C标准库源码解剖(9)：控制函数assert.h, setjmp.h和signal.h

    控制函数用于对C语言程序的标准控制流（如if/else、switch、for等）提供扩展，在头文件assert.h、setjmp.h和signal.h中提供，分别提供表达式断言功能、非本地跳转功能、信号处理功能。
    1、assert.h：提供用于断言的assert宏。程序中若没有定义NDEBUG，则asset(exp)对表达式exp进行断言，若断言为假（即为0），则会调用__assert_fail函数打印一条“断言失败”的消息，并终止程序。若定义了NDEBUG宏，则assert通常为空语句。

/* ISO C99 Standard: 7.2 诊断 <assert.h> */#ifdef _ASSERT_H# undef _ASSERT_H# undef assert# undef __ASSERT_VOID_CAST# ifdef __USE_GNU# undef assert_perror# endif#endif /* assert.h */#define _ASSERT_H 1#include <features.h>#if defined __cplusplus && __GNUC_PREREQ (2,95)# define __ASSERT_VOID_CAST static_cast<void>#else# define __ASSERT_VOID_CAST (void)#endif/* void assert (int expression); 如果定义了NDEBUG，什么也不做，如果没有定义，且EXPRESSION为0，则打印一个错误消息，然后终止程序 */#ifdef NDEBUG# define assert(expr) (__ASSERT_VOID_CAST (0))/* void assert_perror (int errnum); 如果定义了NDEBUG，什么也不做。如果没有定义，且ERRNUM为0，则打印对应于错误码ERRNUM的错误消息， 然后终止程序 */# ifdef __USE_GNU# define assert_perror(errnum) (__ASSERT_VOID_CAST (0))# endif#else /* 没有定义NDEBUG */#ifndef _ASSERT_H_DECLS#define _ASSERT_H_DECLS__BEGIN_DECLS/* 这里打印一条“断言失败”的消息，然后终止程序 */extern void __assert_fail (__const char *__assertion, __const char *__file, unsigned int __line, __const char *__function) __THROW __attribute__ ((__noreturn__));/* 与上面一样，但打印错误码ERRNUM的错误消息 */extern void __assert_perror_fail (int __errnum, __const char *__file, unsigned int __line, __const char *__function) __THROW __attribute__ ((__noreturn__));/* 下面的函数在这里并没有使用，但为了与标准兼容，还是需要提供 */extern void __assert (const char *__assertion, const char *__file, int __line) __THROW __attribute__ ((__noreturn__));__END_DECLS#endif /* Not _ASSERT_H_DECLS *//* 使用上面的函数来定义完整的assert宏 */# define assert(expr) / ((expr) / ? __ASSERT_VOID_CAST (0) / : __assert_fail (__STRING(expr), __FILE__, __LINE__, __ASSERT_FUNCTION))# ifdef __USE_GNU# define assert_perror(errnum) / (!(errnum) / ? __ASSERT_VOID_CAST (0) / : __assert_perror_fail ((errnum), __FILE__, __LINE__, __ASSERT_FUNCTION))# endif/* 2.4及之后版本的GCC定义了一个魔术变量__PRETTY_FUNCTION__，它包含当前定义的函数名，这在2.6版本之前 的G++中打破了。C9x有一个类似的名为__func__的变量，但首选的是GCC的这个变量，因为它重新覆盖了C++中的 这个函数名 */# if defined __cplusplus ? __GNUC_PREREQ (2, 6) : __GNUC_PREREQ (2, 4)# define __ASSERT_FUNCTION __PRETTY_FUNCTION__# else# if defined __STDC_VERSION__ && __STDC_VERSION__ >= 199901L# define __ASSERT_FUNCTION __func__# else# define __ASSERT_FUNCTION ((__const char *) 0)# endif# endif#endif /* NDEBUG. */

/* assert.c：assert功能的实现，核心的函数为__assert_fail */#include <assert.h>#include <libintl.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <sysdep.h>#include <unistd.h>extern const char *__progname;#ifdef USE_IN_LIBIO# include <wchar.h># include <libio/iolibio.h># define fflush(s) INTUSE(_IO_fflush) (s)#endif/* 本函数当传递一个包含断言表达式的字符串、一个文件名、和一个行号时，在标准 错误流上用以下格式打印一条消息： a.c:10: foobar: Assertion `a == b' failed. 然后通过调用abort来终止程序的执行 */#ifdef FATAL_PREPARE_INCLUDE# include FATAL_PREPARE_INCLUDE#endif#undef __assert_failvoid__assert_fail (const char *assertion, const char *file, unsigned int line, const char *function){ char *buf;#ifdef FATAL_PREPARE FATAL_PREPARE;#endif /* 把指定格式的消息写入到buf中 */ if (__asprintf (&buf, _("%s%s%s:%u: %s%sAssertion `%s' failed./n"), __progname, __progname[0] ? ": " : "", file, line, function ? function : "", function ? ": " : "", assertion) >= 0) { (void) __fxprintf (NULL, "%s", buf); /* 打印buf中的消息 */ (void) fflush (stderr); /* 刷新标准错误流的状态（注意stderr并不缓冲） */ /* 我们要释放消息缓冲区，因为应用程序可能会捕捉到SIGABRT信号 */ free (buf); } else /* 消息写入未成功 */ { /* 至少要打印一个最小的消息 */ static const char errstr[] = "Unexpected error./n"; __libc_write (STDERR_FILENO, errstr, sizeof (errstr) - 1); } abort (); /* 调用abort终止程序 */}hidden_def(__assert_fail)

/* assert-perr.c：assert_perror功能是GNU的一个扩展，核心的函数是__assert_perror_fail */#include <assert.h>#include <libintl.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <sysdep.h>#include <unistd.h>extern const char *__progname;#ifdef USE_IN_LIBIO# include <wchar.h># include <libio/iolibio.h># define fflush(s) INTUSE(_IO_fflush) (s)#endif/* 本函数当传递一个包含断言表达式的字符串、一个文件名、和一个行号时，在标准 错误流上用以下格式打印一条消息： a.c:10: foobar: Unexpected error: Computer bought the farm 然后通过调用abort来终止程序的执行 */#ifdef FATAL_PREPARE_INCLUDE# include FATAL_PREPARE_INCLUDE#endifvoid__assert_perror_fail (int errnum, const char *file, unsigned int line, const char *function){ char errbuf[1024]; char *buf;#ifdef FATAL_PREPARE FATAL_PREPARE;#endif /* 把指定格式的消息写入到buf中 */ if (__asprintf (&buf, _("%s%s%s:%u: %s%sUnexpected error: %s./n"), __progname, __progname[0] ? ": " : "", file, line, function ? function : "", function ? ": " : "", __strerror_r (errnum, errbuf, sizeof errbuf)) >= 0) { (void) __fxprintf (NULL, "%s", buf); /* 打印buf中的消息 */ (void) fflush (stderr); /* 刷新标准错误流的状态（注意stderr并不缓冲） */ /* 我们要释放消息缓冲区，因为应用程序可能会捕捉到SIGABRT信号 */ free (buf); } else /* 消息写入未成功 */ { /* 至少要打印一个最小的消息 */ static const char errstr[] = "Unexpected error./n"; __libc_write (STDERR_FILENO, errstr, sizeof (errstr) - 1); } abort (); /* 调用abort终止程序 */}libc_hidden_def (__assert_perror_fail)

/* __assert.c：__assert函数的实现 *//* 我们必须参看原型：没有定义NDEBUG时才会在<assert.h>有__assert的原型 */#undef NDEBUG#include <assert.h>/* 提供__assert函数是为了与标准兼容，它的功能由__assert_fail取代 */void__assert (const char *assertion, const char *file, int line){ __assert_fail (assertion, file, line, (const char *) 0);}

    解释：
    （1）GNU还提供了一个扩展assert_perror，功能与assert类似，只不过打印指定的错误码对应的消息，通过__assert_perror_fail函数来实现。另外提供的_assert函数是为了与标准兼容，它的功能由__assert_fail取代。
    （2）__assert_fail和__assert_perror_fail函数都是把指定格式的消息写入到buf中，然后打印buf中的消息，并刷新标准错误流的状态，释放消息缓冲区buf，最后要调用abort函数终止程序。
    2、setjmp.h：标准库函数setjmp和longjmp实现基本形式的非本地跳转。setjmp用于保存调用者的堆栈环境（被保存在表示跳转缓冲区的jmp_buf型数组ENV中），然后返回0。longjmp用于跳转到保存堆栈环境的地方，并从那里的setjmp调用返回，返回指定的状态码，如果状态码为0则返回1。

/* ISO C99 Standard: 7.13 非本地跳转 <setjmp.h> */#ifndef _SETJMP_H#define _SETJMP_H 1#include <features.h>__BEGIN_DECLS#include <bits/setjmp.h> /* 获取__jmp_buf */#include <bits/sigset.h> /* 获取__sigset_t *//* 调用环境，可能还会附加一个被保存的信号掩码 */struct __jmp_buf_tag { /* 注意：依赖于机器的__sigsetjmp定义假定一个jmp_buf从__jmp_buf开始，后面紧跟着 __mask_was_saved。不要移动这些成员或者在前面添加其他的成员 */ __jmp_buf __jmpbuf; /* 调用环境 */ int __mask_was_saved; /* 保存信号掩码吗？ */ __sigset_t __saved_mask; /* 被保存的信号掩码 */ };__BEGIN_NAMESPACE_STDtypedef struct __jmp_buf_tag jmp_buf[1]; /* 定义jmp_buf数组 *//* 在ENV中保存调用环境，同时也会保存信号掩码，返回0 */extern int setjmp (jmp_buf __env) __THROW;__END_NAMESPACE_STD/* 在ENV中保存调用环境，如果SAVEMASK不为零，则同时也会保存信号掩码。返回0。 这是sigsetjmp函数的内部名称 */extern int __sigsetjmp (struct __jmp_buf_tag __env[1], int __savemask) __THROW;#ifndef __FAVOR_BSD/* 在ENV中保存调用环境，不保存信号掩码。返回0 */extern int _setjmp (struct __jmp_buf_tag __env[1]) __THROW;/* 不保存信号掩码。这与BSD函数'_setjmp'等价 */# define setjmp(env) _setjmp (env)#else/* 在4.3 BSD兼容模式下，setjmp像sigsetjmp(ENV,1)一样来保存信号掩码。我们 必须定义一个宏，因为ISO C指出setjmp是完整的 */# define setjmp(env) setjmp (env)#endif /* Favor BSD. */__BEGIN_NAMESPACE_STD/* 跳转到保存在ENV中的环境处，使那里的setjmp调用返回VAL，或者返回1（如果VAL为0） */extern void longjmp (struct __jmp_buf_tag __env[1], int __val) __THROW __attribute__ ((__noreturn__));__END_NAMESPACE_STD#if defined __USE_BSD || defined __USE_XOPEN/* 与上面相同。通常_longjmp与setjmp一起使用，不保存信号掩码。但怎样保存ENV决定了longjmp 是否恢复掩码；而_longjmp只是一个别名 */extern void _longjmp (struct __jmp_buf_tag __env[1], int __val) __THROW __attribute__ ((__noreturn__));#endif#ifdef __USE_POSIX/* 对jmp_buf和sigjmp_buf使用同样的类型。__mask_was_saved标志决定 longjmp是否将恢复信号掩码 */typedef struct __jmp_buf_tag sigjmp_buf[1];/* 在ENV中保存调用环境，同时也会保存信号掩码（如果SAVEMASK不为零），返回0 */# define sigsetjmp(env, savemask) __sigsetjmp (env, savemask)/* 跳转到保存在ENV中的环境处，使那里的sigsetjmp调用返回VAL，或者返回（如果VAL为0） 恢复信号掩码（如果那个sigsetjmp保存了它的话）。本函数只是longjmp的一个别名 */extern void siglongjmp (sigjmp_buf __env, int __val) __THROW __attribute__ ((__noreturn__));#endif /* Use POSIX. */__END_DECLS#endif /* setjmp.h */

/* setjmp.c：setjmp函数的实现 */#include <errno.h>#include <setjmp.h>/* 在ENV中人嘎当前程序的位置，然后返回0 */int__libc_sigsetjmp (jmp_buf env, int savemask){ /* 如果被请求的话，保存信号掩码 */ __sigjmp_save (env, savemask); __set_errno (ENOSYS); /* 没有信号失败 */ return 0;}weak_alias (__libc_sigsetjmp, __sigsetjmp)stub_warning (__sigsetjmp)#include <stub-tag.h>

/* longjmp.c：longjmp函数的实现 */#include <stddef.h>#include <setjmp.h>#include <signal.h>/* 在ENV中的相应成员上设置信号掩码，并且跳转到ENV指定的位置处，导致那里的 setjmp调用返回VAL，或者返回1（如果VAL为0） */void__libc_siglongjmp (sigjmp_buf env, int val){ /* 在展开的堆栈结构上需要做清理工作 */ _longjmp_unwind (env, val); if (env[0].__mask_was_saved) /* 恢复被保存的掩码 */ (void) __sigprocmask (SIG_SETMASK, &env[0].__saved_mask, (sigset_t *) NULL); /* 调用依赖于机器的函数来恢复机器状态 */ __longjmp (env[0].__jmpbuf, val ?: 1);}strong_alias (__libc_siglongjmp, __libc_longjmp)libc_hidden_def (__libc_longjmp)weak_alias (__libc_siglongjmp, _longjmp)weak_alias (__libc_siglongjmp, longjmp)weak_alias (__libc_siglongjmp, siglongjmp)

    注意setjmp和longjmp函数都是直接调用内部函数来完成工作的。头文件setjmp.h中的其他部分都是BSD、XOPEN或POSIX方面的扩展。
    3、signal.h：定义了信号原子类型sig_atomic_t、信号处理函数的注册signal、发送信号的函数raise。它包含了bits/signum.h，这个Linux系统的头文件中定义了C标准中的信号及其他一些信号。标准C语言中的信号有SIGINT,SIGILL,SIGABRT,SIGFPE,SIGSEGV,SIGTERM，还要3个特殊的信号SIGERR,SIG_DFL, SIG_IGN，因此标准C语言中总共有9个信号。

    signal.h代码如下：

/* ISO C99 Standard: 7.14 信号处理 <signal.h> */#ifndef _SIGNAL_H#if !defined __need_sig_atomic_t && !defined __need_sigset_t# define _SIGNAL_H#endif#include <features.h> /* 定义了一些编译选项 */__BEGIN_DECLS#include <bits/sigset.h> /* 获取__sigset_t和__sig_atomic_t类型 *//* 一个可以自动修改的内部类型，它不可能是一个到达运算中间的信号 */#if defined __need_sig_atomic_t || defined _SIGNAL_H# ifndef __sig_atomic_t_defined# define __sig_atomic_t_defined__BEGIN_NAMESPACE_STDtypedef __sig_atomic_t sig_atomic_t; /* 定义信号原子类型 */__END_NAMESPACE_STD# endif# undef __need_sig_atomic_t#endif#if defined __need_sigset_t || (defined _SIGNAL_H && defined __USE_POSIX)# ifndef __sigset_t_defined# define __sigset_t_definedtypedef __sigset_t sigset_t; /* 信号集类型 */# endif# undef __need_sigset_t#endif#ifdef _SIGNAL_H#include <bits/types.h> /* 定义了一些扩展整数类型 */#include <bits/signum.h> /* 定义了C标准中的信号及其他一些信号 */#if defined __USE_XOPEN || defined __USE_XOPEN2K# ifndef __pid_t_definedtypedef __pid_t pid_t; /* 进程ID类型 */# define __pid_t_defined#endif#ifdef __USE_XOPEN# endif# ifndef __uid_t_definedtypedef __uid_t uid_t; /* 用户ID类型 */# define __uid_t_defined# endif#endif /* Unix98 *//* 信号处理函数类型 */typedef void (*__sighandler_t) (int);/* X/Open的signal定义指定SVID的语义。当需要X/Open兼容性时使用另外一个函数sysv_signal */extern __sighandler_t __sysv_signal (int __sig, __sighandler_t __handler) __THROW;#ifdef __USE_GNUextern __sighandler_t sysv_signal (int __sig, __sighandler_t __handler) __THROW;#endif/* 为信号SIG设置信号处理函数HANDLER，返回原来的信号处理函数，出错则返回SIG＿ERR 默认情况下signal拥有BSD风格的语义 */__BEGIN_NAMESPACE_STD#ifdef __USE_BSDextern __sighandler_t signal (int __sig, __sighandler_t __handler) __THROW;#else/* 确保使用的signal实现是SVID的版本 */# ifdef __REDIRECT_NTHextern __sighandler_t __REDIRECT_NTH (signal, (int __sig, __sighandler_t __handler), __sysv_signal);# else# define signal __sysv_signal# endif#endif__END_NAMESPACE_STD#ifdef __USE_XOPEN/* X/Open的signal定义与BSD的版本有冲突，因此它们定义定义另外一个函数bsd_singnal */extern __sighandler_t bsd_signal (int __sig, __sighandler_t __handler) __THROW;#endif/* 发送信号SIG给PID表示的这个进程。如果PID为0，则发送信号SIG给当前进程组的所有进程。 如果PID<-1，则发送SIG给PID表示的进程组中的所有进程 */#ifdef __USE_POSIXextern int kill (__pid_t __pid, int __sig) __THROW;#endif /* Use POSIX. */#if defined __USE_BSD || defined __USE_XOPEN_EXTENDED/* 发送信号SIG给进程组PGRP中的所有进程。如果PGRP为0，则发送信号SIG给 当前进程组的所有进程 */extern int killpg (__pid_t __pgrp, int __sig) __THROW;#endif /* Use BSD || X/Open Unix. */__BEGIN_NAMESPACE_STD/* 发送信号SIG。例如，发送SIG给你自己 */extern int raise (int __sig) __THROW;__END_NAMESPACE_STD/* 下面都是一些扩展或内部函数 */#endif /* signal.h */__END_DECLS#endif /* not signal.h */

    bits/signum.h代码如下：

/* bits/signum.h：信号码定义，Linux版本 */#ifdef _SIGNAL_H/* 伪信号函数 */#define SIG_ERR ((__sighandler_t) -1) /* 出错时返回 */#define SIG_DFL ((__sighandler_t) 0) /* 默认行为 */#define SIG_IGN ((__sighandler_t) 1) /* 忽略信号 */#ifdef __USE_UNIX98# define SIG_HOLD ((__sighandler_t) 2) /* 给信号加保留的掩码 */#endif/* 信号 */#define SIGHUP 1 /* 挂断 (POSIX). */#define SIGINT 2 /* 中断 (ANSI). */#define SIGQUIT 3 /* 退出 (POSIX). */#define SIGILL 4 /* 非法指令 (ANSI). */#define SIGTRAP 5 /* 跟踪捕捉 (POSIX). */#define SIGABRT 6 /* 异常终止，如调用abort (ANSI). */#define SIGIOT 6 /* 图像输出终端（IOT）陷阱 (4.2 BSD). */#define SIGBUS 7 /* 总线错误 (4.2 BSD). */#define SIGFPE 8 /* 浮点数异常 (ANSI). */#define SIGKILL 9 /* 杀死，此信号可解锁 (POSIX). */#define SIGUSR1 10 /* 用户定义信号1 (POSIX). */#define SIGSEGV 11 /* 段错误，即无效内存访问 (ANSI). */#define SIGUSR2 12 /* 用户定义信号2 (POSIX). */#define SIGPIPE 13 /* 管道错误 (POSIX). */#define SIGALRM 14 /* 时钟警告 (POSIX). */#define SIGTERM 15 /* 终止 (ANSI). */#define SIGSTKFLT 16 /* 堆栈故障 */#define SIGCLD SIGCHLD /* 等同于SIGCHLD (System V). */#define SIGCHLD 17 /* 子进程状态已经改变 (POSIX). */#define SIGCONT 18 /* 继续 (POSIX). */#define SIGSTOP 19 /* 停止，此信号可解锁 (POSIX). */#define SIGTSTP 20 /* 键盘发的停止信号 (POSIX). */#define SIGTTIN 21 /* 从tty进行后台读操作 (POSIX). */#define SIGTTOU 22 /* 后台写入tty (POSIX). */#define SIGURG 23 /* socket紧急状态 (4.2 BSD). */#define SIGXCPU 24 /* 超出CPU限制 (4.2 BSD). */#define SIGXFSZ 25 /* 超出文件大小限制 (4.2 BSD). */#define SIGVTALRM 26 /* 时钟虚拟警告 (4.2 BSD). */#define SIGPROF 27 /* 时钟Profiling警告 (4.2 BSD). */#define SIGWINCH 28 /* 窗口大小改变 (4.3 BSD, Sun). */#define SIGPOLL SIGIO /* 可移植的事件发生 (System V). */#define SIGIO 29 /* 可以执行I/O (4.2 BSD). */#define SIGPWR 30 /* 重启时电源失效 (System V). */#define SIGSYS 31 /* 错误的系统调用 */#define SIGUNUSED 31#define _NSIG 65 /* 最大的信号值+1（包括实时信号） */#define SIGRTMIN (__libc_current_sigrtmin ())#define SIGRTMAX (__libc_current_sigrtmax ())/* 这些是内核的硬限制。这些值不应该在用户级别使用 */#define __SIGRTMIN 32#define __SIGRTMAX (_NSIG - 1)#endif /* <signal.h> included. */

    signal函数和raise函数的实现：

/* signal.c：signal函数的实现 */#include <errno.h>#include <signal.h>/* 为信号SIG设置信号处理函数HANDLER，返回原来的信号处理函数，出错则返回SIG＿ERR */__sighandler_tsignal (sig, handler) int sig; __sighandler_t handler;{ __set_errno (ENOSYS); return SIG_ERR;}weak_alias (signal, ssignal)stub_warning (signal)stub_warning (ssignal)#include <stub-tag.h>

/* raise.c：raise函数的实现 */#include <signal.h>#include <errno.h>/* 发送SIG */intraise (sig) int sig;{ __set_errno (ENOSYS); return -1;}weak_alias (raise, gsignal)stub_warning (raise)stub_warning (gsignal)#include <stub-tag.h>

    注意signal和raise函数并没有做任何特别的实现，只是处理了一下出错时的情况（返回SIG_ERR，即-1）。真正的实现使用Linux中有对应功能的函数，signal直接映射到Linux的ssignal函数，raise直接映射到Linux的gsignal函数。