如何處理嵌入式C編程中的錯(cuò)誤異常
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本文主要總結(jié)嵌入式系統(tǒng)C語言編程中，主要的錯(cuò)誤處理方式。
本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/202309/450336.htm一、錯(cuò)誤概念
1.1 錯(cuò)誤分類
從嚴(yán)重性而言，程序錯(cuò)誤可分為致命性和非致命性兩類。對(duì)于致命性錯(cuò)誤，無法執(zhí)行恢復(fù)動(dòng)作，最多只能在用戶屏幕上打印出錯(cuò)消息或?qū)⑵鋵懭肴罩疚募缓蠼K止程序；而對(duì)于非致命性錯(cuò)誤，多數(shù)本質(zhì)上是暫時(shí)的(如資源短缺)，一般恢復(fù)動(dòng)作是延遲一些時(shí)間后再次嘗試。
從交互性而言，程序錯(cuò)誤可分為用戶錯(cuò)誤和內(nèi)部錯(cuò)誤兩類。用戶錯(cuò)誤呈現(xiàn)給用戶，通常指明用戶操作上的錯(cuò)誤；而程序內(nèi)部錯(cuò)誤呈現(xiàn)給程序員(可能攜帶用戶不可接觸的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié))，用于查錯(cuò)和排障。
應(yīng)用程序開發(fā)者可決定恢復(fù)哪些錯(cuò)誤以及如何恢復(fù)。例如，若磁盤已滿，可考慮刪除非必需或已過期的數(shù)據(jù)；若網(wǎng)絡(luò)連接失敗，可考慮短時(shí)間延遲后重建連接。選擇合理的錯(cuò)誤恢復(fù)策略，可避免應(yīng)用程序的異常終止，從而改善其健壯性。
1.2 處理步驟
錯(cuò)誤處理即處理程序運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的任何意外或異常情況。典型的錯(cuò)誤處理包含五個(gè)步驟：
程序執(zhí)行時(shí)發(fā)生軟件錯(cuò)誤。該錯(cuò)誤可能產(chǎn)生于被底層驅(qū)動(dòng)或內(nèi)核映射為軟件錯(cuò)誤的硬件響應(yīng)事件(如除零)。
以一個(gè)錯(cuò)誤指示符(如整數(shù)或結(jié)構(gòu)體)記錄錯(cuò)誤的原因及相關(guān)信息。
程序檢測(cè)該錯(cuò)誤(讀取錯(cuò)誤指示符，或由其主動(dòng)上報(bào)）；
程序決定如何處理錯(cuò)誤(忽略、部分處理或完全處理)；
恢復(fù)或終止程序的執(zhí)行。
上述步驟用C語言代碼表述如下：
int func(){
int bIsErrOccur = 0;
//do something that might invoke errors
if(bIsErrOccur) //Stage 1: error occurred
return -1; //Stage 2: generate error indicator
//...
return 0;
}
int main(void){
if(func() != 0) //Stage 3: detect error
{
//Stage 4: handle error
}
//Stage 5: recover or abort
return 0;
}
調(diào)用者可能希望函數(shù)返回成功時(shí)表示完全成功，失敗時(shí)程序恢復(fù)到調(diào)用前的狀態(tài)(但被調(diào)函數(shù)很難保證這點(diǎn))。
二、錯(cuò)誤傳遞
2.1 返回值和回傳參數(shù)
C語言通常使用返回值來標(biāo)志函數(shù)是否執(zhí)行成功，調(diào)用者通過if等語句檢查該返回值以判斷函數(shù)執(zhí)行情況。常見的幾種調(diào)用形式如下：
if((p = malloc(100)) == NULL)
//...
if((c = getchar()) == EOF)
//...
if((ticks = clock()) < 0)
//...
Unix系統(tǒng)調(diào)用級(jí)函數(shù)(和一些老的Posix函數(shù))的返回值有時(shí)既包括錯(cuò)誤代碼也包括有用結(jié)果。因此，上述調(diào)用形式可在同一條語句中接收返回值并檢查錯(cuò)誤(當(dāng)執(zhí)行成功時(shí)返回合法的數(shù)據(jù)值)。
返回值方式的好處是簡(jiǎn)便和高效，但仍存在較多問題：
代碼可讀性降低
沒有返回值的函數(shù)是不可靠的。但若每個(gè)函數(shù)都具有返回值，為保持程序健壯性，就必須對(duì)每個(gè)函數(shù)進(jìn)行正確性驗(yàn)證，即調(diào)用時(shí)檢查其返回值。這樣，代碼中很大一部分可能花費(fèi)在錯(cuò)誤處理上，且排錯(cuò)代碼和正常流程代碼攪在一起，比較混亂。
質(zhì)量降級(jí)
條件語句相比其他類型的語句潛藏更多的錯(cuò)誤。不必要的條件語句會(huì)增加排障和白盒測(cè)試的工作量。
信息有限
通過返回值只能返回一個(gè)值，因此一般只能簡(jiǎn)單地標(biāo)志成功或失敗，而無法作為獲知具體錯(cuò)誤信息的手段。通過按位編碼可變通地返回多個(gè)值，但并不常用。
字符串處理函數(shù)可參考IntToAscii()來返回具體的錯(cuò)誤原因，并支持鏈?zhǔn)奖磉_(dá)：
char *IntToAscii(int dwVal, char *pszRes, int dwRadix){
if(NULL == pszRes)
return "Arg2Null";
if((dwRadix < 2) || (dwRadix > 36))
return "Arg3OutOfRange";
//...
return pszRes;
}
定義沖突
不同函數(shù)在成功和失敗時(shí)返回值的取值規(guī)則可能不同。例如，Unix系統(tǒng)調(diào)用級(jí)函數(shù)返回0代表成功，-1代表失??；新的Posix函數(shù)返回0代表成功，非0代表失??；標(biāo)準(zhǔn)C庫中isxxx函數(shù)返回1表示成功，0表示失敗。
無約束性
調(diào)用者可以忽略和丟棄返回值。未檢查和處理返回值時(shí)，程序仍然能夠運(yùn)行，但結(jié)果不可預(yù)知。
新的Posix函數(shù)返回值只攜帶狀態(tài)和異常信息，并通過參數(shù)列表中的指針回傳有用的結(jié)果?；貍鲄?shù)綁定到相應(yīng)的實(shí)參上，因此調(diào)用者不可能完全忽略它們。通過回傳參數(shù)(如結(jié)構(gòu)體指針)可返回多個(gè)值，也可攜帶更多的信息。
綜合返回值和回傳參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)Get類函數(shù)采用返回值(含有用結(jié)果)方式，而對(duì)Set類函數(shù)采用返回值+回傳參數(shù)方式。
對(duì)于純粹的返回值，可按需提供如下解析接口：
typedef enum{
S_OK, //成功
S_ERROR, //失敗(原因未明確)，通用狀態(tài)
S_NULL_POINTER, //入?yún)⒅羔槥镹ULL
S_ILLEGAL_PARAM, //參數(shù)值非法，通用
S_OUT_OF_RANGE, //參數(shù)值越限
S_MAX_STATUS //不可作為返回值狀態(tài)，僅作枚舉最值使用
}FUNC_STATUS;
#define RC_NAME(eRetCode)
((eRetCode) == S_OK ? "Success" :
((eRetCode) == S_ERROR ? "Failure" :
((eRetCode) == S_NULL_POINTER ? "NullPointer" :
((eRetCode) == S_ILLEGAL_PARAM ? "IllegalParas" :
((eRetCode) == S_OUT_OF_RANGE ? "OutOfRange" :
"Unknown")))))
當(dāng)返回值錯(cuò)誤碼來自下游模塊時(shí)，可能與本模塊錯(cuò)誤碼沖突。此時(shí)，建議不要將下游錯(cuò)誤碼直接向上傳遞，以免引起混亂。若允許向終端或文件輸出錯(cuò)誤信息，則可詳細(xì)記錄出錯(cuò)現(xiàn)場(chǎng)(如函數(shù)名、錯(cuò)誤描述、參數(shù)取值等)，并轉(zhuǎn)換為本模塊定義的錯(cuò)誤碼再向上傳遞。
2.2 全局狀態(tài)標(biāo)志(errno)
Unix系統(tǒng)調(diào)用或某些C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)出錯(cuò)時(shí)，通常返回一個(gè)負(fù)值，并設(shè)置全局整型變量errno為一個(gè)含有錯(cuò)誤信息的值。例如，open函數(shù)出錯(cuò)時(shí)返回-1，并設(shè)置errno為EACESS(權(quán)限不足)等值。
C標(biāo)準(zhǔn)庫頭文件中定義errno及其可能的非零常量取值(以字符'E'開頭)。在ANSI C中已定義一些基本的errno常量，操作系統(tǒng)也會(huì)擴(kuò)展一部分(但其對(duì)錯(cuò)誤描述仍顯匱乏)。Linux系統(tǒng)中，出錯(cuò)常量在errno(3)手冊(cè)頁中列出，可通過man 3 errno命令查看。除EAGAIN和EWOULDBLOCK取值相同外，POSIX.1指定的所有出錯(cuò)編號(hào)取值均不同。
Posix和ISO C將errno定義為一個(gè)可修改的整型左值(lvalue)，可以是包含出錯(cuò)編號(hào)的一個(gè)整數(shù)，或是一個(gè)返回出錯(cuò)編號(hào)指針的函數(shù)。以前使用的定義為：
extern int errno;
但在多線程環(huán)境中，多個(gè)線程共享進(jìn)程地址空間，每個(gè)線程都有屬于自己的局部errno(thread-local)以避免一個(gè)線程干擾另一個(gè)線程。例如，Linux支持多線程存取errno，將其定義為：
extern int *__errno_location(void);
#define errno (*__errno_location())
函數(shù)__ errno_location在不同的庫版本下有不同的定義，在單線程版本中，直接返回全局變量errno的地址；而在多線程版本中，不同線程調(diào)用__errno_location返回的地址則各不相同。
C運(yùn)行庫中主要在math.h(數(shù)學(xué)運(yùn)算)和stdio.h(I/O操作)頭文件聲明的函數(shù)中使用errno。
使用errno時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
函數(shù)返回成功時(shí)，允許其修改errno。
例如，調(diào)用fopen函數(shù)新建文件時(shí)，內(nèi)部可能會(huì)調(diào)用其他庫函數(shù)檢測(cè)是否存在同名文件。而用于檢測(cè)文件的庫函數(shù)在文件不存在時(shí)，可能會(huì)失敗并設(shè)置errno。這樣， fopen函數(shù)每次新建一個(gè)事先并不存在的文件時(shí)，即使沒有任何程序錯(cuò)誤發(fā)生(fopen本身成功返回)，errno也仍然可能被設(shè)置。
因此，調(diào)用庫函數(shù)時(shí)應(yīng)先檢測(cè)作為錯(cuò)誤指示的返回值。僅當(dāng)函數(shù)返回值指明出錯(cuò)時(shí)，才檢查errno值：
//調(diào)用庫函數(shù)
if(返回錯(cuò)誤值)
//檢查errno
庫函數(shù)返回失敗時(shí)，不一定會(huì)設(shè)置errno，取決于具體的庫函數(shù)。
errno在程序開始時(shí)設(shè)置為0，任何庫函數(shù)都不會(huì)將errno再次清零。
因此，在調(diào)用可能設(shè)置errno的運(yùn)行庫函數(shù)之前，最好先將errno設(shè)置為0。調(diào)用失敗后再檢查errno的值。
使用errno前，應(yīng)避免調(diào)用其他可能設(shè)置errno的庫函數(shù)。如：
if (somecall() == -1)
{
printf("somecall() failedn");
if(errno == ...) { ... }
}
somecall()函數(shù)出錯(cuò)返回時(shí)設(shè)置errno。但當(dāng)檢查errno時(shí)，其值可能已被printf()函數(shù)改變。
若要正確使用somecall()函數(shù)設(shè)置的errno，須在調(diào)用printf()函數(shù)前保存其值：
if (somecall() == -1)
{
int dwErrSaved = errno;
printf("somecall() failedn");
if(dwErrSaved == ...) { ... }
}
類似地，當(dāng)在信號(hào)處理程序中調(diào)用可重入函數(shù)時(shí)，應(yīng)在其前保存其后恢復(fù)errno值。
使用現(xiàn)代版本的C庫時(shí)，應(yīng)包含使用頭文件；在非常老的Unix 系統(tǒng)中，可能沒有該頭文件，此時(shí)可手工聲明errno(如extern int errno)。
C標(biāo)準(zhǔn)定義strerror和perror兩個(gè)函數(shù)，以幫助打印錯(cuò)誤信息。
#include
char *strerror(int errnum);
該函數(shù)將errnum(即errno值)映射為一個(gè)出錯(cuò)信息字符串，并返回指向該字符串的指針?？蓪⒊鲥e(cuò)字符串和其它信息組合輸出到用戶界面，或保存到日志文件中，如通過fprintf(fp, "somecall failed(%s)", strerror(errno))將錯(cuò)誤消息打印到fp指向的文件中。
perror函數(shù)將當(dāng)前errno對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤消息的字符串輸出到標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤(即stderr或2)上。
#include
void perror(const char *msg);
該函數(shù)首先輸出由msg指向的字符串(用戶自己定義的信息)，后面緊跟一個(gè)冒號(hào)和空格，然后是當(dāng)前errno值對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤類型描述，最后是一個(gè)換行符。未使用重定向時(shí)，該函數(shù)輸出到控制臺(tái)上；若將標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出重定向到/dev/null，則看不到任何輸出。
注意，perror()函數(shù)中errno對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤消息集合與strerror()相同。但后者可提供更多定位信息和輸出方式。
兩個(gè)函數(shù)的用法示例如下：
int main(int argc, char** argv){
errno = 0;
FILE *pFile = fopen(argv[1], "r");
if(NULL == pFile)
{
printf("Cannot open file '%s'(%s)!n", argv[1], strerror(errno));
perror("Open file failed");
}
else
{
printf("Open file '%s'(%s)!n", argv[1], strerror(errno));
perror("Open file");
fclose(pFile);
}
return 0;
}
執(zhí)行結(jié)果為：
[wangxiaoyuan_@localhost test1]$ ./GlbErr /sdb1/wangxiaoyuan/linux_test/test1/test.c
Open file '/sdb1/wangxiaoyuan/linux_test/test1/test.c'(Success)!
Open file: Success
[wangxiaoyuan_@localhost test1]$ ./GlbErr NonexistentFile.h
Cannot open file 'NonexistentFile.h'(No such file or directory)!
Open file failed: No such file or directory
[wangxiaoyuan_@localhost test1]$ ./GlbErr NonexistentFile.h > test
Open file failed: No such file or directory
[wangxiaoyuan_@localhost test1]$ ./GlbErr NonexistentFile.h 2> test
Cannot open file 'NonexistentFile.h'(No such file or directory)!
也可仿照errno的定義和處理，定制自己的錯(cuò)誤代碼：
int *_fpErrNo(void)
{
static int dwLocalErrNo = 0;
return &dwLocalErrNo;
}
#define ErrNo (*_fpErrNo())
#define EOUTOFRANGE 1
//define other error macros...
int Callee(void){
ErrNo = 1;
return -1;
}
int main(void){
ErrNo = 0;
if((-1 == Callee()) && (EOUTOFRANGE == ErrNo))
printf("Callee failed(ErrNo:%d)!n", ErrNo);
return 0;
}
借助全局狀態(tài)標(biāo)志，可充分利用函數(shù)的接口(返回值和參數(shù)表)。但與返回值一樣，它隱含地要求調(diào)用者在調(diào)用函數(shù)后檢查該標(biāo)志，而這種約束同樣脆弱。
此外，全局狀態(tài)標(biāo)志存在重用和覆蓋的風(fēng)險(xiǎn)。而函數(shù)返回值是無名的臨時(shí)變量，由函數(shù)產(chǎn)生且只能被調(diào)用者訪問。調(diào)用完成后即可檢查或拷貝返回值，然后原始的返回對(duì)象將消失而不能被重用。又因?yàn)闊o名，返回值不能被覆蓋。
2.3 局部跳轉(zhuǎn)(goto)
使用goto語句可直接跳轉(zhuǎn)到函數(shù)內(nèi)的錯(cuò)誤處理代碼處。以除零錯(cuò)誤為例：
double Division(double fDividend, double fDivisor){
return fDividend/fDivisor;
}
int main(void){
int dwFlag = 0;
if(1 == dwFlag)
{
RaiseException:
printf("The divisor cannot be 0!n");
exit(1);
}
dwFlag = 1;
double fDividend = 0.0, fDivisor = 0.0;
printf("Enter the dividend: ");
scanf("%lf", &fDividend);
printf("Enter the divisor : ");
scanf("%lf", &fDivisor);
if(0 == fDivisor) //不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)母↑c(diǎn)數(shù)判0比較
goto RaiseException;
printf("The quotient is %.2lfn", Division(fDividend, fDivisor));
return 0;
}
執(zhí)行結(jié)果如下：
[wangxiaoyuan_@localhost test1]$ ./test
Enter the dividend: 10
Enter the divisor : 0
The divisor cannot be 0!
[wangxiaoyuan_@localhost test1]$ ./test
Enter the dividend: 10
Enter the divisor : 2
The quotient is 5.00
雖然goto語句會(huì)破壞代碼結(jié)構(gòu)性，但卻非常適用于集中錯(cuò)誤處理。偽代碼示例如下：
CallerFunc()
{
if((ret = CalleeFunc1()) < 0);
goto ErrHandle;
if((ret = CalleeFunc2()) < 0);
goto ErrHandle;
if((ret = CalleeFunc3()) < 0);
goto ErrHandle;
//...
return;
ErrHandle:
//Handle Error(e.g. printf)
return;
}
2.4 非局部跳轉(zhuǎn)(setjmp/longjmp)
局部goto語句只能跳到所在函數(shù)內(nèi)部的標(biāo)號(hào)上。若要跨越函數(shù)跳轉(zhuǎn)，需要借助標(biāo)準(zhǔn)C庫提供非局部跳轉(zhuǎn)函數(shù)setjmp()和longjmp()。
它們分別承擔(dān)非局部標(biāo)號(hào)和goto的作用，非常適用于處理發(fā)生在深層嵌套函數(shù)調(diào)用中的出錯(cuò)情況。“非局部跳轉(zhuǎn)”是在棧上跳過若干調(diào)用幀，返回到當(dāng)前函數(shù)調(diào)用路徑上的某個(gè)函數(shù)內(nèi)。
#include
int setjmp(jmp_buf env);
void longjmp(jmp_buf env,int val);
函數(shù)setjmp()將程序運(yùn)行時(shí)的當(dāng)前系統(tǒng)堆棧環(huán)境保存在緩沖區(qū)env結(jié)構(gòu)中。初次調(diào)用該函數(shù)時(shí)返回值為0。longjmp()函數(shù)根據(jù)setjmp()所保存的env結(jié)構(gòu)恢復(fù)先前的堆棧環(huán)境，即“跳回”先前調(diào)用setjmp時(shí)的程序執(zhí)行點(diǎn)。
此時(shí)，setjmp()函數(shù)返回longjmp()函數(shù)所設(shè)置的參數(shù)val值，程序?qū)⒗^續(xù)執(zhí)行setjmp調(diào)用后的下一條語句(仿佛從未離開setjmp)。參數(shù)val為非0值，若設(shè)置為0，則setjmp()函數(shù)返回1。
可見，setjmp()有兩類返回值，用于區(qū)分是首次直接調(diào)用(返回0)和還是由其他地方跳轉(zhuǎn)而來(返回非0值)。對(duì)于一個(gè)setjmp可有多個(gè)longjmp，因此可由不同的非0返回值區(qū)分這些longjmp。
舉個(gè)簡(jiǎn)單例子說明 setjmp/longjmp的非局部跳轉(zhuǎn)：
jmp_buf gJmpBuf;
void Func1(){
printf("Enter Func1n");
if(0)longjmp(gJmpBuf, 1);
}
void Func2(){
printf("Enter Func2n");
if(0)longjmp(gJmpBuf, 2);
}
void Func3(){
printf("Enter Func3n");
if(1)longjmp(gJmpBuf, 3);
}
int main(void){
int dwJmpRet = setjmp(gJmpBuf);
printf("dwJmpRet = %dn", dwJmpRet);
if(0 == dwJmpRet)
{
Func1();
Func2();
Func3();
}
else
{
switch(dwJmpRet)
{
case 1:
printf("Jump back from Func1n");
break;
case 2:
printf("Jump back from Func2n");
break;
case 3:
printf("Jump back from Func3n");
break;
default:
printf("Unknown Func!n");
break;
}
}
return 0;
}
執(zhí)行結(jié)果為：
dwJmpRet = 0
Enter Func1
Enter Func2
Enter Func3
dwJmpRet = 3
Jump back from Func3
當(dāng)setjmp/longjmp嵌在單個(gè)函數(shù)中使用時(shí)，可模擬PASCAL語言中嵌套函數(shù)定義(即函數(shù)內(nèi)中定義一個(gè)局部函數(shù))。當(dāng)setjmp/longjmp跨越函數(shù)使用時(shí)，可模擬面向?qū)ο笳Z言中的異常(exception) 機(jī)制。
模擬異常機(jī)制時(shí)，首先通過setjmp()函數(shù)設(shè)置一個(gè)跳轉(zhuǎn)點(diǎn)并保存返回現(xiàn)場(chǎng)，然后使用try塊包含那些可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的代碼?？稍趖ry塊代碼中或其調(diào)用的函數(shù)內(nèi)，通過longjmp()函數(shù)拋出(throw)異常。
拋出異常后，將跳回setjmp()函數(shù)所設(shè)置的跳轉(zhuǎn)點(diǎn)并執(zhí)行catch塊所包含的異常處理程序。
以除零錯(cuò)誤為例：
jmp_buf gJmpBuf;
void RaiseException(void){
printf("Exception is raised: ");
longjmp(gJmpBuf, 1); //throw，跳轉(zhuǎn)至異常處理代碼
printf("This line should never get printed!n");
}
double Division(double fDividend, double fDivisor){
return fDividend/fDivisor;
}
int main(void){
double fDividend = 0.0, fDivisor = 0.0;
printf("Enter the dividend: ");
scanf("%lf", &fDividend);
printf("Enter the divisor : ");
if(0 == setjmp(gJmpBuf)) //try塊
{
scanf("%lf", &fDivisor);
if(0 == fDivisor) //也可將該判斷及RaiseException置于Division內(nèi)
RaiseException();
printf("The quotient is %.2lfn", Division(fDividend, fDivisor));
}
else //catch塊(異常處理代碼)
{
printf("The divisor cannot be 0!n");
}
return 0;
}
執(zhí)行結(jié)果為：
Enter the dividend: 10
Enter the divisor : 0
Exception is raised: The divisor cannot be 0!
通過組合使用setjmp/longjmp函數(shù)，可對(duì)復(fù)雜程序中可能出現(xiàn)的異常進(jìn)行集中處理。根據(jù)longjmp()函數(shù)所傳遞的返回值來區(qū)分處理各種不同的異常。
使用setjmp/longjmp函數(shù)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
必須先調(diào)用setjmp()函數(shù)后調(diào)用longjmp()函數(shù)，以恢復(fù)到先前被保存的程序執(zhí)行點(diǎn)。若調(diào)用順序相反，將導(dǎo)致程序的執(zhí)行流變得不可預(yù)測(cè)，很容易導(dǎo)致程序崩潰。
longjmp()函數(shù)必須在setjmp()函數(shù)的作用域之內(nèi)。在調(diào)用setjmp()函數(shù)時(shí)，它保存的程序執(zhí)行點(diǎn)環(huán)境只在當(dāng)前主調(diào)函數(shù)作用域以內(nèi)(或以后)有效。若主調(diào)函數(shù)返回或退出到上層(或更上層)的函數(shù)環(huán)境中，則setjmp()函數(shù)所保存的程序環(huán)境也隨之失效(函數(shù)返回時(shí)堆棧內(nèi)存失效)。這就要求setjmp()不可該封裝在一個(gè)函數(shù)中，若要封裝則必須使用宏(詳見《C語言接口與實(shí)現(xiàn)》“第4章 異常與斷言”)。
通常將jmp_buf變量定義為全局變量，以便跨函數(shù)調(diào)用longjmp。
通常，存放在存儲(chǔ)器中的變量將具有l(wèi)ongjmp時(shí)的值，而在CPU和浮點(diǎn)寄存器中的變量則恢復(fù)為調(diào)用setjmp時(shí)的值。因此，若在調(diào)用setjmp和longjmp之間修改自動(dòng)變量或寄存器變量的值，當(dāng)setjmp從longjmp調(diào)用返回時(shí)，變量將維持修改后的值。若要編寫使用非局部跳轉(zhuǎn)的可移植程序，必須使用volatile屬性。
使用異常機(jī)制不必每次調(diào)用都檢查一次返回值，但因?yàn)槌绦蛑腥魏挝恢枚伎赡軖伋霎惓?，必須時(shí)刻考慮是否捕捉異常。在大型程序中，判斷是否捕捉異常會(huì)是很大的思維負(fù)擔(dān)，影響開發(fā)效率。
相比之下，通過返回值指示錯(cuò)誤有利于調(diào)用者在最近出錯(cuò)的地方進(jìn)行檢查。此外，返回值模式中程序的運(yùn)行順序一目了然，對(duì)維護(hù)者可讀性更高。因此，應(yīng)用程序中不建議使用setjmp/longjmp“異常處理”機(jī)制(除非庫或框架)。
2.5 信號(hào)(signal/raise)
在某些情況下，主機(jī)環(huán)境或操作系統(tǒng)可能發(fā)出信號(hào)(signal)事件，指示特定的編程錯(cuò)誤或嚴(yán)重事件(如除0或中斷等)。這些信號(hào)本意并非用于錯(cuò)誤捕獲，而是指示與正常程序流不協(xié)調(diào)的外部事件。
為處理信號(hào)，需要使用以下信號(hào)相關(guān)函數(shù)：
#include
typedef void (*fpSigFunc)(int);
fpSigFunc signal(int signo, fpSigFunc fpHandler);
int raise(int signo);
其中，參數(shù)signo是Unix系統(tǒng)定義的信號(hào)編號(hào)(正整數(shù))，不允許用戶自定義信號(hào)。參數(shù)fpHandler是常量SIG_DFL、常量SIG_IGN或當(dāng)接收到此信號(hào)后要調(diào)用的信號(hào)處理函數(shù)(signal handler)的地址。若指定SIG_DFL，則接收到此信號(hào)后調(diào)用系統(tǒng)的缺省處理函數(shù)；若指定SIG_ IGN，則向內(nèi)核表明忽略此信號(hào)(SIGKILL和SIGSTOP不可忽略)。
某些異常信號(hào)(如除數(shù)為零)不太可能恢復(fù)，此時(shí)信號(hào)處理函數(shù)可在程序終止前正確地清理某些資源。信號(hào)處理函數(shù)所收到的異常信息僅是一個(gè)整數(shù)(待處理的信號(hào)事件)，這點(diǎn)與setjmp()函數(shù)類似。
signal()函數(shù)執(zhí)行成功時(shí)返回前次掛接的處理函數(shù)地址，失敗時(shí)則返回SIG_ERR。信號(hào)通過調(diào)用raise()函數(shù)產(chǎn)生并被處理函數(shù)捕獲。
以除零錯(cuò)誤為例：
void fphandler(int dwSigNo){
printf("Exception is raised, dwSigNo=%d!n", dwSigNo);
}
int main(void){
if(SIG_ERR == signal(SIGFPE, fphandler))
{
fprintf(stderr, "Fail to set SIGFPE handler!n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
double fDividend = 10.0, fDivisor = 0.0;
if(0 == fDivisor)
{
raise(SIGFPE);
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("The quotient is %.2lfn", fDividend/fDivisor);
return 0;
}
執(zhí)行結(jié)果為"Exception is raised, dwSigNo=8!"(0.0不等同于0，因此系統(tǒng)未檢測(cè)到浮點(diǎn)異常)。
若將被除數(shù)(Dividend)和除數(shù)(Divisor)改為整型變量：
int main(void){
if(SIG_ERR == signal(SIGFPE, fphandler))
{
fprintf(stderr, "Fail to set SIGFPE handler!n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
int dwDividend = 10, dwDivisor = 0;
double fQuotient = dwDividend/dwDivisor;
printf("The quotient is %.2lfn", fQuotient);
return 0;
}
則執(zhí)行后循環(huán)輸出"Exception is raised, dwSigNo=8!"。這是因?yàn)檫M(jìn)程捕捉到信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理時(shí)，進(jìn)程正在執(zhí)行的指令序列被信號(hào)處理程序臨時(shí)中斷，它首先執(zhí)行該信號(hào)處理程序中的指令。若從信號(hào)處理程序返回(未調(diào)用exit或longjmp)，則繼續(xù)執(zhí)行在捕捉到信號(hào)時(shí)進(jìn)程正在執(zhí)行的正常指令序列。
因此，每次系統(tǒng)調(diào)用信號(hào)處理函數(shù)后，異常控制流還會(huì)返回除0指令繼續(xù)執(zhí)行。而除0異常不可恢復(fù)，導(dǎo)致反復(fù)輸出異常。
規(guī)避方法有兩種：
將SIGFPE信號(hào)變成系統(tǒng)默認(rèn)處理，即signal(SIGFPE, SIG_DFL)。
此時(shí)執(zhí)行輸出為"Floating point exception"。
利用setjmp/longjmp跳過引發(fā)異常的指令：
jmp_buf gJmpBuf;
void fphandler(int dwSigNo){
printf("Exception is raised, dwSigNo=%d!n", dwSigNo);
longjmp(gJmpBuf, 1);
}
int main(void){
if(SIG_ERR == signal(SIGFPE, SIG_DFL))
{
fprintf(stderr, "Fail to set SIGFPE handler!n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
int dwDividend = 10, dwDivisor = 0;
if(0 == setjmp(gJmpBuf))
{
double fQuotient = dwDividend/dwDivisor;
printf("The quotient is %.2lfn", fQuotient);
}
else
{
printf("The divisor cannot be 0!n");
}
return 0;
}
注意，在信號(hào)處理程序中還可使用sigsetjmp/siglongjmp函數(shù)進(jìn)行非局部跳轉(zhuǎn)。相比setjmp函數(shù)，sigsetjmp函數(shù)增加一個(gè)信號(hào)屏蔽字參數(shù)。
三、錯(cuò)誤處理
3.1 終止(abort/exit)
致命性錯(cuò)誤無法恢復(fù)，只能終止程序。例如，當(dāng)空閑堆管理程序無法提供可用的連續(xù)空間時(shí)(調(diào)用malloc返回NULL)，用戶程序的健壯性將嚴(yán)重受損。若恢復(fù)的可能性渺茫，則最好終止或重啟程序。
標(biāo)準(zhǔn)C庫提供exit()和abort()函數(shù)，分別用于程序正常終止和異常終止。兩者都不會(huì)返回到調(diào)用者中，且都導(dǎo)致程序被強(qiáng)行結(jié)束。
exit()及其相似函數(shù)原型聲明如下：
#include
void exit(int status);
void _Exit(int status);
#include
void _exit(int status);
其中，exit和_Exit由ISO C說明，而_exit由Posix.1說明。因此使用不同的頭文件。
ISO C定義_ Exit旨在為進(jìn)程提供一種無需運(yùn)行終止處理程序(exit handler)或信號(hào)處理程序(signal handler)而終止的方法，是否沖洗標(biāo)準(zhǔn)I/O流則取決于實(shí)現(xiàn)。Unix系統(tǒng)中_ Exit 和_ exit同義，兩者均直接進(jìn)入內(nèi)核，而不沖洗標(biāo)準(zhǔn)I/O流。_exit函數(shù)由exit調(diào)用，處理Unix特定的細(xì)節(jié)。
exit()函數(shù)首先調(diào)用執(zhí)行各終止處理程序，然后按需多次調(diào)用fclose函數(shù)關(guān)閉所有已打開的標(biāo)準(zhǔn)I/O流(將所有緩沖的輸出數(shù)據(jù)沖洗寫到文件上)，然后調(diào)用_exit函數(shù)進(jìn)入內(nèi)核。
標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫中有一種“緩沖I/O(buffered I/O)”機(jī)制。該機(jī)制對(duì)于每個(gè)打開的文件，在內(nèi)存中維護(hù)一片緩沖區(qū)。每次讀文件時(shí)會(huì)連續(xù)讀出若干條記錄，下次讀文件時(shí)就可直接從內(nèi)存緩沖區(qū)中讀取；每次寫文件時(shí)也僅僅寫入內(nèi)存緩沖區(qū)，等滿足一定條件(如緩沖區(qū)填滿，或遇到換行符等特定字符)時(shí)再將緩沖區(qū)內(nèi)容一次性寫入文件。
通過盡可能減少read和write調(diào)用的次數(shù)，該機(jī)制可顯著提高文件讀寫速度，但也給編程帶來某些麻煩。例如，向文件內(nèi)寫入一些數(shù)據(jù)時(shí)，若未滿足特定條件，數(shù)據(jù)會(huì)暫存在緩沖區(qū)內(nèi)。開發(fā)者并不知曉這點(diǎn)，而調(diào)用_ _ exit()函數(shù)直接關(guān)閉進(jìn)程，導(dǎo)致緩沖區(qū)數(shù)據(jù)丟失。
因此，若要保證數(shù)據(jù)完整性，必須調(diào)用exit()函數(shù)，或在調(diào)用_ _ exit()函數(shù)前先通過fflush()函數(shù)將緩沖區(qū)內(nèi)容寫入指定的文件。
例如，調(diào)用printf函數(shù)(遇到換行符'n'時(shí)自動(dòng)讀出緩沖區(qū)中內(nèi)容)函數(shù)后再調(diào)用exit：
int main(void){
printf("Using exit...n");
printf("This is the content in buffer");
exit(0);
printf("This line will never be reachedn");
}
執(zhí)行輸出為：
Using exit...
This is the content in buffer(結(jié)尾無換行符)
調(diào)用printf函數(shù)后再調(diào)用_exit：
int main(void){
printf("Using _exit...n");
printf("This is the content in buffer");
fprintf(stdout, "Standard output stream");
fprintf(stderr, "Standard error stream");
//fflush(stdout);
_exit(0);
}
執(zhí)行輸出為：
Using _exit...
Standard error stream(結(jié)尾無換行符)
若取消fflush句注釋，則執(zhí)行輸出為：
Using _exit...
Standard error streamThis is the content in bufferStandard output stream(結(jié)尾無換行符)
通常，標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤是不帶緩沖的，打開至終端設(shè)備的流(如標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出)是行緩沖的(遇換行符則執(zhí)行I/O操作)；其他所有流則是全緩沖的(填滿標(biāo)準(zhǔn)I/O緩沖區(qū)后才執(zhí)行I/O操作)。
三個(gè)exit函數(shù)都帶有一個(gè)整型參數(shù)status，稱之為終止?fàn)顟B(tài)(或退出狀態(tài))。該參數(shù)取值通常為兩個(gè)宏，即EXIT_SUCCESS(0)和EXIT_FAILURE(1)。大多數(shù)Unix shell都可檢查進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)。
若(a)調(diào)用這些函數(shù)時(shí)不帶終止?fàn)顟B(tài)，或(b)main函數(shù)執(zhí)行了無返回值的return語句，或(c) main函數(shù)未聲明返回類型為整型，則該進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)未定義。但若main函數(shù)的返回類型為整型，且執(zhí)行到最后一條語句時(shí)返回(隱式返回)，則該進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)為0。
exit系列函數(shù)是最簡(jiǎn)單直接的錯(cuò)誤處理方式，但程序出錯(cuò)終止時(shí)無法捕獲異常信息。ISO C規(guī)定一個(gè)進(jìn)程可以注冊(cè)32個(gè)終止處理函數(shù)。這些函數(shù)可編寫為自定義的清理代碼，將由exit()函數(shù)自動(dòng)調(diào)用，并可使用atexit()函數(shù)進(jìn)行注冊(cè)。
#include
int atexit(void (*func)(void));
該函數(shù)的參數(shù)是一個(gè)無參數(shù)無返回值的終止處理函數(shù)。exit()函數(shù)按注冊(cè)的相反順序調(diào)用這些函數(shù)。同一函數(shù)若注冊(cè)多次，則被調(diào)用多次。即使不調(diào)用exit函數(shù)，程序退出時(shí)也會(huì)執(zhí)行atexit注冊(cè)的函數(shù)。
通過結(jié)合exit()和atexit()函數(shù)，可在程序出錯(cuò)終止時(shí)拋出異常信息。以除零錯(cuò)誤為例：
double Division(double fDividend, double fDivisor){
return fDividend/fDivisor;
}
void RaiseException1(void){
printf("Exception is raised: n");
}
void RaiseException2(void){
printf("The divisor cannot be 0!n");
}
int main(void){
double fDividend = 0.0, fDivisor = 0.0;
printf("Enter the dividend: ");
scanf("%lf", &fDividend);
printf("Enter the divisor : ");
scanf("%lf", &fDivisor);
if(0 == fDivisor)
{
atexit(RaiseException2);
atexit(RaiseException1);
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("The quotient is %.2lfn", Division(fDividend, fDivisor));
return 0;
}
執(zhí)行結(jié)果為：
Enter the dividend: 10
Enter the divisor : 0
Exception is raised:
The divisor cannot be 0!
注意，通過atexit()注冊(cè)的終止處理函數(shù)必須顯式(使用return語句)或隱式地正常返回，而不能通過調(diào)用exit()或longjmp()等其他方式終止，否則將導(dǎo)致未定義的行為。
例如，在GCC4.1.2編譯環(huán)境下，調(diào)用exit()終止時(shí)仍等效于正常返回；而VC6.0編譯環(huán)境下，調(diào)用exit()的處理函數(shù)將阻止其他已注冊(cè)的處理函數(shù)被調(diào)用，并且可能導(dǎo)致程序異常終止甚至崩潰。
嵌套調(diào)用exit()函數(shù)將導(dǎo)致未定義的行為，因此在終止處理函數(shù)或信號(hào)處理函數(shù)中盡量不要調(diào)用exit()。
abort()函數(shù)原型聲明如下：
#include
void abort(void);
該函數(shù)將SIGABRT信號(hào)發(fā)送給調(diào)用進(jìn)程(進(jìn)程不應(yīng)忽略此信號(hào))。
ISO C規(guī)定，調(diào)用abort將向主機(jī)環(huán)境遞送一個(gè)未成功終止的通知，其方法是調(diào)用raise(SIGABRT)函數(shù)。因此，abort()函數(shù)理論上的實(shí)現(xiàn)為：
void abort(void){
raise(SIGABRT);
exit(EXIT_FAILURE);
}
可見，即使捕捉到SIGABRT信號(hào)且相應(yīng)信號(hào)處理程序返回，abort()函數(shù)仍然終止程序。Posix.1也說明abort()函數(shù)并不理會(huì)進(jìn)程對(duì)此信號(hào)的阻塞和忽略。
進(jìn)程捕捉到SIGABRT信號(hào)后，可在其終止之前執(zhí)行所需的清理操作(如調(diào)用exit)。若進(jìn)程不在信號(hào)處理程序中終止自己，Posix.1聲明當(dāng)信號(hào)處理程序返回時(shí)，abort()函數(shù)終止該進(jìn)程。
ISO C規(guī)定，abort()函數(shù)是否沖洗輸出流、關(guān)閉已打開文件及刪除臨時(shí)文件由實(shí)現(xiàn)決定。Posix.1則要求若abort()函數(shù)終止進(jìn)程，則它對(duì)所有打開標(biāo)準(zhǔn)I/O流的效果應(yīng)當(dāng)與進(jìn)程終止前對(duì)每個(gè)流調(diào)用fclose相同。為提高可移植性，若希望沖洗標(biāo)準(zhǔn)I/O流，則應(yīng)在調(diào)用abort()之前執(zhí)行這種操作。
3.2 斷言(assert)
abort()和exit()函數(shù)無條件終止程序。也可使用斷言(assert)有條件地終止程序。
assert是診斷調(diào)試程序時(shí)經(jīng)常使用的宏，定義在內(nèi)。該宏的典型實(shí)現(xiàn)如下：
#ifdef NDEBUG
#define assert(expr) ((void) 0)
#else
extern void __assert((const char *, const char *, int, const char *));
#define assert(expr)
((void) ((expr) ||
(__assert(#expr, __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__), 0)))
#endif
可見，assert宏僅在調(diào)試版本(未定義NDEBUG)中有效，且調(diào)用__assert()函數(shù)。該函數(shù)將輸出發(fā)生錯(cuò)誤的文件名、代碼行、函數(shù)名以及條件表達(dá)式：
void __assert(const char *assertion, const char * filename,
int linenumber, register const char * function)
{
fprintf(stderr, " [%s(%d)%s] Assertion '%s' failed.n",
filename, linenumber,
((function == NULL) ? "UnknownFunc" : function),
assertion);
abort();
}
因此，assert宏實(shí)際上是一個(gè)帶有錯(cuò)誤說明信息的abort()，并做了前提條件檢查。若檢查失敗(斷言表達(dá)式為邏輯假)，則報(bào)告錯(cuò)誤并終止程序；否則繼續(xù)執(zhí)行后面的語句。
使用者也可按需定制assert宏。例如，另一實(shí)現(xiàn)版本為：
#undef assert
#ifdef NDEBUG
#define assert(expr) ((void) 0)
#else
#define assert(expr) ((void) ((expr) ||
(fprintf(stderr, "[%s(%d)] Assertion '%s' failed.n",
__FILE__, __LINE__, #expr), abort(), 0)))
#endif
注意，expr1||expr2表達(dá)式作為單獨(dú)語句出現(xiàn)時(shí)，等效于條件語句if(!(expr1))expr2。這樣，assert宏就可擴(kuò)展為一個(gè)表達(dá)式，而不是一條語句。逗號(hào)表達(dá)式expr2返回最后一個(gè)表達(dá)式的值(即0)，以符合||操作符的要求。
使用斷言時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
斷言用于檢測(cè)理論上絕不應(yīng)該出現(xiàn)的情況，如入?yún)⒅羔槥榭?、除?shù)為0等。
對(duì)比以下兩種情況：
char *Strcpy(char *pszDst, const char *pszSrc){
char *pszDstOrig = pszDst;
assert((pszDst != NULL) && (pszSrc != NULL));
while((*pszDst++ = *pszSrc++) != '?');
return pszDstOrig;
}
FILE *OpenFile(const char *pszName, const char *pszMode){
FILE *pFile = fopen(pszName, pszMode);
assert(pFile != NULL);
if(NULL == pFile)
return NULL;
//...
return pFile;
}
Strcpy()函數(shù)中斷言使用正確，因?yàn)槿雲(yún)⒆址羔槻粦?yīng)為空。OpenFile()函數(shù)中則不能使用斷言，因?yàn)橛脩艨赡苄枰獧z查某個(gè)文件是否存在，而這并非錯(cuò)誤或異常。
2)assert是宏不是函數(shù)，在調(diào)試版本和非調(diào)試版本中行為不同。因此必須確保斷言表達(dá)式的求值不會(huì)產(chǎn)生副作用，如修改變量和改變方法的返回值。不過，可根據(jù)這一副作用測(cè)試斷言是否打開：
int main(void){
int dwChg = 0;
assert(dwChg = 1);
if(0 == dwChg)
printf("Assertion should be enabled!n");
return 0;
}
不應(yīng)使用斷言檢查公共方法的參數(shù)(應(yīng)使用參數(shù)校驗(yàn)代碼)，但可用于檢查傳遞給私有方法的參數(shù)。
可使用斷言測(cè)試方法執(zhí)行的前置條件和后置條件，以及執(zhí)行前后的不變性。
斷言條件不成立時(shí)，會(huì)調(diào)用abort()函數(shù)終止程序，應(yīng)用程序沒有機(jī)會(huì)做清理工作(如關(guān)閉文件和數(shù)據(jù)庫)。
3.3 封裝
為減少錯(cuò)誤檢查和處理代碼的重復(fù)性，可對(duì)函數(shù)調(diào)用或錯(cuò)誤輸出進(jìn)行封裝。
封裝具有錯(cuò)誤返回值的函數(shù)
通常針對(duì)頻繁調(diào)用的基礎(chǔ)性系統(tǒng)函數(shù)，如內(nèi)存和內(nèi)核對(duì)象操作等。舉例如下：
pid_t Fork(void) //首字母大寫，以區(qū)分系統(tǒng)函數(shù)fork(){
pid_t pid;
if((pid = fork())<0)
{
fprintf(stderr, "Fork error: %sn", strerror(errno));
exit(0);
}
return pid;
}
Fork()函數(shù)出錯(cuò)退出時(shí)依賴系統(tǒng)清理資源。若還需清理其他資源(如已創(chuàng)建的臨時(shí)文件)，可增加一個(gè)負(fù)責(zé)清理的回調(diào)函數(shù)。
注意，并非所有系統(tǒng)函數(shù)都可封裝，應(yīng)根據(jù)具體業(yè)務(wù)邏輯確定。
封裝錯(cuò)誤輸出
通常需要使用ISO C變長(zhǎng)參數(shù)表特性。例如《Unix網(wǎng)絡(luò)編程》中將輸出至標(biāo)準(zhǔn)出錯(cuò)文件的代碼封裝如下：
#include
#include
#define HAVE_VSNPRINTF 1
#define MAXLINE 4096 /* max text line length */
int daemon_proc; /* set nonzero by daemon_init() */
static void err_doit(int errnoflag, int level, const char * fmt, va_list ap){
int errno_save, n;
char buf[MAXLINE + 1];
errno_save = errno; /* Value caller might want printed. */
#ifdef HAVE_VSNPRINTF
vsnprintf(buf, MAXLINE, fmt, ap);
#else
vsprintf(buf, fmt, ap); /* This is not safe */
#endif
n = strlen(buf);
if (errnoflag) {
snprintf(buf + n, MAXLINE - n, ": %s", strerror(errno_save));
}
strcat(buf, "n");
if (daemon_proc) {
syslog(level, buf);
} else {
fflush(stdout); /* In case stdout and stderr are the same */
fputs(buf, stderr);
fflush(stderr);
}
return;
}
void err_ret(const char * fmt, ...){
va_list ap;
va_start(ap, fmt);
err_doit(1, LOG_INFO, fmt, ap);
va_end(ap);
return;
}
評(píng)論