c语言中的局部跳转及全局跳转功能_C/C++

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：

/*************************************************************************
        > 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：

/*************************************************************************
        > 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

在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

/*************************************************************************
        > 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：