C语言接口与实现【第四章】 setjmp/longjmp非局部跳转函数分析

转自：http://blog.csdn.net/origin_lee/article/details/45057507

参考这篇文章，对比我所有的系统，分析正确，挺有价值，原理分析透彻。

我所有的系统为：

linux:

uname -a

Linux ubuntu 3.16.0-30-generic #40~14.04.1-Ubuntu SMP Thu Jan 15 17:45:15 UTC 2015 i686 i686 i686 GNU/Linux

glibc:

root@ubuntu:/home/cling60/src/linux/exception# ldd --version

ldd (Ubuntu EGLIBC 2.19-0ubuntu6.5) 2.19

Copyright (C) 2014 Free Software Foundation, Inc.

This is free software; see the source for copying conditions. There is NO

warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

Written by Roland McGrath and Ulrich Drepper.

之前就一直好奇setjmp()/longjmp()函数是怎么实现非局部跳转的，心中猜测应该是通过保存调用setjmp()函数处的栈上下文（stack context），之后通过函数longjmp()来恢复这个栈上下文来实现的，可是心中依然有疑惑，到底需要保存哪些东西呢，还有是怎么改变setjmp函数的返回值的呢。本文就通过实际程序调试以及glibc源码来一探究竟吧（本文针对i386平台）！

调制程序如下：

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print?

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <setjmp.h>

jmp_buf env;

int main(int argc, const char *argv[])

{

if (0 == setjmp(env)) {

printf("start to throw exception\n");

longjmp(env, 1);

} else {

/* exeception */

printf("in exception\n");

}

exit(EXIT_SUCCESS);

}

首先看下/usr/include/setjmp.h头文件中jmp_buf的定义：

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print?

#include <bits/setjmp.h> /* Get `__jmp_buf'. */

#include <bits/sigset.h> /* Get `__sigset_t'. */

/* Calling environment, plus possibly a saved signal mask. */

struct __jmp_buf_tag {

/* NOTE: The machine-dependent definitions of `__sigsetjmp'

assume that a `jmp_buf' begins with a `__jmp_buf' and that

`__mask_was_saved' follows it. Do not move these members

or add others before it. */

__jmp_buf __jmpbuf; /* Calling environment. */

int __mask_was_saved; /* Saved the signal mask? */

__sigset_t __saved_mask; /* Saved signal mask. */

};

__BEGIN_NAMESPACE_STD typedef struct __jmp_buf_tag jmp_buf[1];

可以看到类型jmp_buf被定义为结构体struct __jmp_buf_tag的一维数组，这样做至少有两个好处：

在声明jmp_buf时，可以把数据分配到堆栈上
作为参数传递时则作为一个指针

我们目前只关心__jmp_buf __jmpbuf，也就是注释中提到的calling environment，其他的我们在后文中提到sigsetjmp()/siglongjmp()时再提。在/usr/include/i386-Linux-gnu/bits/setjmp.h中找到__jmp_buf的定义如下：

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print?

#ifndef _ASM

typedef int __jmp_buf[6];

#endif

看来这里的整形数组就是保存栈上下文的地方了。现在开始gdb调试程序，先看main函数的反汇编代码如下：

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print?

astrol@astrol:~$ gdb setjmp -q

Reading symbols from /home/astrol/setjmp...done.

(gdb) break main

Breakpoint 1 at 0x804844d: file setjmp.c, line 9.

(gdb) run

Starting program: /home/astrol/setjmp

Breakpoint 1, main (argc=1, argv=0xbffff504) at setjmp.c:9

9 if (0 == setjmp(env)) {

(gdb) disassemble

Dump of assembler code for function main:

0x08048444 <+0>: push %ebp

0x08048445 <+1>: mov %esp,%ebp

0x08048447 <+3>: and $0xfffffff0,%esp

0x0804844a <+6>: sub $0x10,%esp

=> 0x0804844d <+9>: movl $0x804a040,(%esp)

0x08048454 <+16>: call 0x8048350 <_setjmp@plt>

0x08048459 <+21>: test %eax,%eax

0x0804845b <+23>: jne 0x804847d <main+57>

0x0804845d <+25>: movl $0x8048570,(%esp)

0x08048464 <+32>: call 0x8048360 <puts@plt>

0x08048469 <+37>: movl $0x2,0x4(%esp)

0x08048471 <+45>: movl $0x804a040,(%esp)

0x08048478 <+52>: call 0x8048340 <longjmp@plt>

0x0804847d <+57>: movl $0x8048589,(%esp)

0x08048484 <+64>: call 0x8048360 <puts@plt>

0x08048489 <+69>: movl $0x3,0x4(%esp)

0x08048491 <+77>: movl $0x804a040,(%esp)

0x08048498 <+84>: call 0x8048340 <longjmp@plt>

End of assembler dump.

(gdb)

最开始的三行是大家熟知的function prologue：将旧的函数帧指针ebp入栈，然后更新ebp为当前堆栈指针esp，接着使esp 16字节对齐。sub $0x10, %esp是在为main函数开辟栈空间，一般是用于局部变量以及后续的入出栈操作使用的。

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print?

(gdb) ptype env

type = struct __jmp_buf_tag {

__jmp_buf __jmpbuf;

int __mask_was_saved;

__sigset_t __saved_mask;

} [1]

(gdb) ptype __jmp_buf

type = int [6]

(gdb) print $ebp

$18 = (void *) 0xbffff468

(gdb) print $esp

$19 = (void *) 0xbffff44c

(gdb) print env

$20 = {{__jmpbuf = {0, 0, 0, 0, 0, 0}, __mask_was_saved = 0, __saved_mask = {__val = {0 <repeats 32 times>}}}}

(gdb)

配合print &env的结果我们发现，程序将参数env的地址入栈，接着就是调用函数setjmp函数。注意在调用call指令的同时，程序也将下一条指令的地址入栈了，也就是test %eax,%eax的地址0x08048459，此时的函数帧情况如下（图中一个格子代表4个字节）：



好，接下来就是重点了，让我们来看看函数setjmp都做了什么。

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print?

(gdb) disassemble

Dump of assembler code for function _setjmp:

=> 0x00160bb0 <+0>: xor %eax,%eax

0x00160bb2 <+2>: mov 0x4(%esp),%edx

0x00160bb6 <+6>: mov %ebx,(%edx)

0x00160bb8 <+8>: mov %esi,0x4(%edx)

0x00160bbb <+11>: mov %edi,0x8(%edx)

0x00160bbe <+14>: lea 0x4(%esp),%ecx

0x00160bc2 <+18>: xor %gs:0x18,%ecx

0x00160bc9 <+25>: rol $0x9,%ecx

0x00160bcc <+28>: mov %ecx,0x10(%edx)

0x00160bcf <+31>: mov (%esp),%ecx

0x00160bd2 <+34>: xor %gs:0x18,%ecx

0x00160bd9 <+41>: rol $0x9,%ecx

0x00160bdc <+44>: mov %ecx,0x14(%edx)

0x00160bdf <+47>: mov %ebp,0xc(%edx)

0x00160be2 <+50>: mov %eax,0x18(%edx)

0x00160be5 <+53>: ret

End of assembler dump.

我们把glibc中的源码也贴出来看看（glibc-2.15）:

glibc-2.15/sysdeps/i386/bsd-_setjmp.S:

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print?

/* This just does a tail-call to `__sigsetjmp (ARG, 0)'.

We cannot do it in C because it must be a tail-call, so frame-unwinding

in setjmp doesn't clobber the state restored by longjmp. */

#include <sysdep.h>

#include <jmpbuf-offsets.h>

#include "bp-sym.h"

#include "bp-asm.h"

#define PARMS LINKAGE /* no space for saved regs */

#define JMPBUF PARMS

#define SIGMSK JMPBUF+PTR_SIZE

ENTRY (BP_SYM (_setjmp))

ENTER

xorl %eax, %eax

movl JMPBUF(%esp), %edx

CHECK_BOUNDS_BOTH_WIDE (%edx, JMPBUF(%esp), $(JB_SIZE+4))

/* Save registers. */

movl %ebx, (JB_BX*4)(%edx)

movl %esi, (JB_SI*4)(%edx)

movl %edi, (JB_DI*4)(%edx)

/* Save SP as it will be after we return. */

leal JMPBUF(%esp), %ecx

#ifdef PTR_MANGLE

PTR_MANGLE (%ecx)

#endif

movl %ecx, (JB_SP*4)(%edx)

/* Save PC we are returning to now. */

movl PCOFF(%esp), %ecx

#ifdef PTR_MANGLE

PTR_MANGLE (%ecx)

#endif

movl %ecx, (JB_PC*4)(%edx)

LEAVE

/* Save caller's frame pointer. */

movl %ebp, (JB_BP*4)(%edx)

movl %eax, JB_SIZE(%edx) /* No signal mask set. */

ret

END (BP_SYM (_setjmp))

libc_hidden_def (_setjmp)

glibc-2.15/sysdeps/i386/jmpbuf-offsets.h

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print?

#define JB_BX 0

#define JB_SI 1

#define JB_DI 2

#define JB_BP 3

#define JB_SP 4

#define JB_PC 5

#define JB_SIZE 24

从这里可以终于可以看出__jmp_buf整形数组存储的依次是：ebx，esi，edi，ebp，esp，eip



好，现在分析汇编代码。

一开始就将eax清零，这段汇编代码结束时，作为setjmp函数的返回值 -- 使用eax作为函数的返回值这种做法，是很常见的。

mov 0x4(%esp),%edx是将env的地址付给寄存器edx，即此时edx指向__jmpbuf首地址。如下图：


mov %ebx, (%edx)

mov %esi, 0x4(%edx)

mov %edi, 0x8(%edx)

这三句分别将当前程序的寄存器ebx，esi，edi中的值存入__jmpbuf数组,下标依次为JB_BX，JB_SI，JB_DI。

lea 0x4(%esp),%ecx

xor %gs:0x18,%ecx

rol $0x9,%ecx

mov %ecx,0x10(%edx)

这四句其实就是将当前程序的esp+4存入数组__jmpbuf下标JB_SP的位置，至于为什么不是直接存入，这里牵扯到glibc程序安全问题，我们后面再说，这里只要知道是存储数值esp+4就OK了。

mov (%esp),%ecx

xor %gs:0x18,%ecx

rol $0x9,%ecx

mov %ecx,0x14(%edx)

同样的道理，这四行代码是将eip存储到数组__jmpbuf下标JB_PC的位置。

mov %ebp,0xc(%edx)

这句将是寄存器ebp的值保存到数组__jmpbuf下标JB_BP位置。

mov %eax,0x18(%edx)就跟数组__jmpbuf无关了，而是之后的__mask_was_saved，这里将其赋值为0，表明不需要保存进程的信号屏蔽字。最后setjmp返回。

程序接着走，走到longjmp时首先进入的是glibc-2.15/setjmp/longjmp.c

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print?

/* Set the signal mask to the one specified in ENV, and jump

to the position specified in ENV, causing the setjmp

call there to return VAL, or 1 if VAL is 0. */

void

__libc_siglongjmp (sigjmp_buf env, int val)

{

/* Perform any cleanups needed by the frames being unwound. */

_longjmp_unwind (env, val);

if (env[0].__mask_was_saved)

/* Restore the saved signal mask. */

(void) __sigprocmask (SIG_SETMASK, &env[0].__saved_mask,

(sigset_t *) NULL);

/* Call the machine-dependent function to restore machine state. */

__longjmp (env[0].__jmpbuf, val ?: 1);

}

可以看到如果env[0].__mask_was_saved非零的话，程序就会调用sigprocmask来恢复进程的信号屏蔽字。

同时我们也可以看到如果我们调用longjmp时第二个参数是0的话，那么程序会自动将其设置成1。

接着就真正进入longjmp的恢复栈上下文的代码了。

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print?

(gdb) disassemble

Dump of assembler code for function __longjmp:

=> 0x00160c50 <+0>: mov 0x4(%esp),%eax

0x00160c54 <+4>: mov 0x14(%eax),%edx

0x00160c57 <+7>: mov 0x10(%eax),%ecx

0x00160c5a <+10>: ror $0x9,%edx

0x00160c5d <+13>: xor %gs:0x18,%edx

0x00160c64 <+20>: ror $0x9,%ecx

0x00160c67 <+23>: xor %gs:0x18,%ecx

0x00160c6e <+30>: mov (%eax),%ebx

0x00160c70 <+32>: mov 0x4(%eax),%esi

0x00160c73 <+35>: mov 0x8(%eax),%edi

0x00160c76 <+38>: mov 0xc(%eax),%ebp

0x00160c79 <+41>: mov 0x8(%esp),%eax

0x00160c7d <+45>: mov %ecx,%esp

0x00160c7f <+47>: jmp *%edx

End of assembler dump.

glibc中的代码（glibc-2.15/sysdeps/i386/__longjmp.S）：

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print?

#include <sysdep.h>

#include <jmpbuf-offsets.h>

#include <asm-syntax.h>

.text

ENTRY (__longjmp)

#ifdef PTR_DEMANGLE

movl 4(%esp), %eax /* User's jmp_buf in %eax. */

/* Save the return address now. */

movl (JB_PC*4)(%eax), %edx

/* Get the stack pointer. */

movl (JB_SP*4)(%eax), %ecx

PTR_DEMANGLE (%edx)

PTR_DEMANGLE (%ecx)

cfi_def_cfa(%eax, 0)

cfi_register(%eip, %edx)

cfi_register(%esp, %ecx)

cfi_offset(%ebx, JB_BX*4)

cfi_offset(%esi, JB_SI*4)

cfi_offset(%edi, JB_DI*4)

cfi_offset(%ebp, JB_BP*4)

/* Restore registers. */

movl (JB_BX*4)(%eax), %ebx

movl (JB_SI*4)(%eax), %esi

movl (JB_DI*4)(%eax), %edi

movl (JB_BP*4)(%eax), %ebp

cfi_restore(%ebx)

cfi_restore(%esi)

cfi_restore(%edi)

cfi_restore(%ebp)

movl 8(%esp), %eax /* Second argument is return value. */

movl %ecx, %esp

#else

movl 4(%esp), %ecx /* User's jmp_buf in %ecx. */

movl 8(%esp), %eax /* Second argument is return value. */

/* Save the return address now. */

movl (JB_PC*4)(%ecx), %edx

/* Restore registers. */

movl (JB_BX*4)(%ecx), %ebx

movl (JB_SI*4)(%ecx), %esi

movl (JB_DI*4)(%ecx), %edi

movl (JB_BP*4)(%ecx), %ebp

movl (JB_SP*4)(%ecx), %esp

#endif

/* Jump to saved PC. */

jmp *%edx

END (__longjmp)

mov 0x4(%esp), %eax 将数组__jmpbuf的地址复制为寄存器eax

mov 0x14(%eax), %edx

mov 0x10(%eax), %ecx

ror $0x9, %edx

xor %gs:0x18, %edx

ror $0x9, %ecx

xor %gs:0x18, %ecx

这六句就是把setjmp中经过特殊处理的eip和esp分别存储到寄存器edx和ecx中。

mov (%eax), %ebx

mov 0x4(%eax), %esi

mov 0x8(%eax), %edi

mov 0xc(%eax), %ebp

这四句分别在恢复寄存器ebx，esi，edi和ebp寄存器的值。

接下来的mov 0x8(%esp), %eax就解答了我文章一开始的疑问，就是通过这句来改变setjmp的返回值的，这里通过把压入栈的第二个参数复制给寄存器eax作为返回值。

倒数第二句mov %ecx, %esp是在恢复栈指针。

最后一句jmp *%edx就是调转到调用setjmp时压入到栈中的eip处继续执行指令。

好了，终于了解了setjmp()/longjmp()的实现细节了。

现在来了解下sigsetjmp()/siglongjmp()函数。为了了解为什么要有这两个函数，我们先来看一个有问题的程序。

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print?

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <signal.h>

#include <setjmp.h>

jmp_buf env;

static void sig_alrm(int signo)

{

printf("in SIGALRM signal handler.\n");

alarm(2);

longjmp(env, 1);

}

int main(int argc, const char *argv[])

{

if (signal(SIGALRM, sig_alrm) == SIG_ERR) {

perror("signal error: ");

exit(EXIT_FAILURE);

}

alarm(2);

setjmp(env);

for ( ;; )

pause();

exit(EXIT_SUCCESS);

}

运行程序，我们会发现，尽管已经在信号处理程序sig_alrm中调用了alarm函数，但是该信号处理程序我们只调用了一次。是不是很奇怪？

默认情况下（不指定sa_flags为SA_NODEFER），信号处理时会自动阻塞正在被处理的信号。也就是说，和正在被处理同样的信号再次发生时，它会被阻塞到本次信号处理结束。在信号处理函数返回时，进程的信号屏蔽字会被恢复，即解除对当前信号的阻塞。在上面的程序中，并没有让信号处理函数正常返回，而是使用了longjmp()直接跳转，所以进程的信号屏蔽字在第一次收到信号后，就把信号设置为阻塞并且再也没有恢复，因而再也触发不了信号处理函数了，除非手动将进程的信号屏蔽字去除。

sigsetjmp()/siglongjmp()就解决了这个问题：sigsetjmp()会保存进程的当前屏蔽字（第二个参数非零的情况下），而siglongjmp()会恢复这个信号屏蔽字，所以不管你阻塞了什么信号，调用siglongjmp()时都会恢复。程序修改如下就可以了：

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print?

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <signal.h>

#include <setjmp.h>

jmp_buf env;

static volatile sig_atomic_t canjump;

static void sig_alrm(int signo)

{

if (canjump == 0)

return;

printf("in SIGALRM signal handler.\n");

alarm(2);

canjump = 0;

siglongjmp(env, 1);

}

int main(int argc, const char *argv[])

{

if (signal(SIGALRM, sig_alrm) == SIG_ERR) {

perror("signal error: ");

exit(EXIT_FAILURE);

}

alarm(2);

sigsetjmp(env, 1);

canjump = 1;

for ( ;; )

pause();

exit(EXIT_SUCCESS);

}

看看glibc源码是怎么做的（glibc-2.15/sysdeps/i386/setjmp.S）：

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print?

#include <sysdep.h>

#include <jmpbuf-offsets.h>

#include <asm-syntax.h>

#include "bp-sym.h"

#include "bp-asm.h"

#define PARMS LINKAGE /* no space for saved regs */

#define JMPBUF PARMS

#define SIGMSK JMPBUF+PTR_SIZE

ENTRY (BP_SYM (__sigsetjmp))

ENTER

movl JMPBUF(%esp), %eax

CHECK_BOUNDS_BOTH_WIDE (%eax, JMPBUF(%esp), $JB_SIZE)

/* Save registers. */

movl %ebx, (JB_BX*4)(%eax)

movl %esi, (JB_SI*4)(%eax)

movl %edi, (JB_DI*4)(%eax)

leal JMPBUF(%esp), %ecx /* Save SP as it will be after we return. */

#ifdef PTR_MANGLE

PTR_MANGLE (%ecx)

#endif

movl %ecx, (JB_SP*4)(%eax)

movl PCOFF(%esp), %ecx /* Save PC we are returning to now. */

#ifdef PTR_MANGLE

PTR_MANGLE (%ecx)

#endif

movl %ecx, (JB_PC*4)(%eax)

LEAVE /* pop frame pointer to prepare for tail-call. */

movl %ebp, (JB_BP*4)(%eax) /* Save caller's frame pointer. */

#if defined NOT_IN_libc && defined IS_IN_rtld

/* In ld.so we never save the signal mask. */

xorl %eax, %eax

ret

#else

/* Make a tail call to __sigjmp_save; it takes the same args. */

jmp __sigjmp_save

#endif

END (BP_SYM (__sigsetjmp))

以下是调试汇编：

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print?

(gdb) disassemble

Dump of assembler code for function __sigsetjmp:

=> 0x00160ad0 <+0>: mov 0x4(%esp),%eax # 将数组__jmpbuf的地址保存在eax

0x00160ad4 <+4>: mov %ebx,(%eax) # 恢复ebx

0x00160ad6 <+6>: mov %esi,0x4(%eax) # 恢复esi

0x00160ad9 <+9>: mov %edi,0x8(%eax) # 恢复edi

0x00160adc <+12>: lea 0x4(%esp),%ecx

0x00160ae0 <+16>: xor %gs:0x18,%ecx

0x00160ae7 <+23>: rol $0x9,%ecx

0x00160aea <+26>: mov %ecx,0x10(%eax) # 恢复esp

0x00160aed <+29>: mov (%esp),%ecx

0x00160af0 <+32>: xor %gs:0x18,%ecx

0x00160af7 <+39>: rol $0x9,%ecx

0x00160afa <+42>: mov %ecx,0x14(%eax) # 恢复eip

0x00160afd <+45>: mov %ebp,0xc(%eax) # 恢复ebp

0x00160b00 <+48>: jmp 0x160b10 <__sigjmp_save>

End of assembler dump.

几乎和setjmp的源码是一样的，多了最后一句，调用了__sigjmp_save函数（glibc-2.15/setjmp/sigjmp.c）：

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print?

#include <stddef.h>

#include <setjmp.h>

#include <signal.h>

/* This function is called by the `sigsetjmp' macro

before doing a `__setjmp' on ENV[0].__jmpbuf.

Always return zero. */

int

__sigjmp_save (sigjmp_buf env, int savemask)

{

env[0].__mask_was_saved = (savemask &&

__sigprocmask (SIG_BLOCK, (sigset_t *) NULL,

&env[0].__saved_mask) == 0);

return 0;

}

可以很清楚的看到，当调用sigsetjmp时，第二个参数非零时会保存进程的当前屏蔽字于__saved_mask中，并将__mask_was_saved赋值为1，供siglongjmp函数使用。

调用siglongjmp时调用的也是__libc_siglongjmp函数，只不过在该函数中会因为env[0].__mask_was_saved为1而调用sigprocmask恢复了进程的信号屏蔽字。

此外，还需要注意到，信号是异步的，即信号可以在任何一个时间点送达，因此它完全可能在sigsetjmp()或者setjmp()设置之前就到达，那么在这种情况下进入信号处理函数，并在里面调用了siglongjmp()或者longjmp() ，那么就会使用一个未初始化的jmpbuf（跳转缓冲）。为了防止这种情况，在程序中引入了一个监控变量canjump，如果canjump没有被设置时，信号处理函数只是简单的退出，而不会进行非局部跳转；也只有在sigsetjmp()或setjmp()设置完后，才会将该变量设为1。当然，另外一个办法是也可以在建立信号处理函数之前就调用sigsetjmp()或setjmp() ---
实际上，在一个复杂的程序里，很难保证说一定能让这两个步骤按此顺序去执行 --- 因此较为简单的方法还是像上面使用一个监控变量。

至此，我们就彻底了解了setjmp()/longjmp()和sigsetjmp()/siglongjmp()的实现细节了。

接下来简单谈一谈它们在使用上的注意点吧。

未完待续！

参考链接：http://web.eecs.utk.edu/~plank/plank/classes/cs360/360/notes/Setjmp/lecture.html

http://blog.codingnow.com/2010/05/setjmp.html

http://www.cnblogs.com/archimedes/p/c-exception-assert.html

http://www.cnblogs.com/lienhua34/archive/2012/04/22/2464859.html

http://wenku.baidu.com/link?url=XigAOFO54xdlZsK9ADfCYrjINucJVBr_U0oJAV5lkTluoyGHd2g3q_UVLLzZa8yQ94RKUwy1UnlS8n9s__bJR_Mq53YwK51rss8tnmdxuOy

http://yanx730.blog.163.com/blog/static/1194421200791423334964/

http://www.csl.mtu.edu/cs4411.ck/www/NOTES/non-local-goto/

http://blog.csdn.net/topasstem8/article/details/6004945

http://www.groad.net/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=919&highlight=setjmp