C語言異常處理機制：從 if 判斷到 setjmp/longjmp 協程

C語言異常處理機制：從 if 判斷到 setjmp/longjmp 協程

C 語言無原生 try/catch，但提供了多層次錯誤處理手段。本文由淺入深梳理：防禦性 if、返回碼約定、setjmp/longjmp 非局部跳轉、協程雛形、巨集封裝 TRY/CATCH。

層級 1：防禦性 if 判斷（最原始）

void convert(int a[], int n, int k) {
    if (!a || n <= 1 || !(k %= n)) return;  // 異常情況直接返回
    // ... 正常邏輯
}

• 優點：簡單、零開銷、就地處理。
• 缺點：調用鏈深時錯誤碼層層傳遞繁瑣，業務邏輯與錯誤處理混雜。

層級 2：返回碼約定（庫函數風格）

#define RT_OK   0
#define RT_EP  -1   // 參數錯誤
#define RT_EM  -2   // 內存錯誤

int div(double a, double b, double *res) {
    if (b == 0 || !res) return RT_EP;
    *res = a / b;
    return RT_OK;
}

• 調用者必須檢查返回碼：if (div(x,y,&z) != RT_OK) handle_error();。
• C 標準庫多採用此風格（malloc 返回 NULL，fopen 返回 NULL）。

層級 3：setjmp / longjmp 非局部跳轉（核心機制）

<setjmp.h> 提供兩函數：

• int setjmp(jmp_buf env)：保存當前寄存器/棧幀到 env，**首次返回 0**。
• void longjmp(jmp_buf env, int val)：恢復 env 狀態，**使對應 setjmp 返回 val**（val ≠ 0）。

關鍵規則：

1. longjmp 不能讓 setjmp 返回 0（若 val==0 強制改為 1），否則行為未定義。
2. jmp_buf 內含：EBP, EBX, EDI, ESI, ESP, EIP 等關鍵寄存器（x86），足以恢復執行上下文。
3. 跳轉跨越函數棧幀，**中間函數的清理代碼（析構、unlock、free）不會執行**，資源易洩漏。
4. 僅保證 volatile 變量值正確，普通局部變量可能被寄存器緩存導致值舊。

實例：模擬 try/catch 除零異常

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

jmp_buf env;

double safe_div(double a, double b) {
    if (b == 0) longjmp(env, -1);  // 拋出異常
    return a / b;
}

int main() {
    switch (setjmp(env)) {
        case 0:  // try 區塊
            printf("10/2 = %f\n", safe_div(10, 2));
            printf("5/0 = %f\n", safe_div(5, 0));  // 這裡 longjmp
            break;
        case -1:  // catch 區塊
            fprintf(stderr, "Caught division by zero!\n");
            break;
        default:
            fprintf(stderr, "Unknown error\n");
    }
    return 0;
}

層級 4：協程雛形（setjmp 保存/切換棧幀）

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

jmp_buf main_ctx, child_ctx;
int i = 0;

void child() {
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        puts("Child loop begin");
        if (!setjmp(child_ctx)) longjmp(main_ctx, 1);  // 讓出 CPU
        puts("Child loop end");
        if (!setjmp(child_ctx)) longjmp(main_ctx, 1);
    }
}

int main() {
    if (!setjmp(main_ctx)) child();  // 首次進入 child
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        puts("Parent");
        if (!setjmp(main_ctx)) longjmp(child_ctx, 1);  // 切回 child
    }
    return 0;
}

輸出交替的 Parent / Child loop begin/end，演示用戶態線程切換核心：保存上下文 → 切換棧指針 → 恢復上下文。

層級 5：巨集封裝 TRY/CATCH/THROW

#define TRYBEGIN(var) { jmp_buf var; switch(setjmp(var)) { case 0:
#define CATCH(code) break; case code:
#define CATCHBASE() default:
#define TRYEND break; } }
#define THROW(var, code) longjmp(var, code)

使用：

TRYBEGIN(jbuf) {
    risky_operation();
} CATCH(ERR_IO) {
    handle_io_error();
} CATCHBASE() {
    handle_generic();
} TRYEND

總結對比

最佳實踐建議

1. 90% 場景用 返回碼 + 防禦性 if 即可，簡單可靠。
2. setjmp/longjmp 僅用於：極深調用棧的致命錯誤快速退出、用戶態協程/綠色線程實現。
3. 若用 setjmp，**所有需在跳轉後保持值的變量必須聲明 volatile**。
4. 嚴禁在 longjmp 目標函數返回後再次 longjmp 到同一 jmp_buf（棧幀已銷毀）。
5. 現代 C 專案若需異常機制，建議引入 C++ 編譯單元或使用成熟庫（如 libcoro, libtask）。