3． setjmp：保存上下文信息

我們知道，C 代碼在編譯成二進(jìn)制文件之后，在執(zhí)行時(shí)被加載到內(nèi)存中，CPU 按照順序到代碼段取出每一條指令來(lái)執(zhí)行。在 CPU 中有很多個(gè)寄存器，用來(lái)保存當(dāng)前的執(zhí)行環(huán)境，比如：代碼段寄存器CS、指令偏移量寄存器IP，當(dāng)然了還有其他很多其它寄存器，我們把這個(gè)執(zhí)行環(huán)境稱作上下文。

CPU 在獲取下一條執(zhí)行指令時(shí)，通過(guò) CS 和 IP 這 2 個(gè)寄存器就能獲取到需要執(zhí)行的指令，如下圖：

補(bǔ)充一下知識(shí)點(diǎn)：

上圖中，把代碼段寄存器 CS 當(dāng)做一個(gè)基地址來(lái)看待了，也就是說(shuō)：CS 指向代碼段在內(nèi)存中的開(kāi)始地址，IP 寄存器代表下一個(gè)要執(zhí)行的指令地址距離這個(gè)基地址的偏移量。因此每次取指令時(shí)，只需要把這 2 個(gè)寄存器中的值相加，就得到了指令的地址；其實(shí)，在 x86 平臺(tái)上，代碼段寄存器 CS 并不是一個(gè)基地址，而是一個(gè)選擇子。在操作系統(tǒng)的某個(gè)地方有一個(gè)表格，這個(gè)表格里存儲(chǔ)了代碼段真正的開(kāi)始地址，而 CS 寄存器中 只是存儲(chǔ)了一個(gè)索引值，這個(gè)索引值指向這個(gè)表格中的某個(gè)表項(xiàng)，這里涉及到虛擬內(nèi)存的相關(guān)知識(shí)了；IP 寄存器在獲取一條指令之后，自動(dòng)往下移動(dòng)到下一個(gè)指令的開(kāi)始位置，至于移動(dòng)多少個(gè)字節(jié)，那就要看當(dāng)前取出的這條指令占用了多少個(gè)字節(jié)。

CPU 是一個(gè)大傻瓜，它沒(méi)有任何的想法，我們讓它干什么，它就干什么。比如取指令：我們只要設(shè)置 CS 和 IP 寄存器，CPU 就用這 2 個(gè)寄存器里的值去獲取指令。如果把這 2 個(gè)寄存器設(shè)置為一個(gè)錯(cuò)誤的值，CPU 也會(huì)傻不拉幾的去取指令，只不過(guò)在執(zhí)行時(shí)就會(huì)崩潰。

我們可以簡(jiǎn)單的把這些寄存器信息理解為上下文信息，CPU 就根據(jù)這些上下文信息來(lái)執(zhí)行。因此，C 語(yǔ)言為我們準(zhǔn)備了 setjmp 這個(gè)庫(kù)函數(shù)來(lái)把當(dāng)前的上下文信息保存起來(lái)，暫時(shí)存儲(chǔ)到一個(gè)緩沖區(qū)中。

保存的目的是什么？為了在以后可以恢復(fù)到當(dāng)前這個(gè)地方繼續(xù)執(zhí)行。

還有一個(gè)更簡(jiǎn)單的例子：服務(wù)器中的快照�？煺盏淖饔檬鞘裁�？當(dāng)服務(wù)器出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可以恢復(fù)到某個(gè)快照！

4． longjmp： 實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)

說(shuō)到跳轉(zhuǎn)，腦袋中立刻跳出的概念就是 goto 語(yǔ)句，我發(fā)現(xiàn)很多教程都對(duì) goto 語(yǔ)句很有意見(jiàn)，認(rèn)為在代碼中應(yīng)該盡量不要使用它。這樣的觀點(diǎn)出發(fā)點(diǎn)是好的：如果 goto 使用太多，會(huì)影響對(duì)代碼執(zhí)行順序的理解。

但是如果看一下 Linux 內(nèi)核的代碼，可以發(fā)現(xiàn)很多的 goto 語(yǔ)句。還是那句話：在代碼維護(hù)和執(zhí)行效率上要尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。

跳轉(zhuǎn)改變了程序的執(zhí)行序列，goto 語(yǔ)句只能在函數(shù)內(nèi)部進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，如果是跨函數(shù)它就無(wú)能為力了。

因此，C 語(yǔ)言中為我們提供了 longjmp 函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程跳轉(zhuǎn)，從它的名字就可以額看出來(lái)，也就是說(shuō)可以跨函數(shù)跳轉(zhuǎn)。

從 CPU 的角度看，所謂的跳轉(zhuǎn)就是把上下文中的各種寄存器設(shè)置為某個(gè)時(shí)刻的快照，很顯然，上面的 setjmp 函數(shù)中，已經(jīng)把那個(gè)時(shí)刻的上下文信息（快照）存儲(chǔ)到一個(gè)臨時(shí)緩沖區(qū)中了，如果要跳轉(zhuǎn)到那個(gè)地方去接著執(zhí)行，直接告訴 CPU 就行了。

怎么告訴 CPU 呢？就是把臨時(shí)緩沖區(qū)中的這些寄存器信息覆蓋掉 CPU 中使用的那些寄存器即可。

5． setjmp：返回類型和返回值

在某些需要多進(jìn)程的程序中，我們經(jīng)常使用 fork 函數(shù)來(lái)從當(dāng)前的進(jìn)程中＂孵化＂一個(gè)新的進(jìn)程，這個(gè)新進(jìn)程從 fork 這個(gè)函數(shù)的下一條語(yǔ)句開(kāi)始執(zhí)行。

對(duì)于主進(jìn)程來(lái)說(shuō)，調(diào)用 fork 函數(shù)之后返回，也是繼續(xù)執(zhí)行下一條語(yǔ)句，那么如何來(lái)區(qū)分是主進(jìn)程還是新進(jìn)程呢？ fork 函數(shù)提供了一個(gè)返回值給我們來(lái)進(jìn)行區(qū)分：

fork 函數(shù)返回 0：代表這是新進(jìn)程；
fork 函數(shù)返回非 0：代表是原來(lái)的主進(jìn)程，返回?cái)?shù)值是新進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)。

類似的，setjmp 函數(shù)也有不同的返回類型。也許用返回類型來(lái)表述不太準(zhǔn)確，可以這樣理解：從 setjmp 函數(shù)返回，一共有 2 個(gè)場(chǎng)景：

主動(dòng)調(diào)用 setjmp 時(shí)：返回 0，主動(dòng)調(diào)用的目的是為了保存上下文，建立快照。通過(guò) longjmp 跳轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)時(shí)：返回非 0，此時(shí)的返回值是由 longjmp 的第二個(gè)參數(shù)來(lái)指定的。

根據(jù)以上這 2 種不同的值，我們就可以進(jìn)行不同的分支處理了。當(dāng)通過(guò) longjmp 跳轉(zhuǎn)返回的時(shí)候，可以根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景，返回不同的非 0 值。有過(guò) Python、Lua 等腳本語(yǔ)言編程經(jīng)驗(yàn)的小伙伴，是不是想到了 yield／resume 函數(shù)？它們?cè)趨��?shù)、返回值上的外在表現(xiàn)是一樣的！

小結(jié)：到這里，基本上把 setjmp／longjmp 這 2 個(gè)函數(shù)的使用方法講完了，不知道我描述的是否足夠清楚。此時(shí)，再看一下文章開(kāi)頭的示例代碼，應(yīng)該一目了然了。

三、利用 setjmp／longjmp 實(shí)現(xiàn)異常捕獲

既然 C 函數(shù)庫(kù)給我們提供了這個(gè)工具，那就肯定存在一定的使用場(chǎng)景。異常捕獲在一些高級(jí)語(yǔ)言中（Java／C＋＋），直接在語(yǔ)法層面進(jìn)行了支持，一般就是 try－catch 語(yǔ)句，但是在 C 語(yǔ)言中需要自己去實(shí)現(xiàn)。

我們來(lái)演示一個(gè)最簡(jiǎn)單的異常捕獲模型，代碼一共 56 行：

＃include ＜unistd．h＞＃include ＜stdio．h＞＃include ＜stdlib．h＞＃include ＜setjmp．h＞
typedef int     BOOL；＃define TRUE    1＃define FALSE   0
／／ 枚舉：錯(cuò)誤代碼typedef enum ＿ErrorCode＿ ｛    ERR＿OK ＝ 100，         ／／ 沒(méi)有錯(cuò)誤    ERR＿DIV＿BY＿ZERO ＝ －1  ／／ 除數(shù)為 0｝ ErrorCode；
／／ 保存上下文的緩沖區(qū)jmp＿buf gExcptBuf；
／／ 可能發(fā)生異常的函數(shù)typedef int （＊pf）（int， int）；int my＿div（int a， int b）｛    if （0 ＝＝ b）    ｛        ／／ 發(fā)生異常，跳轉(zhuǎn)到函數(shù)執(zhí)行之前的位置        ／／ 第2個(gè)參數(shù)是異常代碼        longjmp（gExcptBuf， ERR＿DIV＿BY＿ZERO）；    ｝    ／／ 沒(méi)有異常，返回正確結(jié)果    return a ／ b；｝
／／ 在這個(gè)函數(shù)中執(zhí)行可能會(huì)出現(xiàn)異常的函數(shù)int try（pf func， int a， int b）｛    ／／ 保存上下文，如果發(fā)生異常，將會(huì)跳入這里    int ret ＝ setjmp（gExcptBuf）；    if （0 ＝＝ ret）    ｛        ／／ 調(diào)用可能發(fā)生異常的哈數(shù)        func（a， b）；        ／／ 沒(méi)有發(fā)生異常        return ERR＿OK；    ｝    else    ｛        ／／ 發(fā)生了異常，ret 中是異常代碼        return ret；    ｝｝
int main（）｛    int ret ＝ try（my＿div， 8， 0）；     ／／ 會(huì)發(fā)生異常    ／／ int ret ＝ try（my＿div， 8， 2）；  ／／ 不會(huì)發(fā)生異常    if （ERR＿OK ＝＝ ret）    ｛        printf（＂try ok ！ ＂）；    ｝    else    ｛        printf（＂try excepton． error ＝ ％d ＂， ret）；    ｝        return 0；｝

代碼就不需要詳細(xì)說(shuō)明了，直接看代碼中的注釋即可明白。這個(gè)代碼僅僅是示意性的，在生產(chǎn)代碼中肯定需要更完善的包裝才能使用。

有一點(diǎn)需要注意：setjmp／longjmp 僅僅是改變了程序的執(zhí)行順序，應(yīng)用程序自己的一些數(shù)據(jù)如果需要回滾的話，需要我們自己手動(dòng)處理。

四、利用 setjmp／longjmp 實(shí)現(xiàn)協(xié)程 

1． 什么是協(xié)程

在 C 程序中，如果需要并發(fā)執(zhí)行的序列一般都是用線程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，那么什么是協(xié)程呢？維基百科對(duì)于協(xié)程的解釋是：

更詳細(xì)的信息在這個(gè)頁(yè)面 協(xié)程，網(wǎng)頁(yè)中具體描述了協(xié)程與線程、生成器的比較，各種語(yǔ)言中的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

我們用生產(chǎn)者和消費(fèi)者來(lái)簡(jiǎn)單體會(huì)一下協(xié)程和線程的區(qū)別：

2． 線程中的生產(chǎn)者和消費(fèi)者生產(chǎn)者和消費(fèi)者是 2 個(gè)并行執(zhí)行的序列，通常用 2 個(gè)線程來(lái)執(zhí)行；生產(chǎn)者在生產(chǎn)商品時(shí)，消費(fèi)者處于等待狀態(tài)（阻塞）。生產(chǎn)完成后，通過(guò)信號(hào)量通知消費(fèi)者去消費(fèi)商品；消費(fèi)者在消費(fèi)商品時(shí)，生產(chǎn)者處于等待狀態(tài)（阻塞）。消費(fèi)結(jié)束后，通過(guò)信號(hào)量通知生產(chǎn)者繼續(xù)生產(chǎn)商品。3． 協(xié)程中的生產(chǎn)者和消費(fèi)者生產(chǎn)者和消費(fèi)者在同一個(gè)執(zhí)行序列中執(zhí)行，通過(guò)執(zhí)行序列的跳轉(zhuǎn)來(lái)交替執(zhí)行；生產(chǎn)者在生產(chǎn)商品之后，放棄 CPU，讓消費(fèi)者執(zhí)行；消費(fèi)者在消費(fèi)商品之后，放棄 CPU，讓生產(chǎn)者執(zhí)行；4． C 語(yǔ)言中的協(xié)程實(shí)現(xiàn)

這里給出一個(gè)最最簡(jiǎn)單的模型，通過(guò) setjmp／longjmp 來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)程的機(jī)制，主要是目的是來(lái)理解協(xié)程的執(zhí)行序列，沒(méi)有解決參數(shù)和返回值的傳遞問(wèn)題。

typedef int     BOOL；＃define TRUE    1＃define FALSE   0
／／ 用來(lái)存儲(chǔ)主程和協(xié)程的上下文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)typedef struct ＿Context＿ ｛    jmp＿buf mainBuf；    jmp＿buf coBuf；｝ Context；
／／ 上下文全局變量Context gCtx；
／／ 恢復(fù)＃define resume（）     if （0 ＝＝ setjmp（gCtx．mainBuf））     ｛         longjmp（gCtx．coBuf， 1）；     ｝
／／ 掛起＃define yield（）     if （0 ＝＝ setjmp（gCtx．coBuf））     ｛         longjmp（gCtx．mainBuf， 1）；     ｝
／／ 在協(xié)程中執(zhí)行的函數(shù)void coroutine＿function（void ＊arg）｛    while （TRUE）  ／／ 死循環(huán)    ｛        printf（＂＊＊＊ coroutine： working ＂）；        ／／ 模擬耗時(shí)操作        for （int i ＝ 0； i ＜ 10； ＋＋i）        ｛            fprintf（stderr， ＂．＂）；            usleep（1000 ＊ 200）；        ｝        printf（＂＊＊＊ coroutine： suspend ＂）；                ／／ 讓出 CPU        yield（）；    ｝｝
／／ 啟動(dòng)一個(gè)協(xié)程／／ 參數(shù)1：func 在協(xié)程中執(zhí)行的函數(shù)／／ 參數(shù)2：func 需要的參數(shù)typedef void （＊pf）（void ＊）；BOOL start＿coroutine（pf func， void ＊arg）｛    ／／ 保存主程的跳轉(zhuǎn)點(diǎn)    if （0 ＝＝ setjmp（gCtx．mainBuf））    ｛        func（arg）； ／／ 調(diào)用函數(shù)        return TRUE；    ｝
   return FALSE；｝
int main（）｛    ／／ 啟動(dòng)一個(gè)協(xié)程    start＿coroutine（coroutine＿function， NULL）；        while （TRUE） ／／ 死循環(huán)    ｛        printf（＂＝＝＝ main： working ＂）；
       ／／ 模擬耗時(shí)操作        for （int i ＝ 0； i ＜ 10； ＋＋i）        ｛            fprintf（stderr， ＂．＂）；            usleep（1000 ＊ 200）；        ｝
       printf（＂＝＝＝ main： suspend ＂）；                ／／ 放棄 CPU，讓協(xié)程執(zhí)行        resume（）；    ｝
   return 0；｝
打印信息如下：

如果想深入研究 C 語(yǔ)言中的協(xié)程實(shí)現(xiàn)，可以看一下達(dá)夫設(shè)備這個(gè)概念，其中利用 goto 和 switch 語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)分支跳轉(zhuǎn)，其中使用的語(yǔ)法比較怪異、但是合法。

五、總結(jié)

這篇文章的重點(diǎn)是介紹 setjmp／longjmp 的語(yǔ)法和使用場(chǎng)景，在某些需求場(chǎng)景中，能達(dá)到事半功倍的效果。

當(dāng)然，你還可以發(fā)揮想象力，通過(guò)執(zhí)行序列的跳轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)更加花哨的功能，一切皆有可能！

不吹噓，不炒作，不浮夸，認(rèn)真寫(xiě)好每一篇文章！

歡迎轉(zhuǎn)發(fā)、分享給身邊的技術(shù)朋友，道哥在此表示衷心的感謝！轉(zhuǎn)發(fā)的推薦語(yǔ)已經(jīng)幫您想好了：

道哥總結(jié)的這篇總結(jié)文章，寫(xiě)得很用心，對(duì)我的技術(shù)提升很有幫助。好東西，要分享！

最后，祝您：面對(duì)代碼，永無(wú)bug；面對(duì)生活，春暖花開(kāi)！