C 標準庫 setjmp/longjmp 實現協程機制：原理、陷阱與 ucontext 對比

協程簡介

• 協程 = 協作式多任務，單執行緒內多個進入點/暫停點函數。
• 無搶佔調度開銷，切換僅涉及棟樑暫存器/棧指標交換。
• Knuth：「子程式是協程的特例」。

setjmp/longjmp 機制

#include 
jmp_buf env;               // 保存 CPU 狀態（PC, SP, 通用暫存器等）

int setjmp(jmp_buf env);   // 首次調用返回 0，長跳轉返回非 0
void longjmp(jmp_buf env, int val); // 恢復 env 狀態，setjmp 返回 val

關鍵規則（違反即 UB）

1. 必須先呼叫 setjmp，再呼叫 longjmp。
2. longjmp 必須在 setjmp 所在函數尚未返回時調用（棟樑仍有效）。
3. 嚴禁將 setjmp 封裝在輔助函數中（輔助函數返回後棟樑失效）。

正確範例

#include 
#include 

jmp_buf buf;

void second(void) {
    puts("second");
    longjmp(buf, 1);      // 跳回 main 的 setjmp
}

void first(void) {
    second();
    puts("first");        // 不會執行
}

int main(void) {
    if (setjmp(buf) == 0) first();
    else puts("main");    // longjmp 後執行這裡
    return 0;
}

輸出：second\nmain

錯誤封裝範例（UB）

int try(jmp_buf *b) { return setjmp(*b); }  // 錯誤！setjmp 在 try 棟樑
void throw(jmp_buf *b) { longjmp(*b, 1); }   // 呼叫時 try 已返回，棟樑無效

ucontext 對比

現代建議

• C++20 原生 coroutine（co_await）。
• C 語言專案：優先考慮狀態機或 libco/libtask 成熟庫。
• 教學/嵌入式極簡場景可用 setjmp，嚴守規則。

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