > Created Time: 2024年09月13日 星期五 10时47分41秒
 ************************************************************************/

/***********************************************************************
 *                             HEADER
 **********************************************************************/
#include<stdio.h>


/***********************************************************************
 *                              MACRO
 **********************************************************************/


/***********************************************************************
 *                          GLOBAL VARIABLE
 **********************************************************************/


/***********************************************************************
 *                       FUNCTION DESCRIPTION
 **********************************************************************/
void goto_test(void);


/***********************************************************************
* FUNCTION NAME: void goto_test()
 ***********************************************************************
*
* Summary:
*       This function is used to test goto.
*
* Params:
*       NONE.
*
* Return:
*       NONE.
*
***********************************************************************/
void goto_test(void)
{
    int i;

start:
    i = 0;
    printf("%s: start!\n",__func__);

    while(1)
    {
        printf("%s: i = %d\n",__func__,i++);

        if(i > 5)
            goto start;
    }
}

/***********************************************************************
 *                                MAIN
 **********************************************************************/
int main(int argc, char *argv[])
{
    int ret = 0;
main_start:
    printf("%s: start!\n",__func__);

    goto_test();

    return ret;
}

运行结果如下:

(2-2)

三、进程运行时的栈帧结构

https://editor.csdn.net/md/?articleId=142054973一节中已经介绍过c程序运行时的存储空间布局,这其实是一个进程的进程空间结构。其中,栈空间用于存储程序在运行过程中使用到的临时变量,在进程空间中,系统为每个函数分配一个栈帧,结构如下:

goto只能在其调用函数的栈帧中跳转,无法从一个栈帧跳转到另一个栈帧。

四、setjmp和longjmp

使用setjmp和longjmp能够实现在栈帧上进行跳跃,其中setjmp用于设置标记,它会保存当前的执行环境(如程序计数器、栈指针等)在调用longjmp后,会恢复之前保存的执行环境,相当于跳转到setjmp的位置,。

4.1 setjmp

setjmp的函数实现如下:

头文件: #include <setjmp.h>
函数原型 : int setjmp(jmp_buf env);
返回值

如果 setjmp 是直接调用的,它将返回 0。

如果 setjmp 是通过 longjmp 调用的,它将返回 longjmp 的第二个参数(非零值)。
传入参数

jmp_buf env:这是一个用于存储执行环境的数组类型。setjmp 会将当前的执行环境保存到这个数组中。

4.2 longjmp

longjmp的函数原型如下:

头文件: #include <setjmp.h> 函数原型: void longjmp(jmp_buf env, int val);
传入参数:

jmp_buf env:这是之前由 setjmp 保存的执行环境。

int val:这是 longjmp 返回给 setjmp 的值。通常是一个非零值,用于区分不同的跳转点。

4.3 参考代码

c 复制代码
/*************************************************************************
        > File Name: jump_test.c
        > Author: conbiao
        > Created Time: 2024年09月13日 星期五 14时24分11秒
 ************************************************************************/

/***********************************************************************
 *                             HEADER
 **********************************************************************/
#include<stdio.h>
#include<setjmp.h>

/***********************************************************************
 *                              MACRO
 **********************************************************************/


/***********************************************************************
 *                          GLOBAL VARIABLE
 **********************************************************************/
jmp_buf env;
static int i = 0;

/***********************************************************************
 *                       FUNCTION DESCRIPTION
 **********************************************************************/
void func1(void);


/***********************************************************************
* FUNCTION NAME:
 ***********************************************************************
*
* Summary:
*
* Params:
*
* Return:
*
***********************************************************************/
void func1(void)
{
    printf("%s: start!\n",__func__);

    while(i < 8)
    {
        longjmp(env,i++);
    }

}


/***********************************************************************
 *                                MAIN
 **********************************************************************/
int main(int argc, char *argv[])
{
    int ret = 0;

    ret = setjmp(env);
    if(ret == 0)
    {
        printf("%s: This is the first call setjump!\n",__func__);
    }
    else
    {
        printf("%s: This is return from longjmp! ret = %d\n",__func__,ret);
    }

    func1();


    return ret;
}

运行结果如下:

(4.3-1)

可见,使用setjmp和longjmp实现了从func1的栈帧跳转到main函数所在的栈帧的功能。

分析一下上面代码的执行过程,在main函数调用setjmp前,该进程的栈如下:

(4.3-2)

到执行func1函数,调用longjmp前,栈空间如下:

(4.3-3)

在setjmp时,会将当前的执行环境信息保存到env中,当执行longjmp时,栈空间会回到4.3-2的情况,func1的栈帧就没有了。

五、使用全局跳转后main函数中变量的状态

上文已经说明了,使用longjmp会使程序回退到setjmp前的状态。那么,如果main函数中在调用setjmp前定义了一个变量,在调用setjmp后改变了这个变量的值,那么当调用longjmp后,该变量的值是调用setjmp前的还是后的呢?

c标准表示这个状态是不确定的。

如果希望调用longjmp后该变量的值不变,那么可以将该变量定义为全局变量或者使用static修饰,亦或者使用volatile属性声明。

参考资料:

《UNIX环境高级编程(第3版) (史蒂文斯 (W.Richard Stevens) 拉戈 (Stephen A.Rago))

(Z-Library)》

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