saneex.c: मानक C ++ अपवादों की तुलना में तेजी से setjmp / longjmp (C99) के आधार पर कोशिश / पकड़ / अंत में try

जब वह यह विशुद्ध रूप से तकनीकी लेख लिख रहा था, तो हबर डब्ल्यूएचओ के एक स्थानीय कार्यालय में बदल गया और अब मुझे इसे प्रकाशित करने में भी शर्म आ रही है ... लेकिन आत्मा में यह आशा गर्म है कि आईटी के लोग अभी तक नहीं भागे हैं और वह अपने पाठक को ढूंढेगा। या नहीं?

मुझे हमेशा मानक सी लाइब्रेरी द्वारा प्रशंसा मिली, और सी खुद - अपने सभी अतिसूक्ष्मवाद के साथ, यह अभी भी उन लोगों की भावना को उड़ा देता है जो पहले बहुत लाल आंखों हैकर । का मसौदा पहली आधिकारिक मानक (एएनएसआई सी, C89 उर्फ, उर्फ एएनएस X3.159-1989, बाद में, C90 और आईईसी 9899: 1990) 145 कार्यों और मैक्रो है, जो के बारे में 25 बदलाव होते रहते हैं (की कमी के कारण को परिभाषित करता है ओवरलोड की भाषा में), और 26 विशुद्ध रूप से गणितीय हैं। के एंड आर के दूसरे संस्करण में 114 कार्यों (प्लस गणितीय) का उल्लेख किया गया है, बाकी को विदेशी मानते हुए। में draft³ C11 वहाँ पहले से ही 348 कार्यों रहे हैं, लेकिन एक सौ से अधिक गणित कर रहे हैं, और 90 से अधिक कर रहे हैं "भार के"। अब आइए बूस्ट को देखें, जहां केवल 160 पुस्तकालय हैं । चूर मुझे…

और यह सौ और एक आधे कार्यों में वहाँ हमेशा थे: सिग्नल प्रोसेसिंग, परिवर्तन संबंधी कार्य (जो पीएचपी 25 साल बाद व्याख्या पहुंच गया, और डेल्फी, में जो एक समय में फलफूल रहा था, वे अभी भी याद कर रहे हैं) और इस तरह 50 स्ट्रिंग कार्यों के बारे में printf () ( mmm ... जावास्क्रिप्ट), स्ट्रैफ़टाइम () (...) और स्कैनफ़ () (रेगुलर का सस्ता विकल्प)।

और हमेशा सेटजम्प () / लॉन्गजम्प () होता है , जो आपको पोर्टेबल सी के दायरे से परे जाए बिना अन्य भाषाओं में परिचित अपवाद तंत्र को लागू करने की अनुमति देता है। यहाँ उनके बारे में बात की गई है - क्वेक वर्ल्ड , स्टैक, रजिस्टर, असेम्बलर्स और अन्य मैटरियल , और चेरी एक जिज्ञासु आँकड़ा है ( स्पॉइलर : विज़ुअल स्टूडियो निरंतर नहीं है, मार्च हैरे के रूप में और सभी के आधे समय में फेंक देते हैं saneex.c )।

विषय - सूची:

• कैसे setjmp () / longjmp () काम करता है
  
  • रजिस्टर, स्टैक और ऑल-ऑल-ऑल
  • मैशिंग चर या, रूसी में, क्लोबरिंग
  • वाष्पशील क्वालिफायर
  • IRL का उपयोग करने के मामले
• प्रदर्शन
  
  • परीक्षण का वातावरण
  • परिणाम
• उत्सव के कुलपति - saneex.c
  
  • बाकी "सुविधाएँ"
  • « »
  • :

,  — setjmp()/longjmp(), setjmp.h, «SJLJ» ( , ). C89 , -, , (  — ,  — ).

, , , zzeng. , , , ¹, , , ( , ), .

¹ CException  — 60 , , , ANSI C, finally , .

,  — , , , , , « ». (, , - «» , errno .  — , .)

, :

• , - , ( ,  — , if (error) return -1;)
• -  — , ,

. , .

setjmp()/longjmp()

, --

, longjmp() — goto, setjmp() — goto run-time. , «goto ». , , , goto,  — , goto . , - , (  — «try»).

, , , , setjmp.h ^W ? , setjmp() , (, , ). , , , . .

, , setjmp() — fork() POSIX . , *nix’ API WinAPI,  — , .  — « , ?»… .

, ,  — , () .  — ( Intel’ — ),  — ( Intel’ — -, ). :

void sub(int s) {
  char buf[256];
  sub(2);
}

int main(int m) {
  sub(1);
}

 — tcc (Tiny C Compiler) - . . tcc . sub() ( Intel, ):

sub     esp, 100h       ;     
mov     eax, 2          ;  
push    eax
call    sub_401000      ;  sub()
add     esp, 4          ;     (= cdecl)

:

 — ( Intel… , ). ESP (RSP x86_64). setjmp() ESP/RSP, , jmp_buf, . longjmp() ( ) — , , setjmp(), (). , «undo» (, ).

setjmp() jmp FEF8h (FDF0h .. — ) , :

void sub(int s) {
  char buf[256];
  jmp_buf jmp;
  setjmp(jmp);
  sub(2);
}

, , ™:

• (setjmp() , longjmp() ), , ,
• , setjmp(), , «»  — undefined behavior ( )

•  — , , ! — , , , setjmp() , longjmp() , setjmp()

, -, clobbering

. :

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <setjmp.h>

int main(void) {
  int i;
  jmp_buf jmp;
  i = rand();
  if (setjmp(jmp) == 0) {
    i = rand();
    printf("%d\n", i);
    longjmp(jmp, 1);
  } else {
    printf("%d\n", i);
  }
}

: ?

: . -!

, gcc. -O0, , :

; int main(void) {
  push    ebp             ;  ( stack frame)
  mov     ebp, esp        ; EBP     ESP (  )
  sub     esp, E0h
  ...
  call    _rand           ;    EAX
  mov     [ebp-D4h], eax  ;  i = rand();  i   (EBP-D4h)
  ...
; if (... == 0) {         ;  setjmp()      
  call    _rand
  mov     [ebp-D4h], eax  ;  i = rand();  
; printf("%d\n", i);
  mov     eax, [ebp-D4h]  ;  i    
  mov     esi, eax
  lea     edi, format     ;   "%d\n"
  mov     eax, 0
  call    _printf
  ...
; } else {                ;    setjmp()  
  mov     eax, [ebp-D4h]  ;   i,    
  mov     esi, eax
  lea     edi, format     ; "%d\n"
  mov     eax, 0
  call    _printf

, i ( EBP - D4h). , :

• 256 char int jmp_buf, 4 200 , 20 - , 224 (E0h) 100h,
• ESP setjmp() FFF8h - E0h = FF18h ( FEF8h), jmp
  
  • , ,
• i, i ( FF18h)
• longjmp() FF18h, , i , - , (jmp), main() ( )
  
  • ESP , longjmp() , main()

-O1, :

;   stack frame  ,   ESP 
  sub     esp, E8h
  ...
  call    _rand
  mov     [esp+E8h-DCh], eax  ; i = rand();  ,    -O0
  ...
; -O1 - ,   else  , 
; if (setjmp() == 0) ( - ),  
;  ;       
; if (... == 0) {
  call    _rand
  mov     esi, eax            ; !  i  
; printf("%d\n", i);
  lea     edi, format     ; "%d\n"
  mov     eax, 0
  call    _printf
  ...
; } else {
  mov     esi, [esp+E8h-DCh]  ; !  i  
  lea     edi, format     ; "%d\n"
  mov     eax, 0
  call    _printf

, -O1 gcc :

test.c:6:11: warning: variable ‘i’ might be clobbered by ‘longjmp’ or ‘vfork’ [-Wclobbered]

? i , ( if) gcc, i printf(), ESI, ( ESI printf(), . ABI, . 22 — RDI (format), RSI (i), …). - :

• ESP + E8h - DCh rand()
• ESI
• printf() ( ) ()
• longjmp() , ,
• printf() ( else) , , ,
  
  • ESI, (, printf() longjmp())

, :

stack[i] = rand();          // i = rand();   (1)
if (setjmp(jmp) == 0) {
  ESI = rand();             // i = rand();   (2)
  printf("%d\n", ESI);      //   (2)
  longjmp(jmp, 1);          // 
} else {
  printf("%d\n", stack[i]); //   (1)
  //     :
  printf("%d\n", ESI);      //  ,   -
                            // "" ( printf()  longjmp())
}

volatile

« » — volatile ( — «»). , , , :

volatile int i;

-O1 if:

; :
  call    _rand
  mov     esi, eax
; :
  call    _rand
  mov     [rsp+E8h-DCh], eax
  mov     esi, [rsp+E8h-DCh]
;    :
  call    _rand
  mov     esi, eax
  mov     [rsp+E8h-DCh], eax

, ():

if (setjmp(jmp) == 0) {
  ESI = stack[i] = rand();

IRL

,  — -volatile , SJLJ .  — , SJLJ :

• (  — , ldir )
• alexkalmuk - SJLJ (+ ), dzeban — Linux
• (: Atakua), x86emu (NWOcs) libpng ( libjpeg-turbo )
• 2017 Skapix pthreads, kutelev —
• , Symbian
• Quake World  — . PatientZero , , ( )

, ,  — , « », , , - (). , DrMefistO.

Quake World WinMain(), jmp_buf, , « continue»:

// WinQuake/host.c
jmp_buf         host_abortserver;

void Host_EndGame (char *message, ...)
{
  ...

  if (cls.demonum != -1)
    CL_NextDemo ();
  else
    CL_Disconnect ();

  longjmp (host_abortserver, 1);
}

void Host_Error (char *error, ...)
{
  ...

  if (cls.state == ca_dedicated)
    Sys_Error ("Host_Error: %s\n",string);  // dedicated servers exit

  CL_Disconnect ();
  cls.demonum = -1;

  inerror = false;

  longjmp (host_abortserver, 1);
}

void _Host_Frame (float time)
{
  static double           time1 = 0;
  static double           time2 = 0;
  static double           time3 = 0;
  int                     pass1, pass2, pass3;

  if (setjmp (host_abortserver) )
    return;                 // something bad happened, or the server disconnected

  ...
}

// QW/client/sys_win.c
int WINAPI WinMain (...)
{
  ...

  while (1)
  {
    ...
    newtime = Sys_DoubleTime ();
    time = newtime - oldtime;
    Host_Frame (time);
    oldtime = newtime;
  }

  /* return success of application */
  return TRUE;
}

,  — . , setjmp() glibc , . :

• , , SJLJ/saneex.c
• -…- (, ) , -  — ,
• ,  — zero-cost exceptions (, , zero-cost try), try, () — goto , , , «» , -,

«» zero-cost exceptions , volatile-, , ( longjmp()). , :

• Windows SEH VEH, XP.
• gcc  — SJLJ, DWARF, (DWARF clang). . zzeng: , dwarfstd.org.
• nuit libunwind,  — ( ).

, saneex.c zero-cost (  — ), setjmp(), ? , ?  — .

« », main() 100 try/catch throw().

C:

#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include "saneex.h"

int main(void) {
  for (int i = 0; i < 100000; i++) {
    try {
      //  ("" = ):
      throw(msgex("A quick fox jumped over a red dog and a nyancat was spawned"));
      //  ("" = ):
      time(NULL);
    } catchall {
      fprintf(stderr, "%s\n", curex().message);
    } endtry
  }
}

++ ( , cerr << fprintf()):

#include <iostream>
#include <vector>
#include <stdexcept>
#include <time.h>

int main() {
  std::vector<int> vec{ 3, 4, 3, 1 };

  for (int i = 0; i < 100000; i++) {
    try {
      //  ("" = ):
      int i{ vec.at(4) };
      //  ("" = ):
      time(NULL);
    }
    catch (std::out_of_range & e) {
      // <<  fprintf()     25-50%
      //std::cerr << "Accessing a non-existent element: " << e.what() << '\n';
      fprintf(stderr, "%s\n", e.what());
    }
    catch (std::exception & e) {
      //std::cerr << "Exception thrown: " << e.what() << '\n';
      fprintf(stderr, "%s\n", e.what());
    }
    catch (...) {
      //std::cerr << "Some fatal error\n";
      fprintf(stderr, "Some fatal error");
    }
  }

  return 0;
}

( 64-):

• Windows 10 2019 LTSC PowerShell Measure-Command { test.exe 2>$null }
• Live CD Ubuntu time

Windows __try/__except, :

#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#include <vector>

int filterExpression(EXCEPTION_POINTERS* ep) {
  ep->ContextRecord->Eip += 8;
  return EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER;
}

int main() {
  static int zero;
  for (int i = 0; i < 100000; i++) {
    __try {
      zero = 1 / zero;
      __asm {
        nop
        nop
        nop
        nop
        nop
        nop
        nop
      }
      printf("Past the exception.\n");
    }
    __except (filterExpression(GetExceptionInformation())) {
      printf("Handler called.\n");
    }
  }
}

 — , :

error C2712: Cannot use __try in functions that require object unwinding

, , . 1100-1300 (Debug Release, x86) — , VS, , g++.

№                     ()¹           saneex 

1.  VS 2019 v16.0.0   Debug     x64   saneex.c        9713  / 8728  = 1.1    1.8 / 1.8
2.  VS 2019 v16.0.0   Debug     x64   saneex.c       95    / 46    = 2      4.5 / 2.3
3.  VS 2019 v16.0.0   Debug     x64   C++             5449  / 4750² = 1.6
4.  VS 2019 v16.0.0   Debug     x64   C++            21    / 20    = 1
5.  VS 2019 v16.0.0   Release   x64   saneex.c        8542³ / 182   = 47     1.8 / 0.4
6.  VS 2019 v16.0.0   Release   x64   saneex.c       80³   / 23    = 3.5    8   / 1.8
7.  VS 2019 v16.0.0   Release   x64   C++             4669³ / 420   = 11
8.  VS 2019 v16.0.0   Release   x64   C++            10³   / 13    = 0.8
9.  gcc 9.2.1         -O0       x64   saneex.c        71    / 351   = 0.2    0.2 / 0.6
10. gcc 9.2.1         -O0       x64   saneex.c       6     / 39    = 0.2    1.5 / 1.1
11. g++ 9.2.1         -O0       x64   C++             378   / 630   = 0.6
12. g++ 9.2.1         -O0       x64   C++            4     / 37    = 0.1
13. gcc 9.2.1         -O3       x64   saneex.c        66    / 360   = 0.2    0.2 / 0.6
14. gcc 9.2.1         -O3       x64   saneex.c       5     / 23    = 0.2    1   / 0.6
15. g++ 9.2.1         -O3       x64   C++             356   / 605   = 0.6
16. g++ 9.2.1         -O3       x64   C++            5     / 38    = 0.1

… :

• / «» VS.  — .
• cerr << fprintf() VS 3-4 ( 3). ?
• try throw — (4-28 100 ).
• «» Debug VS, saneex.c , ( 2.3 VS, 5 gcc/g++), try throw — , . !

… . !

use-case — try throw (« , »), setjmp(), , , , . , , setjmp() OpenBSD (1.45) — Solaris. 2005 . «» — , .

, …

 — saneex.c

, :

• Visual Studio
• , throw() , finally catch ( )
• ( static)
• - (__thread/_Thread_local)
• public domain (CC0)

GitHub. , . saneex-demo.c :

01.    #include <stdio.h>
02.    #include "saneex.h"
03.
04.    int main(void) {
05.      sxTag = "SaneC's Exceptions Demo";
06.
07.      try {
08.        printf("Enter a message to fail with: [] [1] [2] [!] ");
09.
10.        char msg[50];
11.        thrif(!fgets(msg, sizeof(msg), stdin), "fgets() error");
12.
13.        int i = strlen(msg) - 1;
14.        while (i >= 0 && msg[i] <= ' ') { msg[i--] = 0; }
15.
16.        if (msg[0]) {
17.          errno = atoi(msg);
18.          struct SxTraceEntry e = newex();
19.          e = sxprintf(e, "Your message: %s", msg);
20.          e.uncatchable = msg[0] == '!';
21.          throw(e);
22.        }
23.
24.        puts("End of try body");
25.
26.      } catch (1) {
27.        puts("Caught in catch (1)");
28.        sxPrintTrace();
29.
30.      } catch (2) {
31.        puts("Caught in catch (2)");
32.        errno = 123;
33.        rethrow(msgex("calling rethrow() with code 123"));
34.
35.      } catchall {
36.        printf("Caught in catchall, message is: %s\n", curex().message);
37.
38.      } finally {
39.        puts("Now in finally");
40.
41.      } endtry
42.
43.      puts("End of main()");
44.    }

, :

•  — , :

End of try body
Now in finally
End of main()

• , , (1), catch (1) (26.), :

Caught in catch (1)
Your message: 1 hello, habr!
    ...at saneex-demo.c:18, code 1
Now in finally
End of main()

• , (30.), ( , ) (33.), :

Caught in catch (2)
Now in finally

Uncaught exception (code 123) - terminating. Tag: SaneC's Exceptions Demo
Your message: 2 TM! kak tam blok4ain?
    ...at saneex-demo.c:18, code 2
calling rethrow() with code 123
    ...at saneex-demo.c:33, code 123
rethrown by ENDTRY
    ...at saneex-demo.c:41, code 123

• !, «» (uncatchable; 20.) — try , ( catch, finally),  — abort():

Caught in catch (1)
Your message: ! it is a good day to die
    ...UNCATCHABLE at saneex-demo.c:18, code 0
Now in finally

Uncaught exception (code 0) - terminating. Tag: SaneC's Exceptions Demo
Your message: ! it is a good day to die
    ...UNCATCHABLE at saneex-demo.c:18, code 0
UNCATCHABLE rethrown by ENDTRY
    ...at saneex-demo.c:41, code 0

• , , catchall (35.), :

Caught in catchall, message is: Your message: 3 we need more gold
Now in finally
End of main()

«»

. , ( MSVC¹), C11 (TLS):

#define SX_THREAD_LOCAL _Thread_local

¹ Microsoft - open source, , , 8 , .

sxTag (05.) — , stderr.  — (__DATE__ __TIME__).

SxTraceEntry ( stack trace).  — (struct SxTraceEntry) {...}:

• newex() — ; __FILE__, __LINE__ = errno ( , fgets(); 11.)
  
  • 1 1 ( setjmp() 0 ), catch (0)
• msgex(m) — newex(), ( )
• exex(m, e) — msgex(), ; free() :

try {
  TimeoutException *e = malloc(sizeof(*e));
  e->elapsed = timeElapsed;
  e->limit = MAX_TIMEOUT;
  errno = 146;
  throw(exex("Connection timed out", e));
} catch (146) {
  printf("%s after %d\n", curex().message,
    //   void *SxTraceEntry.extra:
    ((TimeoutException *) curex().extra)->elapsed);
} endtry

, , designated initializers C99 ( Visual Studio 2013+):

throw( (struct SxTraceEntry) {.message = "kaboom!"} );

:

• throw(e) — SxTraceEntry
• rethrow(e) — throw(), stack trace; catch/catchall
• thrif(x, m) — ; if (x) SxTraceEntry x + m «»
• thri(x) — thrif(), m

«»  — fgets() (11.), . fgets() ( EOF: ./a.out </dev/null), . :

thri(read(0xBaaD, buf, nbyte));
// errno = 9, "Bad file descriptor"
// Assertion error: read(0xBaaD, buf, nbyte);

… « »

( !):

• endtry — ( try)
  
  • , , , try {, endtry
• return try endtry — , ; PR
  
  • , goto , - ? </sarcasm>

«», volatile. «»  — (. longjmp()), , try, catch/catchall/finally endtry, volatile. . :

int foo = 1;
try {
  foo = 2;
  //    foo
} catchall {
  //    !
} finally {
  //   !
} endtry
//   !

volatile :

volatile int foo = 1;
try {
  ...

:

- () :

• struct SxTryContext — try,  — , jmp_buf ; , :

try {
  try {
    //  
  } endtry
} endtry

• struct SxTraceEntry — stack trace, , ; , try:

try {         //  SxTryContext
  try {       //  SxTryContext
              //  SxTraceEntry
    throw(msgex(" !"));
              //  SxTraceEntry
  } catchall {
              //  SxTraceEntry
    rethrow(msgex("   !"));
              //  SxTraceEntry (*)
  } endtry
} endtry

rethrow() throw(), SxTraceEntry (*) ,  — (stack trace ). , sxAddTraceEntry(e).

कोशिश करो और अन्य संरचनात्मक तत्व मैक्रोज़ (- आपके केओ ) हैं। { }उनके बाद ब्रैकेट वैकल्पिक हैं। अंत में, यह सभी निम्नलिखित छद्म कोड को उबालता है:

try {                             int _sxLastJumpCode = setjmp(add_context()¹);
                                  bool handled = false;
                                  if (_sxLastJumpCode == 0) {
  throw(msgex("Mama mia!"));        clearTrace();
                                    sxAddTraceEntry(msgex(...));
                                    if (count_contexts() == 0) {
                                      fprintf(stderr, "Shurik, vs propalo!");
                                      sxPrintTrace();
                                      exit(curex().code);
                                    } else {
                                      longjmp(top_context());
                                    }
} catch (9000) {                  } else if (_sxLastJumpCode == 9000) {
                                    handled = true;
} catchall {                      } else {
                                    handled = true;
} finally {                       }
                                  //    finally { }
} endtry                          remove_context();
                                  if (!handled) {
                                    //    throw()
                                  }

¹ पुस्तकालय में _ के साथ नाम का उपयोग नहीं किया गया है, वे सार हैं।

मुझे लगता है, एसजेएलजे कैसे काम करता है, इसकी विस्तृत व्याख्या के बाद , यहाँ टिप्पणी करने के लिए कुछ और अनावश्यक है, इसलिए मुझे छुट्टी लेने और पहले से ही आपको मंजिल देने की आवश्यकता है।