C言語でsetjmp/longjmp関数の使い方を教えて！
こういった悩みにお答えします．
本記事の信頼性
- リアルタイムシステムの研究歴12年．
- 東大教員の時に，英語でOS（Linuxカーネル）の授業．
- 2012年9月～2013年8月にアメリカのノースカロライナ大学チャペルヒル校（UNC）コンピュータサイエンス学部で客員研究員として勤務．C言語でリアルタイムLinuxの研究開発．
- プログラミング歴15年以上，習得している言語: C/C++，Python，Solidity/Vyper，Java，Ruby，Go，Rust，D，HTML/CSS/JS/PHP，MATLAB，Assembler (x64，ARM)．
- 東大教員の時に，C++言語で開発した「LLVMコンパイラの拡張」，C言語で開発した独自のリアルタイムOS「Mcube Kernel」をGitHubにオープンソースとして公開．
- 2020年1月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるGuarantee Happiness LLCのCTOとしてECサイト開発やWeb/SNSマーケティングの業務．2022年6月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるJapanese Tar Heel, Inc.のCEO兼CTO．
- 最近は自然言語処理AIとイーサリアムに関する有益な情報発信に従事．
- （AI全般を含む）自然言語処理AIの論文の日本語訳や，AIチャットボット（ChatGPT，Auto-GPT，Gemini（旧Bard）など）の記事を50本以上執筆．アメリカのサンフランシスコ（広義のシリコンバレー）の会社でプロンプトエンジニア・マネージャー・Quality Assurance（QA）の業務委託の経験あり．
- （スマートコントラクトのプログラミングを含む）イーサリアムや仮想通貨全般の記事を200本以上執筆．イギリスのロンドンの会社で仮想通貨の英語の記事を日本語に翻訳する業務委託の経験あり．
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setjmp/longjmp関数
setjmp/longjmp関数は，他の関数（グローバル）にジャンプ（移動）するgoto文を実行する方法です．
goto文は，同じ関数内（ローカル）でしか利用できませんが，setjmp/longjmp関数は他の関数にジャンプできます．
setjmp/longjmp関数は，goto文と同様に同じ関数内のジャンプにも利用できます．
goto文は一般的には禁じ手ですが，有用な3つの例外を知りたいあなたはこちらからどうぞ．
setjmp関数にはsigsetjmp関数，longjmp関数にはsiglongjmp関数という派生関数がありますので，それぞれ解説していきます．
setjmp/longjmp関数，sigsetjmp/siglongjmp関数
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int setjmp(jmp_buf env); void longjmp(jmp_buf env, int val); int sigsetjmp(sigjmp_buf env, int savesigs); void siglongjmp(sigjmp_buf env, int val); |
setjmp関数は，longjmp関数により利用されるenvにスタック情報を保存します．
setjmp関数を呼び出した関数が返る時に，そのスタックコンテキストは無効になります．
sigsetjmp関数はsetjmp関数と似ていて，savesigsが0以外の場合，このプロセスの現在のシグナルマスクもenvに保存され，このシグナルは後でsiglongjmp関数がenvで実行された際に復帰されます．
返り値は，直接返す場合はsetjmp/sigsetjmp関数は0を返し，保存したコンテキストを使ってlongjmp/siglongjmp関数から返る時は第2引数valで設定した値（直接返す場合と区別するために0以外を設定すべき）を返します．
volatile修飾子がない自動変数が，setjmp関数の呼び出しと，longjmp関数の呼び出しとの間で変更された場合，復帰後の値は不定になることに注意して下さい．
この理由は，自動変数がスタック（メモリ）ではなくレジスタに保存される可能性があり，レジスタの内容はsetjmp関数で保存しないからです．
setjmp/longjmp関数の使い方
setjmp/longjmp関数の使い方は以下になります．
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/* * Author: Hiroyuki Chishiro * License: 2-Clause BSD */ #include <stdio.h> #include <setjmp.h> jmp_buf env; int e = 50; void func(void) { printf("func()\n"); e++; printf("call longjmp()\n"); longjmp(env, 1); /* not reached. */ } int main(void) { volatile int a = 10; int b = 20; register int c = 30; static int d = 40; printf("call setjmp()\n"); if (setjmp(env) == 0) { printf("save context information by setjmp()\n"); a++; b++; c++; d++; func(); } else { printf("restore context information by setjmp()\n"); printf("a = %d, b = %d, c = %d, d = %d, e = %d\n", a, b, c, d, e); } return 0; } |
実行結果は以下になります．
setjmp/longjmp関数の動作は複雑なので，printf関数で手順がわかるように表示しています．
変数の初期値は，a = 10，b = 20，c = 30，d = 40，e = 50ですが，全て正常にインクリメントされて，a = 11，b = 21，c = 31，d = 41，e = 51になっていることがわかります．
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$ gcc setjmp_and_longjmp.c $ a.out call setjmp() save context information by setjmp() func() call longjmp() restore context information by setjmp() a = 11, b = 21, c = 31, d = 41, e = 51 |
次に，コンパイラの最適化オプション（-O2）を付けてコンパイルして実行してみましょう．
実行結果は以下になります．
volatileが付いている自動変数a，静的変数d，グローバル変数eは正常にインクリメントされましたが，volatileが付いていない自動変数bとcは初期値のままになっていることがわかります．
このように自動変数にvolatileを付けない場合，コンパイラの最適化オプションにより正常に動作しない可能性があることに注意しましょう．
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$ gcc setjmp_and_longjmp.c -O2 $ a.out call setjmp() save context information by setjmp() func() call longjmp() restore context information by setjmp() a = 11, b = 20, c = 30, d = 41, e = 51 |
sigsetjmp/siglongjmp関数の使い方
sigsetjmp/siglongjmp関数の使い方は以下になります．
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/* * Author: Hiroyuki Chishiro * License: 2-Clause BSD */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <setjmp.h> #include <signal.h> #include <unistd.h> #define MAX_SIGINT_SIGNALS 3 #define MESSAGE "sigint_handler() is called.\n" sigjmp_buf env; static volatile sig_atomic_t nr_sigint_signals = 0; void sigint_handler(int signo) { write(1, MESSAGE, sizeof(MESSAGE)); nr_sigint_signals++; siglongjmp(env, 1); /* not reached. */ } int main(void) { struct sigaction action, old_action; memset(&action, 0, sizeof(struct sigaction)); memset(&old_action, 0, sizeof(struct sigaction)); action.sa_handler = sigint_handler; action.sa_flags = 0; if (sigaction(SIGINT, &action, &old_action) == -1) { perror("sigaction"); exit(1); } if (sigsetjmp(env, 1) != 0) { fprintf(stderr, "return to main loop due to Ctrl-C (^C).\n"); } printf("wait for Ctrl-C (^C).\n"); while (nr_sigint_signals < MAX_SIGINT_SIGNALS) { } if (sigaction(SIGALRM, &old_action, NULL) == -1) { perror("sigaction"); exit(2); } return 0; } |
実行結果は以下になります．
実行すると3行目の「wait for Ctrl-C (^C).」が表示されます．
Ctrl-Cを入力するとSIGINTが発生し，4行目の「sigint_handler() is called.」，5行目の「return to main loop due to Ctrl-C (^C).」，6行目の「wait for Ctrl-C (^C).」が表示されます．
Ctrl-CをMAX_SIGINT_SIGNALS回（3回）入力すると実行が終了します．
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$ gcc sigsetjmp_and_siglongjmp.c $ a.out wait for Ctrl-C (^C). ^Csigint_handler() is called. return to main loop due to Ctrl-C (^C). wait for Ctrl-C (^C). ^Csigint_handler() is called. return to main loop due to Ctrl-C (^C). wait for Ctrl-C (^C). ^Csigint_handler() is called. return to main loop due to Ctrl-C (^C). wait for Ctrl-C (^C). |
sigsetjmp/siglongjmp関数の使い方のコードをsetjmp/longjmp関数で書き換えたコード
sigsetjmp/siglongjmp関数の使い方のコードをsetjmp/longjmp関数で書き換えたらどうなるのか気になりますよね．
実際に書き換えたコードは以下になります．
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/* * Author: Hiroyuki Chishiro * License: 2-Clause BSD */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <setjmp.h> #include <signal.h> #include <unistd.h> #define MAX_SIGINT_SIGNALS 3 #define MESSAGE "sigint_handler() is called.\n" sigjmp_buf env; static volatile sig_atomic_t nr_sigint_signals = 0; void sigint_handler(int signo) { write(1, MESSAGE, sizeof(MESSAGE)); nr_sigint_signals++; longjmp(env, 1); /* not reached. */ } int main(void) { struct sigaction action, old_action; memset(&action, 0, sizeof(struct sigaction)); memset(&old_action, 0, sizeof(struct sigaction)); action.sa_handler = sigint_handler; action.sa_flags = 0; if (sigaction(SIGINT, &action, &old_action) == -1) { perror("sigaction"); exit(1); } if (setjmp(env) != 0) { fprintf(stderr, "return to main loop due to Ctrl-C (^C).\n"); } printf("wait for Ctrl-C (^C).\n"); while (nr_sigint_signals < MAX_SIGINT_SIGNALS) { } if (sigaction(SIGALRM, &old_action, NULL) == -1) { perror("sigaction"); exit(2); } return 0; } |
実行結果は以下になります．
実行すると3行目の「wait for Ctrl-C (^C).」が表示されます．
Ctrl-Cを入力するとSIGINTが発生し，4行目の「sigint_handler() is called.」，5行目の「return to main loop due to Ctrl-C (^C).」，6行目の「wait for Ctrl-C (^C).」が表示されます．
しかし，その後にCtrl-Cを入力してもSIGINTが発生しないことがわかります．
この理由は，setjmp/longjmp関数はシグナルマスクの保存や復帰に対応していないからです．
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$ gcc setjmp_and_longjmp2.c $ a.out wait for Ctrl-C (^C). ^Csigint_handler() is called. return to main loop due to Ctrl-C (^C). wait for Ctrl-C (^C). ^C^C |
まとめ
C言語でsetjmp/longjmp関数の使い方を紹介しました．
また，sigsetjmp/siglongjmp関数の使い方とsetjmp/longjmp関数との違いについて解説しました．
setjmp/longjmp関数，sigsetjmp/siglongjmp関数は複雑ですが，正しく使いこなしましょう！
C言語を独学で習得することは難しいです．
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