c語言接口與實現--異常與斷言(異常部分)的理解，含實例

1、這部分對於初學者（包括我）來說是不太好理解的，我斷斷續續的看了幾天時間才基本把“異常部分”看懂，把我個人的理解寫下來，一是記錄，二是希望能幫助到有同樣困惑的人。
2、個人覺得人郵出版社2011年9月第1版在本章節中存在翻譯錯誤，指出來大家一起看看，也可能是我錯了。
3、本章節異常的處理機制是基於setjmp 和longjmp實現的，所以大家需要對setjmp使用有了解，如果不清楚請書中的例子except_alloc.c，註釋部分如果打開，則模擬allocate失敗，調用跳轉命令

#include <setjmp.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
int Allocation_handled = 0;
jmp_buf Allocate_Failed;

void * allocate(unsigned n)
{
    void * new = malloc(n);
    //new = NULL;
    if(new) 
        return new;
    if(Allocation_handled)
        longjmp(Allocate_Failed, 1);
    assert(0);
}

int main(void)
{
    char *buff;
    Allocation_handled = 1;
    if(setjmp(Allocate_Failed))
    {
        fprintf(stderr, "couldn't allocate the buffer\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    buff = (char *)allocate(4096);
    Allocation_handled = 0;
}

我們看setjmp函數的定義，函數原型如下

#include <setjmp.h>
int setjmp(jmp_buf env);

4、參數 env 即爲保存上下文的 jmp_buf 結構體變量，如果直接調用該函數，返回值爲 0；若該函數從 longjmp 調用返回，返回值爲非零，由 longjmp 函數提供。根據函數的返回值，我們就可以知道 setjmp 函數調用是第一次直接調用，還是由其它地方跳轉過來的。

5、例子，if(setjmp(Allocate_Failed))執行後返回結果爲0，跳過if的代碼執行allocate，代碼中爲了模擬allocate失敗，使用new=NULL，程序執行到longjmp處，根據env=Allocate_Failed，跳到main函數的if(setjmp(Allocate_Failed))處執行，此時setjmp的返回值爲longjmp(Allocate_Failed, 1)指定的1，所以if裏面的語句執行，打印錯誤信息，exit退出函數。

6、接下來分析核心的except.h和except.c，實際c爲了設計成和c++類似（還有java）的try catch結構，使用了宏定義將try catch等c語言中沒有的關鍵字用宏定義的方式實現。
except.h

   #ifndef EXCEPT_INCLUDED
#define EXCEPT_INCLUDED
#include <setjmp.h>

#define T Except_T
// 具體的錯誤原因或者錯誤標誌，用於捕獲錯誤時進行比對，const char* 字符串
// 書中給出例子 Except_T Allocate_Failed = {"Allocation failed"};
typedef struct T
{
    const char * reason;
}T;

// 此處的設計有點怪，其實如果換一種常用方式大家估計更好理解
/*
typedef struct Except_Frame{
    struct Except_Frame *prev;
    jmp_buf env;
    const char *file;
    int line;
    const T *exception;
}Except_Frame;
這樣是否更符合大家的使用習慣？
*/
typedef struct Except_Frame Except_Frame;
struct Except_Frame{
    struct Except_Frame *prev;
    jmp_buf env;
    const char *file;
    int line;
    const T *exception;
};
/*
  Except_Frame結構體包含 *prev,一個逆向的單向鏈表，通過鏈表的結尾單元來添加和刪除；
  書中將其視爲棧是更加科學的描述，只需記住棧頂單元
  jmp_buf env是上下文環境變量，即longjmp跳轉的尋址目標；
  const char *file 出錯的文件，int line出錯的行,const T*exception出錯的具體信息，
  後面三個變量是根據需要來設計的，你也可以有自己的變量設計，
  比如 exception可以設計爲int型的錯誤id
*/

/*
  用枚舉類型來定義程序執行中的錯誤處理(跳轉)標誌的幾種狀態，
  Except_entered 必須爲0，它等於第一次調用setjmp的返回值
  Except_raised 表示錯誤產生，即執行過程中出現了錯誤
  Except_handled 表示捕獲的錯誤已處理
  Except_finalized 表示異常處理結束
*/
enum 
{
    Except_entered = 0,
    Except_raised,
    Except_handled,
    Except_finalized
};
// 外部定義的棧頂結構體，具體在except.c中定義
extern Except_Frame * Except_stack;

// 錯誤捕獲函數，包含longjmp的調用，程序執行過程中出現異常，需要調用此函數來觸發異常
void Except_raise(const T *e , const char *file, int line);

// 捕獲異常的封裝宏定義，加入了__FILE__和__LINE__，allocate中可以使用此函數替代
#define RAISE(e)  Except_raise( &(e), __FILE__, __LINE__)

// 如果RAISE捕獲的異常未被處理，則執行RERAISE再次處理，直到異常棧Except_stack的棧頂爲空NULL
// 宏定義中明確使用了Except_frame變量，所以必須與下面的#define TRY等一起使用，
// 否則程序報錯：Except_frame undefined
#define RERAISE   Except_raise( Except_frame.exception, \
        Except_frame.file, Except_frame.line)

// 通過宏定義的方式實現TRY EXCEPT(x) ELSE FINALLY END_TRY的自定義關鍵字
// 後面先講一下整體的結構，然後再對每個宏定義的進行說明，書中也是這樣進行的，如果我講的不細的地方請對照書中的內容來看
#define TRY do { \
    volatile int Except_flag;  \
    struct 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 RETURN switch ( Except_stack = Except_stack-prev, 0) default: return


#undef T
#endif

下面對except.h的宏做重點介紹
7、TRY可以和後面幾個任意組合，TRY必須要且是打頭，END_TRY必須要且在結尾書中列了幾種結構，如TRY-EXCEPT TRY-FINALLY，do {}while(0) 是宏定義的常見用法，具體可以百度瞭解TRY…END-TRY核心結構是c語言的條件語句，判斷準則是Except_flag的值

爲了TRY EXCEPT(e) ELSE FINALLY 和END_TRY能夠組合，這些定義總是將if的兩個{}分開，簡單一點說更好理解

    *******************
     TRY = do{xxxx
                if (xxx)
               {
                   xxx
    *******************
     EXCEPT(e) = }else if (xxx)
                 { 
                    xxx
    ********************
     ELSE = }else 
            {
               xxx
    ********************            
    FINALLY = } {
                xxx
    ********************
    END_TRY = } xxx 
            }while(0)
    ********************

這樣子TRY打頭 END_TRY結尾，中間無論插入EXCEPT(e) ELSE 或者FINALLY都可以是的if的{}閉環，形成了if ..else if …else…的結構（else if 允許多個），其中FINALLY由於是必執行項，所以其代碼程序只是用{}做了包含。

TRY的定義

#define TRY do { \
    volatile int Except_flag;  \         
    struct Except_Frame Except_frame; \
    Except_frame.prev = Except_stack; \
    Except_stack = &Except_frame;   \
    Except_flag = setjmp(Except_frame.env);  \................1
    if (Except_flag == Except_entered)  {

Except_flag：定義異常狀態標誌取值範圍爲之前enum枚舉類型定義的值，此處定義爲volatile 自動變量，告訴優化器不優化，此變量會被頻繁修改，每次都要重新獲取值，不能用優化過後的值。
Except_frame：創建新的異常結構體變量
Except_frame.prev = Except_stack;
Except_stack = &Except_frame; ：這兩行結合起來將新建的異常結構體變量設置爲棧頂
Except_flag = setjmp(Except_frame.env); ：設置跳轉點，將返回的結果賦值給Except_flag，(具體上下文的環境屬性保存在Except_frame.env中)
if (Except_flag == Except_entered) { ：第一個if分支，第一次執行setjmp時返回的是0，因此條件成立，進入執行用戶程序，書中指代爲S; S執行如果無異常則需要跳轉到FINALLY(如果有)或者END_TRY, 如果S執行有異常需要調用RAISE(e)跳轉回setjmp，根據返回值和異常信息判斷進行不同的else 分支。

EXCEPT(e)的定義

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

if (Except_flag == Except_entered) Except_stack = Except_stack->prev;：如果類型是TRY-EXCEPT，那麼TRY S執行後無異常，則執行此行代碼無錯誤產生，將此前壓棧的異常結構體變量彈出丟棄；如果有異常，那麼程序從S調回到TRY中的1處，在S中longjmp會將setjmp的返回值設置爲Except_raised

}else if(Except_frame.exception == &(e)) ：若Except_flag爲Except_raised，判斷Except_frame.exception與給定的e錯誤信息是否一致，不一致程序跳過進入下一個判斷，可能是EXCEPT(e) 或者ELSE 或FINALLY 或 END_TRY

Except_flag = Except_handled; ：如果上面的判斷錯誤一致，則進入到“{”裏面執行，將Except_flag 設置爲Except_handled

ELSE定義

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

if (Except_flag == Except_entered) Except_stack = Except_stack->prev; ：如果是TRY-ELSE結構，TRY S ELSE S1則此處和EXCEPT(e)作用一致，如果TRY S的 S執行無錯誤，則執行此行代碼，將棧頂異常彈出丟棄，否則將執行else 後的代碼，先將

Except_flag = Except_handled;：Except_flag設置爲Except_handled狀態，表示異常已捕獲且處理。執行S1程序

FINALLY定義

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

Except_stack = Except_stack->prev; ：執行到此處證明上面如果未產生異常，則異常棧頂彈出並丟棄
if (Except_flag == Except_entered) Except_flag = Except_finalized; ：作用和前面一樣； TRY S FINALLY S1

對於FINALLY的解釋，此處人郵出版社 2011年第一版的翻譯，個人覺得容易誤解，在P37頁，翻譯後的截圖如下

英文原版如下

抱歉，原來以爲是翻譯錯了，後來對比後發現是我理解錯了，“在S1執行後，導致S1**執行的異常**將被再次引發(re-raised)”，少看了個“的”字，誤認爲是導致S1的執行異常，所以原來覺得奇怪S1有啥異常需要處理。不過人郵的這個版本在本章另外一個地方確實翻譯的會讓人誤解，後面會指出來。

END_TRY

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

if (Except_flag == Except_entered) Except_stack = Except_stack->prev; : 不解釋和前面一樣的作用
if (Except_flag == Except_raised) RERAISE; : 如果條件成立，證明之前的異常沒有被處理，此處通過RERAISE再次引發，如果處理不了，最後會在RERAISE中異常退出，本書中的例子使用的是abort函數退出.

RETURN定義

#define RETURN switch ( Except_stack = Except_stack-prev, 0) default: return

咋一看switch()裏面怎麼有”,”，還有兩個“參數”，實際這個是“,”號運算符，優先級最低，從左往右執行，先執行出棧操作，執行0的switch判斷，書中指出由於TRY-ELSE-END_TRY等結構是宏定義，如果直接使用return編譯會報錯，所以需要進行封裝
可以用個小程序來驗證一下這種使用方法

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int a = 0;

    switch (a=1,0)
    {
    case 0:
        printf("a=%d, 0\n", a); 
        break;
    default:printf("a=%d, OK\n", a);
        return;
    }

    switch (a=2,0)
    default:
        printf("a=%d, OK\n", a);
        return;
    return 0;
}

對RETURN的解釋，人郵版的翻譯是會讓人產生誤解，截圖如下

機械工業出版的截圖如下

英文原版如圖

如果按照人郵版的翻譯，會誤解爲RETURN必須包含在TRY中，而實際英文原版和機械工業出版的都只是說RETURN是return的替代，而且很明顯將後面的a return翻譯成返回是不合適的，機械出版的不翻譯直接用return顯得更專業。

以上是except.h的分析和理解

下面是except.c

//#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include <stdio.h>
#include <setjmp.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>
#include "except.h"

#define T Except_T

Except_Frame *Except_stack = NULL;

void Except_raise(const T *e, const char *file, int line)
{
    //Except_Frame *p = malloc(sizeof(Except_Frame));
    Except_Frame *p = Except_stack; // 設置p爲異常的棧頂
    assert(e);

    if(p == NULL)  // 如果p爲NULL，則直接退出，此時應該是異常被re-raised,且無相應的解決方案，所以系統選擇退出
    {
        fprintf(stderr, "Uncaught exception");
        if(e->reason)
        {
            fprintf(stderr, " %s", e->reason);
        }
        else
        {
            fprintf(stder, " 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; // 對異常進行賦值操作
    p->file = file;
    p->line = line;
    Except_stack = Except_stack->prev; // 與TRY配合使用，如果出現異常需要處理，彈出棧頂
    longjmp(p->env, Except_raised);// 跳轉指令，同時設置setjmp返回的值爲Except_raised
}

可以看到主要是函數Except_raise的實現
首先創建一個異常堆棧，初始化棧頂爲NULL
Except_raise函數中註釋掉的是網上其他人的代碼“Except_Frame *p = malloc(sizeof(Except_Frame));”，個人認爲這個應該是多餘的，而且書中也沒有這項。
下面寫一個簡單的main進行測試
except_main.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "except.h"

struct Except_T allocate_failed_reason1 = {"para error"};
struct Except_T allocate_failed_reason2  = {"memory is not enough"};

void * allocate(int n)
{
    void * new = malloc(n);

    new = NULL;

    if(new)
    {
        return new;
    }else if (n <= 0)
    {
        RAISE(allocate_failed_reason1);
    }else 
    {
        RAISE(allocate_failed_reason2);
    }
}

int main(int argc, char ** argv)
{
   char * buff;

   int n;

   if(argc == 2)
   {
       n = atoi(argv[1]);
   }

   TRY
   {
      allocate(n);
      buff="allocate OK!";
   }
   EXCEPT(allocate_failed_reason1)
   {
       buff = (char *)allocate_failed_reason1.reason;
   }ELSE
   {
       buff = (char *)allocate_failed_reason2.reason;
   }
   FINALLY
   {
       printf("buff:%s\n", buff);
   }
   END_TRY;

   return 0;
}

捕獲兩種錯誤“para error”和“memory is not enough”，仍然是以書中的allocate爲例，如果將代碼中斷new = NULL註釋掉且輸入的參數n是對的話是沒有錯誤的，程序正常執行；此處模擬異常所以需要new=NULL
編譯並執行
gcc except_main.c except.c -o except_main
./except_main 0
結果爲

./except_main 100
結果爲

程序執行了TRY-EXCEPT(e)-ELSE-FINALLY，你也可以創建一個新的Except_T的異常，不捕獲，然後執行END_TRY中的RERAISE。書中的這種設計支持嵌套，即TRY-XXX-END_TRY中包含TRY結構，也可以嘗試驗證一下。

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