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C語言異常處理機制：setjmp/longjmp 實現與 Except 接口設計

編輯：關於C

C 語言的錯誤類型與異常處理需求

程序運行中常見三類錯誤：用戶輸入錯誤、運行期錯誤（如內存不足）、以及異常情況（如除零、非法訪存）。C 語言本身缺乏結構化異常處理機制，標準庫提供的 setjmp 和 longjmp 成為實現非局部跳轉、模擬異常處理的基石。

setjmp 與 longjmp 基礎

函數原型與行為

#include <setjmp.h>

int setjmp(jmp_buf env);        // 保存當前調用環境至 env，首次返回 0
void longjmp(jmp_buf env, int val); // 恢復 env 環境，使 setjmp 返回 val (val=0 時返回 1)

jmp_buf：一個數組類型（通常定義為結構體數組），用於保存程序計數器、棧指針、幀指針、關鍵寄存器等上下文信息。
setjmp：建立「跳轉點」，返回 0 表示正常執行；被 longjmp 跳回時返回非零值（即 val）。
longjmp：執行「長跳轉」，恢復 env 保存的上下文，程序從對應的 setjmp 處繼續執行。

簡單示例：模擬 try-catch

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

static jmp_buf buf;

void second(void) {
    printf("second\n");
    longjmp(buf, 1); // 跳回 setjmp，使其返回 1
}

void first(void) {
    second();
    printf("first\n"); // 不會執行
}

int main() {
    if (!setjmp(buf)) { // 首次返回 0，進入 if
        first();
    } else {            // longjmp 跳回，返回 1，進入 else
        printf("main\n");
    }
    return 0;
}
// 輸出：second / main

進階：構建結構化異常接口 Except

直接使用 setjmp/longjmp 容易出錯（如資源洩漏、棧幀破壞）。Except 接口通過宏與函數封裝，提供類似 TRY-EXCEPT、TRY-FINALLY 的結構化異常處理，支持嵌套異常與異常傳播。

核心數據結構

typedef struct T { const char *reason; } Except_T; // 異常類型，僅含描述字符串

typedef struct Except_Frame Except_Frame;
struct Except_Frame {
    Except_Frame *prev;      // 指向上一層幀
    jmp_buf env;             // setjmp/longjmp 緩衝區
    const char *file;        // 異常拋出文件
    int line;                // 異常拋出行號
    const Except_T *exception; // 異常對象地址
};
extern Except_Frame *Except_stack; // 異常幀棧頂指針

關鍵宏定義邏輯

// 狀態枚舉
enum { Except_entered=0, Except_raised, Except_handled, Except_finalized };

#define TRY do { \
    volatile int Except_flag; \
    Except_Frame Except_frame; \
    Except_frame.prev = Except_stack; \
    Except_stack = &Except_frame; \
    Except_flag = setjmp(Except_frame.env); \
    if (Except_flag == Except_entered) {

#define EXCEPT(e) \
    if (Except_flag == Except_entered) Except_stack = Except_stack->prev; \
    } else if (Except_frame.exception == &(e)) { \
        Except_flag = Except_handled;

#define ELSE \
    if (Except_flag == Except_entered) Except_stack = Except_stack->prev; \
    } else { \
        Except_flag = Except_handled;

#define FINALLY \
    if (Except_flag == Except_entered) Except_stack = Except_stack->prev; \
    } { \
        if (Except_flag == Except_entered) \
            Except_flag = Except_finalized;

#define END_TRY \
    if (Except_flag == Except_entered) Except_stack = Except_stack->prev; \
    } if (Except_flag == Except_raised) RERAISE; \
} while (0)

#define RAISE(e) Except_raise(&(e), __FILE__, __LINE__)
#define RERAISE Except_raise(Except_frame.exception, Except_frame.file, Except_frame.line)
#define RETURN switch (Except_stack = Except_stack->prev, 0) default: return

異常拋出與捕獲流程

TRY：壓入新幀，調用 setjmp，標記狀態為 Except_entered，執行保護代碼 S。
RAISE(e)：調用 Except_raise，填充當前幀的 exception、file、line，彈出幀，longjmp 回 setjmp，狀態變為 Except_raised。
EXCEPT(e)：匹配異常類型，若匹配則執行處理代碼，狀態設為 Except_handled。
FINALLY：無論是否異常均執行清理代碼，結束後重新拋出原異常（RERAISE）。
END_TRY：清理棧幀，若有未處理異常則 RERAISE 繼續向上傳播。

內存分配失敗處理實例

Except_T Allocate_Failed = {"Allocation failed"};

void *allocate(unsigned n) {
    void *new = malloc(n);
    if (new) return new;
    RAISE(Allocate_Failed); // 拋出異常
    assert(0);              // 理論不可達
}

// 客戶端調用
extern Except_T Allocate_Failed;
char *buf;
TRY
    buf = allocate(4096);
EXCEPT(Allocate_Failed)
    fprintf(stderr, "couldn't allocate the buffer\n");
    exit(EXIT_FAILURE);
END_TRY;

Except_raise 核心實現

void Except_raise(const Except_T *e, const char *file, int line) {
    Except_Frame *p = Except_stack;
    assert(e);
    if (p == NULL) { // 無處理器，終止程序
        fprintf(stderr, "Uncaught exception");
        if (e->reason) fprintf(stderr, " %s", e->reason);
        else fprintf(stderr, " at 0x%p", e);
        if (file && line > 0) fprintf(stderr, " raised at %s:%d\n", file, line);
        fprintf(stderr, "aborting...\n");
        fflush(stderr);
        abort();
    }
    p->exception = e;
    p->file = file;
    p->line = line;
    Except_stack = Except_stack->prev; // 彈出當前幀
    longjmp(p->env, Except_raised);    // 長跳轉回 setjmp
}