linux 下 C 编程和make的方法（十、C版的try catch 捕捉段错误和异常处理）-白红宇

linux 下 C 编程和make的方法（十、C版的try catch 捕捉段错误和异常处理）

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发布时间：2019-06-27

本文共 11440 字，大约阅读时间需要 38 分钟。

哇塞，C语言有try catch吗？当然没有。倒。。可能有人说了，那你野鬼说没有的东西做什么。

这里需要重申一下，所谓正向设计下问题检测的开发方法。正向设计时，在错误检测和问题修复的方法是指：

根据源码分析，在源码中加插检测代码的方式，验证对代码的理解和预判是否正确。

而反向跟踪是根据机器执行动作，反向理解逻辑的运行状态，例如GDB。两者很多方面都很像，但存在一个最主要的区别在于，你是在先验的让程序运行判断是否符合先验，还是在程序的运行中理解代码的逻辑。

例如正向设计的问题判断，如果通过try catch来处理，则表示你已经估计到这里是个潜在可能的错误，而通过运行来验证你的判断是否成立。错误的理解和判断是在对源码的分析上，反之，通过 GDB或者其他IDE加断点的跟踪，属于反向检测运行状态来判断逻辑可能哪里出错。

可惜try catch在C标准里面并没有。这里，就通过指针访问的段错误，来设计一个类似try catch的小玩意。希望新手能通过这个写出其他的try catch。

首先我们要动点C标准里，signal和setjmp的东西，以及GNU C的 glibc函数sigsetjmp,siglongjmp。记得要注意哪些是标准里的，哪些不是，这对以后的平台移植很用作用，哪怕你不移植，但万一别人要移植，因为你没有区分好，导致别人到处找和平台相关的代码，最后这个代码别人用不了，你的代码又有何价值。

先说一下signal这个函数。这函数的作用就是类似对中断向量表的重载，其实是个重定位工作。中断向量表是什么意思，很简单，就是有一个表，表里面有一堆函数地址，如果对应的中断发生了，就跳转到该中断对应的中断向量表的对应存储区域的函数里（希望看这句话你别跟着念，眼睛也别花，哈）。如果不重定位这些函数，则会启用默认的函数。例如给打印个消息，然后让进程停止。如果通过signal 对这个中断向量表进行”重载“，则可以进入你指定的函数。而不会进入默认的方式。

简单举例吧，正常的程序，你在bash上执行 ctrl+C,会让程序停止。实际是怎么发生的呢？

1、键盘发现你按键了，则会发出一个信号，除了按键值本身。该信号是告诉CPU，我有事了，CPU的硬件如果不对这个信号视而不见的话，就会告诉OS，哦，有个硬中断发生。

2、此时，OS就对应的发出个软中断,linux下就是 SIGINT。

3、如果对应你当前进程的自己的”中断向量表“是默认情况，则会OS启动一个函数，这个函数会发出一个kill的工作，要求将你这个进程结束。

4、OS此时发现这个动作。就把你的进程给卡擦了。

而你如果用signal“重载”这个中断，则此时原先默认函数不会执行，你会发现，你的程序该做什么还是做什么，除非你的新函数仍然要求kill掉你这个进程。

那么对于段错误，也存在一个中断，是由谁产生的？ MMU，硬件产生的。OS获取这个错误之后，就会到对应进程的“中断向量表”找你是否重载过这个对应的中断响应函数，当然这中间还有些其他工作比如中断屏蔽方面的检查工作等，我就不展开了。由此，如果你写了一个新的函数，则可以不用退出，可以处理些自己的想做的事情。

但是很讨厌的一个问题，如果是你的进程出错，而且出错的理由是对一个不正确的内存空间进行读写操作，无论你执行多少次，这个错误仍然存在。因为你的代码产生个由MMU发出的段错误的中断，此时你的代码被强行挂起来，就是说现在轮不到你玩了，然后OS处理对应的中断响应，就是你写的代码，而写的那个函数执行完毕后，如果不kill或者其他动作，你的代码还会被再次执行。那么你的进程会怎么执行呢？在你上次错的地方继续执行。。。。这就郁闷大发了。因为再次产生个错误，此时又会进入你的中断响应函数。

于是乎，你会发现，你的屏幕在不停的打印东西，如果你的那个函数内有条printf想提醒你，进入了这个函数了。

此时，我们就需要动点手段了。这里要谈一下setjmp ,和longjmp,最终会用到sigsetjmp,siglongjmp,注意，这两玩意不是C标准的，glibc支持，其他的一些C环境也支持，我不一一列出来了。可以查资料。

先说setjmp, longjmp。上下文这个词在OS里，特别进程管理部分经常提到，什么意思呢？简单说就是现场环境，不过只是CPU里面的，包括指令的位置（其实也是在寄存器里），常规寄存器里的内容（也包括堆栈指针寄存器），和外部存储器就是内存没有关系。

继续举例吧。

假设，剧场正在上演一个话剧，还没结束呢。结果通知，立刻清场，为什么，领导要来开会，你别问为什么，领导就是领导，优先级高，此时你怎么办，那就和观众商量一下，我们把现场记录下来，台词说哪也记录下来，等领导开完会咱们接着看，此时剧场的情况清点记录完毕，并清理干净，等领导开会，会开完了，再根据被打断时的场景进行恢复，则此时观众可以连贯的继续看下去。

另一个例子就是香港的赌王片，赌到高潮的时候，无论是正方的叛徒还是反方的卧底，无论是用刀还是用枪，反正把男一号给搞伤了，怎么办？封牌局，拿个罩子，把桌子罩起来，谁也别想改动这些牌的内容。等男二号上时在继续赌，牌是什么情况，肯定没有变过，无论中间穿插了多少其他镜头。假设刚好这个时候有跑龙套的要用桌子吃午饭，剧组同意了，把桌子给他用，但是桌子上面的东西则原封不动的挪到别的地方。等男二号来，再把跑龙套的赶走，恢复成前面的牌局。

这里剧场场景的记录并切换成领导的会议桌，以及桌子上的牌局挪动，让给跑龙套的吃午饭，都是叫做上下文切换。setjmp的作用就是保存当前进入 setjmp函数时的环境。同时setjmp返回个值为0。以区别longjmp跳转到当前位置。类似函数调用函数，父函数需要保存的现场工作，否则子函数退出时，父函数也没办法正常继续工作啊。是不是。当然 setjmp所保存的东西必函数调用时保存的要多一些。其实setjmp没什么特色。我自己都写过对应汇编以实现特定硬件上的需求。就是一堆mov，把寄存器的值存到指定的位置再返回0。

而longjmp的意思是，可以在你的代码任意的位置，只要setjmp执行过以后的地方，直接跳，跳哪呢？就是跳到setjmp调用时的位置，这个跳哪的信息从哪得来的，就是setjmp的参数指向的一个BUF，你在这个BUF里面保存了当前地址。因此，如果多次setjmp同一个buf，则在跳到最后一次，如果每次setjmp了不同的BUF，那么哪个BUF作为longjmp的参数，就是跳到对应setjmp的位置。此时等同于setjmp被返回，只不过返回值不为0，由此判断是longjmp过来的。继续举例子。

导演说，第N个镜头。。。然后就开始演，演了一半，穿帮了，导演说，停！此时就是longjmp，longjmp去哪？和你演的这段都没关系。直接到当前这个镜头的开始位置，为什么当前镜头可以拍N多次，就是因为你在镜头开始位置做了一个setjmp。

现在说下sigsetjmp siglongjmp。

sigsetjmp ，siglongjmp比setjmp ,longjmp的组合多了个中断屏蔽信息的存储。此时siglongjmp可以恢复到sigsetjmp出现时的中断屏蔽情况。在后面给出的代码的 test10函数中，特地做了一个setjmp ,longjmp的方式，你会发现，第二次出错，并不会进入normal_longjmp函数。因此此时的中断配置等信息并没有对应记录下来，属于出错后的情况。

OK。现在说说setjmp longjmp有什么好处。

前面说了。signal对SIGSEGV这个中断的响应函数修改后，函数退出，会再次执行MMU发生错误的代码位置，因此我们要确保函数跳过当前出错的位置，执行到我们希望跳过的代码。类似C++的try catch那样，我们希望有try catch。如下

char *p = "1234";

TRY

p[2] = '1';//这显然是错的嘛

CATCH ;//

则我们可以

                  1          if (setjmp(buf) == 0){ 
         
                  2              p[2] = '1';         
       
                  3          }

OK了,为什么这样就可以了呢？因为如果不是longjmp过来的，setjmp始终返回0，则此时必然会执行p[2]，如果p[2]不会产生 SIGSEGV的错误，就不会执行longjmp，由此一切照旧，该做什么做什么。如果p[2] = '1'错误，则会发出中断信号 SIGSEGV，而假设我们把下面SIGNAL_SEGV_DONE这个函数先前用 signal重载过，则此时发生的错误，会导致进入 SIGNAL_SEGV_DONE。如下

                  1          void SIGNAL_SEGV_DONE(int signum){ 
         
                  2              printf("SEG ERROR !\n");         
       
                  3              longjmp(buf,1);         
       
                  4          }

注意这里第2个参数是返回的值，就是跳转到setjmp的位置，等同于setjmp返回的值，此时等于上面if的条件不成立，则等于跳出了{}。

而如果新手还是想不同，这个1怎么就被返回到setjmp的地方，而且像函数返回一样呢？我就说两个事情。

1、函数的返回值是放在指定寄存器里的，比如ARM是放在r0里的，子函数把要return的值放在r0 里，返回父函数，则父函数对子函数的返回值直接可以从r0里取得（或者不取，如果不存在返回，或者暂时不需要利用这个函数的返回值）

2、一个函数调用另一个函数，没什么深奥的技巧。就是在返回时把寄存器，包括指令寄存器等等恢复成调用前的情况。唯一是指令寄存器还要再加一下，跳过函数调用的那条指令，然后一个跳转，就回到父函数了。

下面给出代码，我是基于malloc_free上面进行的添加，你可以对比第九部分的代码差异。需要非常明确注意的以下几点

1、这里使用的方式，并不完全等同C++的TRY CATCH.但是机理是一样的。和GDB里面的断点中断也是一样的，只不过后者使用了SEGTRAP 这个中断信号

2、signal在注册函数时只需要一次，你别傻傻的如我的DEMO一样，放在检测的函数里。

3、我这里是为了尽可能只用头文件，所以用了static jmp_buf SIGSEGV_buf;做成全局变量也没有关系。

4、如下，对SIGSEGV_BEGIN 和 SIGSEGV_END的使用一定要加宏判断。我暂时没有想到比较好的解决方案，能把两个宏之间的代码描述能自动预编译剔除掉。

                  1          #ifdef __MMDB_FLAG__         
       
                  2          SIGSEGV_BEGIN(test) //there will be one func ,static void sigsegv_done_test(int signum){ 
         
                  3              printf("you have a seciton error !\n");         
       
                  4                       
       
                  5          SIGSEGV_END()         
       
                  6          #endif

以上代码，等同于

                  1          static void sigsegv_done_test(int signum){ 
         
                  2              if (signum != SIGSEGV){ 
         
                  3                  return;         
       
                  4              }         
       
                  5              //you todo ....         
       
                  6              printf("you have a section error !\n");         
       
                  7              siglongjmp(SIGSEGV_buf,1);         
       
                  8          }

test8是一个不进行中断函数注册的例子，你会发现什么事情都没有发生，和以前一样，因为没注册嘛。

test9是个标准的处理方案。

test10,说过了，让你区分longjmp,setjmp 和siglongjmp sigsetjmp的区别。

你可以通过执行

bin/test_malloc_free_main 10

的方式调用test10，其他雷同，如下是代码清单。

malloc_free.h

                  01          #ifndef _malloc_free_H_         
       
                  02          #define _malloc_free_H_         
       
                  03          #include <stdlib.h>         
       
                  04          #define ALLOC_PAGE_SIZE 4096 //mininum malloc unit sizes ,not change         
       
                  05          #define ALLOC_PAGE_MASK (ALLOC_PAGE_SIZE-1)         
       
                  06          #define PAGE_SIZE_ALIGN(n) ((n) + ALLOC_PAGE_MASK) & (~(ALLOC_PAGE_MASK))         
       
                  07          #define MALLOC_NUM_UNIT_SIZE (ALLOC_PAGE_SIZE / sizeof(void*))          
       
                  08          #define MAX_MALLOC_UNIT_NUM 64 //not more than 4096*8         
       
                  09          #define MAX_MALLOC_NUM  (MALLOC_NUM_UNIT_SIZE * MAX_MALLOC_UNIT_NUM) // max malloc times ,you can change         
       
                  10          #define __MMDB_FLAG__         
       
                  11          #ifndef __MMDB_FLAG__         
       
                  12          //c_malloc c_free means malloc by check,not calloc,not type cmalloc!!!!!         
       
                  13          #define c_malloc(a) malloc(a)          
       
                  14          #define c_free(a) free(a)         
       
                  15          #define MALLOC_FREE_INIT(...) do{}while(0)         
       
                  16          #define _TYPE_INDEX_MALLOC_FREE(...)          
       
                  17          #define _TYPE_COUNT_MALLOC_FREE(...)          
       
                  18          #define CHECK_PTR_RANGE(...) (1)         
       
                  19          #define GET_MALLOC_INDEX(...) do{}while (0)         
       
                  20          #define CHECK_PTR_RANGE_ER(...) do{}while(0)         
       
                  21          #if 0         
       
                  22          #error "if not define __MMDB_FLAG__ ,this define how to done "         
       
                  23          #define SIGSEGV_BEGIN(...)           
       
                  24          #define SIGSEGV_END(...)           
       
                  25                    
       
                  26          #endif          
       
                  27                    
       
                  28          #define SIGNAL_SEGV(...)           
       
                  29          #define TRY_SEGV(...)          
       
                  30          #define CATCH_SEGV(...)          
       
                  31                    
       
                  32          #else         
       
                  33          #include <setjmp.h>         
       
                  34          #include <signal.h>         
       
                  35          static jmp_buf SIGSEGV_buf;//every C file have one         
       
                  36          #define SIGSEGV_FUNC(name) sigsegv_done_##name         
       
                  37          #define SIGSEGV_BEGIN(name) static void SIGSEGV_FUNC(name)(int signum){ if (signum != SIGSEGV) {return;}         
       
                  38          #define SIGSEGV_END() siglongjmp(SIGSEGV_buf,1);}         
       
                  39          #define SIGNAL_SEGV(name) do {signal(SIGSEGV,SIGSEGV_FUNC(name));}while (0)  //no return no need check         
       
                  40          #define TRY_SEGV() if (sigsetjmp(SIGSEGV_buf,1) == 0){ 
         
                  41          #define CATCH_SEGV(...) }         
       
                  42          #define MALLOC_FREE_INIT malloc_free_init         
       
                  43          #define _TYPE_COUNT_MALLOC_FREE(name) unsigned long name  = 0;         
       
                  44          #define _TYPE_INDEX_MALLOC_FREE(name) void ** name;         
       
                  45          #define CHECK_PTR_RANGE(p,indexP) ((indexP[0] <= (void *)(p)) && (indexP[1] > (void*)(p)))         
       
                  46          #define GET_MALLOC_INDEX(p,indexP) do{indexP = get_malloc_index(p);}while (0)         
       
                  47          #define CHECK_PTR_RANGE_ER(p,indexP,n,NAME) do {if (CHECK_PTR_RANGE(p,indexP)){n++;}else{set_check_ptr_range_error_exit(p,indexP,n,NAME);}} while (0)         
       
                  48                    
       
                  49          //ins_inc_file         
       
                  50                    
       
                  51          //ins_typedef_def         
       
                  52                    
       
                  53          //ins_def         
       
                  54                    
       
                  55          //ins_func_declare         
       
                  56          void memory_free_init(void*);         
       
                  57          void **get_malloc_index(void *ptr); //not used in code ,please used GET_MALLOC_INDEX define         
       
                  58          void set_check_ptr_range_error_exit(void *p,void **index,unsigned long n,const char *str);//not used in code ,please used CHECK_PTR_RANGE_ER         
       
                  59          void *c_malloc(size_t size);         
       
                  60          void c_free(void *ptr);         
       
                  61                    
       
                  62          #endif         
       
                  63                    
       
                  64                    
       
                  65          #endif //_malloc_free_H_

malloc_free.c没有任何变化

一下是test_malloc_free_main.c的清单

                  001          #include "malloc_free.h"         
       
                  002          #include <stdio.h>         
       
                  003                    
       
                  004          typedef void (* TEST_FUNC)(void);         
       
                  005          #ifdef __MMDB_FLAG__         
       
                  006          SIGSEGV_BEGIN(test) //there will be one func ,static void sigsegv_done_test(int signum){ 
         
                  007              printf("you have a seciton error !\n");         
       
                  008                        
       
                  009          SIGSEGV_END()         
       
                  010          #endif         
       
                  011          static void test8(void){ 
         
                  012              //test write to zero point         
       
                  013              int *p = 0;         
       
                  014          //  SIGNAL_SEGV(test);         
       
                  015              TRY_SEGV();         
       
                  016              p[0] = 0;         
       
                  017              CATCH_SEGV();         
       
                  018          }         
       
                  019          static void test9(void){ 
         
                  020              //test write to zero point         
       
                  021              int *p = 0;         
       
                  022              SIGNAL_SEGV(test);         
       
                  023              TRY_SEGV();         
       
                  024              p[0] = 0;         
       
                  025              CATCH_SEGV();         
       
                  026          }         
       
                  027                    
       
                  028          #ifdef __MMDB_FLAG__         
       
                  029          jmp_buf buf1;         
       
                  030          #endif         
       
                  031          void normal_longjmp(int signum){ 
         
                  032              printf("there is normal_longjmp func!\n");         
       
                  033              longjmp(buf1,1);         
       
                  034          }         
       
                  035          static void test10(void){ 
         
                  036          #ifdef __MMDB_FLAG__         
       
                  037                    
       
                  038              int *p = 0;         
       
                  039              signal(SIGSEGV,normal_longjmp);         
       
                  040              printf("test10!\n");         
       
                  041              if (setjmp(buf1) == 0){ 
         
                  042                  p[0] = 0;         
       
                  043              }else{ 
// section error ,jmp from normal_longjmp func         
       
                  044                  printf("we come back from normal_longjmp func!\n");         
       
                  045                  p[0] = 0;         
       
                  046              }         
       
                  047          #endif           
       
                  048          }         
       
                  049          static void test0(void){ 
         
                  050              void *p1 = 0;         
       
                  051              char *p2 = 0;         
       
                  052              printf("test0\n");         
       
                  053              p1 =(char*)c_malloc(4);//*4);         
       
                  054              p2 = (char*)c_malloc(6);         
       
                  055              c_free(p1);         
       
                  056              c_free(p2);         
       
                  057              return; //normal check         
       
                  058          }         
       
                  059          static void test1(void){ 
         
                  060              char *p1,*p2;         
       
                  061              p1 = (char*)c_malloc(5);         
       
                  062              p2 = (char*)c_malloc(6);         
       
                  063              c_free(p1);         
       
                  064              //cfree(p2);         
       
                  065              return; //free lack check         
       
                  066          }         
       
                  067          static void test2(void){ 
         
                  068              char *p1,*p2,*p3;         
       
                  069              p1 = (char*)c_malloc(5);         
       
                  070              p3 = p2 = (char*)c_malloc(6);         
       
                  071              c_free(p1);         
       
                  072              c_free(p2);         
       
                  073              c_free(p3);         
       
                  074              return; //free more check         
       
                  075          }         
       
                  076          static void test3(void){ 
         
                  077              char **pp = (char**)c_malloc(sizeof(char*)*MAX_MALLOC_NUM + 1);         
       
                  078              int i;         
       
                  079              for (i = 0 ; i <= MAX_MALLOC_NUM ; i++){ 
         
                  080                  pp[i] = (char*)c_malloc(2);         
       
                  081              }         
       
                  082              return; //alloc more check         
       
                  083          }         
       
                  084          static void test4(void){ 
         
                  085              char *p1,*p2,*p3;         
       
                  086              p1 = (char*)c_malloc(5);         
       
                  087              p2 = (char*)c_malloc(6);         
       
                  088              p3 = (char*)c_malloc(6);         
       
                  089              c_free(p1);         
       
                  090              c_free(p2);         
       
                  091              c_free(p2);         
       
                  092              return; //free twin check            
       
                  093          }         
       
                  094          static void test5(void){ 
         
                  095              char *p1,*p2;         
       
                  096              p1 = (char*)c_malloc(5);         
       
                  097              p2 = (char*)c_malloc(6);         
       
                  098              c_free(p1);         
       
                  099              c_free(p2+3);         
       
                  100              return; //free shift check           
       
                  101          }         
       
                  102          static void test6(void){ 
         
                  103              char *p1,*p2;         
       
                  104              p1 = (char*)c_malloc(5);         
       
                  105              p2 = (char*)c_malloc(6);         
       
                  106              c_free(p1);         
       
                  107              c_free(0);         
       
                  108              return; //free zero check            
       
                  109          }         
       
                  110                    
       
                  111          static void test7(void){ 
         
                  112              char *p1,*p2;         
       
                  113              _TYPE_COUNT_MALLOC_FREE(ptr_count);         
       
                  114              _TYPE_INDEX_MALLOC_FREE(pindex);             
       
                  115              int i;         
       
                  116                    
       
                  117              p1 = (char*)c_malloc(5);         
       
                  118              GET_MALLOC_INDEX(p1,pindex);         
       
                  119              p2 = p1+ 3;         
       
                  120              for (i = 3 ; i< 10 ; i++,p2++){ 
         
                  121                  if (CHECK_PTR_RANGE(p2,pindex)){ 
         
                  122                      printf("p2 bias is %d , check ok\n",i);         
       
                  123                  }else{ 
         
                  124                      printf("error bias is %d!\n",i);         
       
                  125                  }         
       
                  126              }         
       
                  127              p2 = p1;         
       
                  128              for (i = 0 ; i< 10 ; i++,p2++){ 
         
                  129                  CHECK_PTR_RANGE_ER(p2,pindex,ptr_count,"test7 func p2");         
       
                  130              }            
       
                  131                        
       
                  132              c_free(p1);         
       
                  133              //c_free(0);         
       
                  134              return; //free zero check            
       
                  135          }         
       
                  136                    
       
                  137          #define TEST_MASK 15         
       
                  138          TEST_FUNC test_a[TEST_MASK+1]= {test0,test1,test2,test3,test4,test5,test6,test7         
       
                  139          ,test8,test9,test10,test8,test8,test8,test8,test8};         
       
                  140                        
       
                  141                    
       
                  142          int main(int argc,char *argv[]){ 
         
                  143              int mode;         
       
                  144                    
       
                  145              printf("hello test_malloc_free_main now run...\n");         
       
                  146              MALLOC_FREE_INIT(0);         
       
                  147              if (argc < 2){ 
         
                  148                  printf("need parameters!\n");         
       
                  149                  return 1;         
       
                  150              }         
       
                  151              mode = atol(argv[1]);//argv[1][0] - '0';         
       
                  152              test_a[mode & TEST_MASK]();         
       
                  153                        
       
                  154              printf("hello test_malloc_free_main now exit...\n");         
       
                  155              return 0;         
       
                  156          }