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  • 干货 | 函数指针与软件设计

    作者：Li XianJing 记得刚开始工作时，一位高手告诉我，说，longjmp和setjmp玩得不熟，就不要自称为C语言高手。当时我半信半疑，为了让自己向高手方向迈进，还是花了一点时间去学习longjmp和setjmp的用法。 后来明白那不单是跳来跳去那样简单，而是一种高级的异常处理机制，在某些情况下确实很有用。 为了显示自己的技巧，也在自己的程序中用过几次。渐渐发现这样的技巧带来的好处是有代价的，破坏了程序的结构化设计，程序变得很难读，尤其对新手来说。 终于明白这种技巧不过是一种调味料，在少数情况使用几次，可以简化对问题的处理。如果把调味拿来当饭吃，一定会本末倒置，写出的程序会呈现营养不良之状。 事实上，longjmp和setjmp玩得熟不熟与是不是C语言高手，不是因果关系。但是，如果可以套用那位高手的话，我倒想说如果函数指针玩得不熟，就不要自称为C语言高手。为什么这么说呢，函数指针有那么复杂吗？ 当然不是，任何一个稍有编程常识的人，不管他懂不懂C语言，在10分钟内，我想他一定可以明白C语言中的函数指针是怎么回事。 原因在于，难的不是函数指针的概念和语法本身，而是在什么时候，什么地方该使用它。函数指针不仅是语法上的问题，更重要的是它是一个设计范畴。 真正的高手当然不单应该懂得语法层面上的技巧，更应该懂得设计上的方法。不懂设计，能算高手吗？怀疑我在夸大其辞吗？那我们先看看函数指针与哪些设计方法有关：与分层设计有关。分层设计早就不是什么新的概念，分层的好处是众所周知的，比较明显好处就是简化复杂度、隔离变化。 采用分层设计，每层都只需关心自己的东西，这减小了系统的复杂度，层与层之间的交互仅限于一个很窄的接口，只要接口不变，某一层的变化不会影响其它层，这隔离了变化。 分层的一般原则是，上层可以直接调用下层的函数，下层则不能直接调用上层的函数。这句话说来简单，在现实中，下层常常要反过来调用上层的函数。 比如你在拷贝文件时，在界面层调用一个拷贝文件函数。界面层是上层，拷贝文件函数是下层，上层调用下层，理所当然。但是如果你想在拷贝文件时还要更新进度条，问题就来了。 一方面，只有拷贝文件函数才知道拷贝的进度，但它不能去更新界面的进度条。另外一方面，界面知道如何去更新进度条，但它又不知道拷贝的进度。怎么办？ 常见的做法，就是界面设置一个回调函数给拷贝文件函数，拷贝文件函数在适当的时候调用这个回调函数来通知界面更新状态。 与抽象有关。抽象是面向对象中最重要的概念之一，也是面向对象威力强大之处。面向对象只是一种思想，大家都知道，用C语言一样可以实现面向对象的编程。 这可不是为了赶时髦，而是一种实用的方法。如果你对此表示怀疑，可以去看看GTK+、linux kernel等开源代码。 接口是最高级的抽象。在linux kernel里面，接口的概念无处不在，像虚拟文件系统(VFS)，它定义一个文件系统的接口，只要按照这种接口的规范，你可以自己开发一个文件系统挂上去。 设备驱动程序更是如此，不同的设备驱动程序有自己一套不同的接口规范。在自己开发设备开发驱动程序时，只要遵循相应的接口规范就行了。接口在C语言中如何表示？很简单，就是一组函数指针。 与接口与实现分开有关。针对接口编程，而不是针对实现编程，此为《设计模式》的第一条设计准则。分开接口与实现的目标是要隔离变化。软件是变化的，如果不能把变化的东西隔离开来，导致牵一发而动全身，代价是巨大的。这是大家所不愿看到的。 C语言既然可以实现面向对象的编程，自然可以利用设计模式来分离接口与实现。像桥接模式、策略模式、状态模式、代理模式等等，在C语言中，无一不需要利用函数指针来实现。 与松耦合原则有关。面向过程与面向对象相比，之所以显得苍白无力，原因之一就是它不像面向对象一样，可以直观的把现实模型映射到计算机中。 面向过程讲的是层层控制，而面向对象更强调的对象间的分工合作。现实世界中的对象处于层次关系的较少，处于对等关系的居多。也就是说，对象间的交互往往是双向的。这会加强对象间的耦合性。 耦合本身没有错，实际上耦合是必不可少的，没有耦合就没有协作，对象之间无法形成一个整体，什么事也做不了。关键在于耦合要恰当，在实现预定功能的前提下，耦合要尽可能的松散。这样，系统的一部分变化对其它部分的影响会很少。 函数指针是解耦对象关系的最佳利器。Signal(如boost的signal和glib中的signal)机制是一个典型的例子，一个对象自身的状态可能是在变化的（或者会触发一些事件），而其它对象关心它的变化。一旦该对象有变化发生，其它对象要执行相应的操作。 如果该对象直接去调用其它对象的函数，功能是完成了，但对象之间的耦合太紧了。如何把这种耦合降到最低呢，signal机制是很好的办法。 它的原理大致如下：其它关注该对象变化的对象主动注册一个回调函数到该对象中。一旦该对象有变化发生，就调用这些回调函数通知其它对象。功能同样实现了，但它们之间的耦合度降低了。 在C语言中，要解决以上这些问题，不采用函数指针，将是非常困难的。在编程中，如果你从没有想到用函数指针，很难想像你是一个C语言高手。 免责声明：本文内容由21ic获得授权后发布，版权归原作者所有，本平台仅提供信息存储服务。文章仅代表作者个人观点，不代表本平台立场，如有问题，请联系我们，谢谢！

    时间：2021-05-17 关键词： 指针 C语言 longjmp

  • C语言的反人类函数:setjmp和longjmp的详细剖析

    我希望看这篇文章的你对C++的传统异常处理，即try...catch...throw有了解（不是Windows SEH），这样才能方便你最深入的理解这2个C语言的反人类函数。当然如果不了解就先看下面的“C++式的异常处理”，如果感觉自己了解了，可以直接skip看到“C语言中的模拟”。【C++式的异常处理】首先，我们写一个类，请不要想这个类有什么特别的地方，其只是为了打印出来构造和析构。class CFoo { public:     CFoo()     {         printf("Create CFoo.n");     }     ~CFoo()     {         printf("~Destroy CFoo.n");     } };然后我们写一个函数，这个函数foo是为了根据情况抛出异常：void foo(int exp) {     if (exp == 'a')         throw std::exception("a");     printf("foo ok %d.n",exp); }我们来写第一个main：int main() {     int val = getchar();     foo(val);     return 0; }此时我们输入b，其输出的肯定是：foo ok 98.这里98是b的ascii值。而我们输入a，则会出情况了：因为foo抛出了一个异常，但是没例程去处理他，所以程序崩溃。所以我们现在在main上加上处理foo异常的代码：int main() {     int val = getchar();     try{         foo(val);     }catch (std::exception& ex)     {         printf("skip ex:%s.n",ex.what());     }     return 0; }好了，我们再次输入a，则会出现：skip ex:a.foo在throw下正常的printf则不会执行，流程被改变。所以我们可以简单理解为throw是一个“带有异常信息的”return，当然实际情况比这个复杂的多，我这样说只是为了让你有一种C语言的感觉。还记得上面那个CFoo嘛，我一直没使用它，现在我们把foo函数改一下：void foo(int exp) {     CFoo cfoo;     if (exp == 'a')         throw std::exception("a");     printf("foo ok %d.n",exp); }可以看到我只加了一行代码，在堆栈上开了一个cfoo的实例，我们main不动，输入一个p试试：Create CFoo.foo ok 112.~Destroy CFoo.可以看到，其输出了CFoo的构造和析构，这个是正常的情况，因为我们看到printf执行了。那我们输入a呢，我们来尝试：Create CFoo.~Destroy CFoo.skip ex:a.我们可以看到，虽然throw下面的printf没有被执行，但是CFoo被构造和析构了，这就是C++异常会遵循C++的栈上展开的特点，也就是即便发生异常了，throw前的栈上对象，都需要被析构，如果他们有“真正的”析构代码的话。在执行析构的时候情况也是十分复杂，这里不扯那么多，因为这文章不是介绍C++异常处理的。。。不过为了让你看得更清除点，我们再来把CFoo函数改一下，也是一行代码：void foo(int exp) {     CFoo cfoo;     if (exp == 'a')         throw std::exception("a");     CFoo cfoo2;     printf("foo ok %d.n",exp); }我们再次输入p：Create CFoo.Create CFoo.foo ok 112.~Destroy CFoo.~Destroy CFoo.可以看到这是输出，好，我们输入a：Create CFoo.~Destroy CFoo.skip ex:a.可以很明显的看到，因为cfoo2构造在throw下面，所以它在异常导致foo进行return的时候，并不需要被析构，因为它并没有生成一个真正的实例。好了到这里你就算不懂C++异常处理可能也可以入门了（如果你有兴趣的话）。【C语言中的模拟】这里我们开始正式说一下setjmp和longjmp。如果上面那个foo函数：void foo(int exp) {     if (exp == 'a')         throw std::exception("a");     printf("foo ok %d.n",exp); }因为在C语言中没有C++异常，foo一般使用一个返回值来交出结果判断失败，然后调用者根据返回值进行流程控制，比如foo我们可以写成：bool foo(int exp) {     if (exp == 'a')         return false;     printf("foo ok %d.n",exp);     return true; }我们用bool来给出返回值，当然更多是使用int，char。如果我们有特殊的情怀，或者我们有一些批量的任务，希望用一个统一的例程处理他们的错误。。。我们想在C语言中，使用C++类似的东西，在foo中抛出一个异常，在main中catch呢？这里需要用到setjmp和longjmp，我先给你一些概念：setjmp=try；longjmp=throw。可以看到try和throw都有了，那catch在哪里？要知道C语言是流程式的语言，那catch在C语言中肯定得遵循某一个流程表达式，没错。。。就是if。。。所以你可以看到：setjmp=try，longjmp=throw，if=catch。好像所有条件都具备了，到底怎么玩？来我们继续。我们还是上面那个foo函数：（首先我们使用setjmp和longjmp需要include setjmp.h）void foo(int exp,jmp_buf& jb) {     if (exp == 'a')         longjmp(jb,'a'); //throw std::exception("a");     printf("foo ok %d.n",exp); }然后我们写main：int main() {     jmp_buf jb;     int jmp_ret = setjmp(jb);     if (jmp_ret == 0) //try     {         int val = getchar();         foo(val,jb);     }else{ //catch         printf("skip ex:%d.n",jmp_ret);     }     return 0; }按照上面的路子来，我们输入b：foo ok 98.其输入也是一样的，那我们输入a呢：skip ex:97.这里97是a的ascii码，也就是其是跟上面的异常流程处理是一样的，是不是感觉很奇葩。你肯定在想，为什么，按照理论上来说，setjmp后==0，foo才会执行，按照我们的传统流程，既然foo被执行了，那else应该永远得不到执行，那longjmp又是如何从foo里面跑回去了main？我们来设想一下，else要如何才能被执行？对了，肯定是jmp_ref != 0嘛，没错，longjmp做的就是这个工作。我们先不要在意jmp_buf，我们先看下longjmp的第二个参数，他是一个值类型，这个参数我指定的是'a'，也就是97，你看到了，我在prntf里面打印了jmp_ret的值，也就是，我们在longjmp时指定某一个值后，longjmp会把当前函数的流程做一个大转弯，直接跳回到这里：if (jmp_ret == 0) //try而此时，jmp_ret已经是我们指定的值，就是97了，那if的==不会被成立，则去执行else了。此时可能你想，如果我这样：longjmp(jb,0);那不是jmp_ret还是==0，还又去执行foo，又被longjmp，不是死循环了么？这个情况在CRT已经考虑过了，如果你给longjmp使用0值，其会自动修改为1，也就是0值是永远不会被出现的。好，我们来总结：1、首先setjmp需要==0才执行foo。2、foo发现错误，把setjmp的==0给改了。3、if表达式的else被执行。可能你现在头还有点晕，不过我们先说这个到这里，我们来看setjmp的第一个参数：jmp_buf。这个jmp_buf是什么呢，首先我们来再写一个main：int main() {     char sz[128] = "hello.n";     jmp_buf jb;     int jmp_ret = setjmp(jb);     if (jmp_ret == 0) //try     {         int val = getchar();         foo(val,jb);     }else{ //catch         printf("skip ex:%d.n",jmp_ret);         printf(sz);     }     return 0; }输入a，则会输出：skip ex:97.hello.你肯定想这是当然的，因为sz变量在main范围内嘛。但是别忘了，我们访问sz可是在else里，也就是我们访问的时候，是被longjmp跳过去的。。。要知道，执行foo的时候，可能整个堆栈环境已经变得离谱了，如果你知晓汇编，肯定知道，执行foo的时候，main使用堆栈指针EBP（当然也可以直接ESP，不过这里做一个比方）会被保存起来，要等foo进行return的时候，才会恢复EBP，然后main的局部变量才能通过EBP访问到，但是我们的foo可是直接longjmp的，我们没有任何代码用于恢复EBP的值，那如何保证飞过去else的时候，访问sz变量的地址是正确的？对了，在setjmp的时候，CRT会把EBP等变量的值保存在jmp_buf里面，然后在longjmp里面，把EBP的值从jmp_buf里面取出来，进行恢复。这样在执行longjmp的时候，EBP会被恢复到setjmp时的情况，也就保证了sz变量的地址在执行else的时候也是正确的。如果你只会C语言，那看到这里，你应该大概理解了，如果你还了解过汇编，那可以继续看下去，我会为你揭示setjmp、longjmp背后的一些东西。【深入探索】我们把刚才那个exe进行动态反汇编，以便我们整体的了解setjmp和longjmp的所有情况。首先在调试器里面，main是这样的：可以看到，关键就是在TEST EAX,EAX这里有一个JNZ跳，如果不是0则跳到下面的catch。我们来看setjmp的汇编：可以看到其保存了几个windows关键的寄存器。注意，在win32下，eax、edx、ecx被定义为易失寄存器，比如我们调用foo的时候，如果foo需要用到ebx，esi，它也需要保存，退出时恢复，但是使用edx则不需要保存。setjmp也是遵循这个原则。可以看到setjmp的返回是XOR EAX,EAX，就是返回0。好我们来看longjmp的反汇编：可以看到其检测了一下jmp_buf的正确性，然后就进行寄存器的恢复，最终把call自身的堆栈平衡了后，就使用JMP指令直接JMP到setjmp后的那个指令地址，而此时其把EAX改成了longjmp的第二个参数：那接下来的TEST EAX,EAX肯定不会成功，就会跑去执行catch了。【与C++的结合】文章写到这里，应该快结束了，可还有一个点，可能你没注意到，我们还是回到我们第一个代码——CFoo这个类来。在上面的C++异常里面，我们看到了这样的代码：void foo(int exp) {     CFoo cfoo;     if (exp == 'a')         throw std::exception("a");     printf("foo ok %d.n",exp); }按照C++的规范，异常发生的时候，cfoo也会被析构，如果我们使用longjmp呢，就像下面：void foo(int exp,jmp_buf& jb) {     CFoo cfoo;     if (exp == 'a')         longjmp(jb,'a'); //throw std::exception("a");     printf("foo ok %d.n",exp); }你肯定会想，cfoo应该只会被构造，而不会被析构，因为longjmp可是CRT的函数。其实原来我也是这样想的，但是我不懂是不是VC spec，我在跟踪longjmp的时候发现了堆栈展开的代码。。。也就是，其实cfoo在longjmp的时候，也是会被析构的：Create CFoo.~Destroy CFoo.skip ex:97.hello.这个要注意一下。如果你想看汇编，在下面。这个是foo函数的汇编：SEH处理器在这里：然后会展开到析构函数：【完结】为这2个狗血的东西写了那么多，也说的差不多了。其实这2个东西，因为其反人类的特性，在项目开发中，不应该被使用上，在这里只是告诉大家，如果遇到有setjmp、longjmp的情况的时候，可以判断出来代码的执行流程。

    时间：2018-11-27 关键词： setjmp C语言 longjmp

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