nptl: Remove __ASSUME_PRIVATE_FUTEX
[glibc.git] / manual / setjmp.texi
blob3ce202d0244893247da306efc269eab14b3f1d09
1 @node Non-Local Exits, Signal Handling, Resource Usage And Limitation, Top
2 @c %MENU% Jumping out of nested function calls
3 @chapter Non-Local Exits
4 @cindex non-local exits
5 @cindex long jumps
7 Sometimes when your program detects an unusual situation inside a deeply
8 nested set of function calls, you would like to be able to immediately
9 return to an outer level of control.  This section describes how you can
10 do such @dfn{non-local exits} using the @code{setjmp} and @code{longjmp}
11 functions.
13 @menu
14 * Intro: Non-Local Intro.        When and how to use these facilities.
15 * Details: Non-Local Details.    Functions for non-local exits.
16 * Non-Local Exits and Signals::  Portability issues.
17 * System V contexts::            Complete context control a la System V.
18 @end menu
20 @node Non-Local Intro, Non-Local Details,  , Non-Local Exits
21 @section Introduction to Non-Local Exits
23 As an example of a situation where a non-local exit can be useful,
24 suppose you have an interactive program that has a ``main loop'' that
25 prompts for and executes commands.  Suppose the ``read'' command reads
26 input from a file, doing some lexical analysis and parsing of the input
27 while processing it.  If a low-level input error is detected, it would
28 be useful to be able to return immediately to the ``main loop'' instead
29 of having to make each of the lexical analysis, parsing, and processing
30 phases all have to explicitly deal with error situations initially
31 detected by nested calls.
33 (On the other hand, if each of these phases has to do a substantial
34 amount of cleanup when it exits---such as closing files, deallocating
35 buffers or other data structures, and the like---then it can be more
36 appropriate to do a normal return and have each phase do its own
37 cleanup, because a non-local exit would bypass the intervening phases and
38 their associated cleanup code entirely.  Alternatively, you could use a
39 non-local exit but do the cleanup explicitly either before or after
40 returning to the ``main loop''.)
42 In some ways, a non-local exit is similar to using the @samp{return}
43 statement to return from a function.  But while @samp{return} abandons
44 only a single function call, transferring control back to the point at
45 which it was called, a non-local exit can potentially abandon many
46 levels of nested function calls.
48 You identify return points for non-local exits by calling the function
49 @code{setjmp}.  This function saves information about the execution
50 environment in which the call to @code{setjmp} appears in an object of
51 type @code{jmp_buf}.  Execution of the program continues normally after
52 the call to @code{setjmp}, but if an exit is later made to this return
53 point by calling @code{longjmp} with the corresponding @w{@code{jmp_buf}}
54 object, control is transferred back to the point where @code{setjmp} was
55 called.  The return value from @code{setjmp} is used to distinguish
56 between an ordinary return and a return made by a call to
57 @code{longjmp}, so calls to @code{setjmp} usually appear in an @samp{if}
58 statement.
60 Here is how the example program described above might be set up:
62 @smallexample
63 @include setjmp.c.texi
64 @end smallexample
66 The function @code{abort_to_main_loop} causes an immediate transfer of
67 control back to the main loop of the program, no matter where it is
68 called from.
70 The flow of control inside the @code{main} function may appear a little
71 mysterious at first, but it is actually a common idiom with
72 @code{setjmp}.  A normal call to @code{setjmp} returns zero, so the
73 ``else'' clause of the conditional is executed.  If
74 @code{abort_to_main_loop} is called somewhere within the execution of
75 @code{do_command}, then it actually appears as if the @emph{same} call
76 to @code{setjmp} in @code{main} were returning a second time with a value
77 of @code{-1}.
79 @need 250
80 So, the general pattern for using @code{setjmp} looks something like:
82 @smallexample
83 if (setjmp (@var{buffer}))
84   /* @r{Code to clean up after premature return.} */
85   @dots{}
86 else
87   /* @r{Code to be executed normally after setting up the return point.} */
88   @dots{}
89 @end smallexample
91 @node Non-Local Details, Non-Local Exits and Signals, Non-Local Intro, Non-Local Exits
92 @section Details of Non-Local Exits
94 Here are the details on the functions and data structures used for
95 performing non-local exits.  These facilities are declared in
96 @file{setjmp.h}.
97 @pindex setjmp.h
99 @deftp {Data Type} jmp_buf
100 @standards{ISO, setjmp.h}
101 Objects of type @code{jmp_buf} hold the state information to
102 be restored by a non-local exit.  The contents of a @code{jmp_buf}
103 identify a specific place to return to.
104 @end deftp
106 @deftypefn Macro int setjmp (jmp_buf @var{state})
107 @standards{ISO, setjmp.h}
108 @safety{@prelim{}@mtsafe{}@assafe{}@acsafe{}}
109 @c _setjmp ok
110 @c  __sigsetjmp(!savemask) ok
111 @c   __sigjmp_save(!savemask) ok, does not call sigprocmask
112 When called normally, @code{setjmp} stores information about the
113 execution state of the program in @var{state} and returns zero.  If
114 @code{longjmp} is later used to perform a non-local exit to this
115 @var{state}, @code{setjmp} returns a nonzero value.
116 @end deftypefn
118 @deftypefun void longjmp (jmp_buf @var{state}, int @var{value})
119 @standards{ISO, setjmp.h}
120 @safety{@prelim{}@mtsafe{}@asunsafe{@ascuplugin{} @asucorrupt{} @asulock{/hurd}}@acunsafe{@acucorrupt{} @aculock{/hurd}}}
121 @c __libc_siglongjmp @ascuplugin @asucorrupt @asulock/hurd @acucorrupt @aculock/hurd
122 @c  _longjmp_unwind @ascuplugin @asucorrupt @acucorrupt
123 @c   __pthread_cleanup_upto @ascuplugin @asucorrupt @acucorrupt
124 @c     plugins may be unsafe themselves, but even if they weren't, this
125 @c     function isn't robust WRT async signals and cancellation:
126 @c     cleanups aren't taken off the stack right away, only after all
127 @c     cleanups have been run.  This means that async-cancelling
128 @c     longjmp, or interrupting longjmp with an async signal handler
129 @c     that calls longjmp may run the same cleanups multiple times.
130 @c    _JMPBUF_UNWINDS_ADJ ok
131 @c    *cleanup_buf->__routine @ascuplugin
132 @c  sigprocmask(SIG_SETMASK) dup @asulock/hurd @aculock/hurd
133 @c  __longjmp ok
134 This function restores current execution to the state saved in
135 @var{state}, and continues execution from the call to @code{setjmp} that
136 established that return point.  Returning from @code{setjmp} by means of
137 @code{longjmp} returns the @var{value} argument that was passed to
138 @code{longjmp}, rather than @code{0}.  (But if @var{value} is given as
139 @code{0}, @code{setjmp} returns @code{1}).@refill
140 @end deftypefun
142 There are a lot of obscure but important restrictions on the use of
143 @code{setjmp} and @code{longjmp}.  Most of these restrictions are
144 present because non-local exits require a fair amount of magic on the
145 part of the C compiler and can interact with other parts of the language
146 in strange ways.
148 The @code{setjmp} function is actually a macro without an actual
149 function definition, so you shouldn't try to @samp{#undef} it or take
150 its address.  In addition, calls to @code{setjmp} are safe in only the
151 following contexts:
153 @itemize @bullet
154 @item
155 As the test expression of a selection or iteration
156 statement (such as @samp{if}, @samp{switch}, or @samp{while}).
158 @item
159 As one operand of an equality or comparison operator that appears as the
160 test expression of a selection or iteration statement.  The other
161 operand must be an integer constant expression.
163 @item
164 As the operand of a unary @samp{!} operator, that appears as the
165 test expression of a selection or iteration statement.
167 @item
168 By itself as an expression statement.
169 @end itemize
171 Return points are valid only during the dynamic extent of the function
172 that called @code{setjmp} to establish them.  If you @code{longjmp} to
173 a return point that was established in a function that has already
174 returned, unpredictable and disastrous things are likely to happen.
176 You should use a nonzero @var{value} argument to @code{longjmp}.  While
177 @code{longjmp} refuses to pass back a zero argument as the return value
178 from @code{setjmp}, this is intended as a safety net against accidental
179 misuse and is not really good programming style.
181 When you perform a non-local exit, accessible objects generally retain
182 whatever values they had at the time @code{longjmp} was called.  The
183 exception is that the values of automatic variables local to the
184 function containing the @code{setjmp} call that have been changed since
185 the call to @code{setjmp} are indeterminate, unless you have declared
186 them @code{volatile}.
188 @node Non-Local Exits and Signals, System V contexts, Non-Local Details, Non-Local Exits
189 @section Non-Local Exits and Signals
191 In BSD Unix systems, @code{setjmp} and @code{longjmp} also save and
192 restore the set of blocked signals; see @ref{Blocking Signals}.  However,
193 the POSIX.1 standard requires @code{setjmp} and @code{longjmp} not to
194 change the set of blocked signals, and provides an additional pair of
195 functions (@code{sigsetjmp} and @code{siglongjmp}) to get the BSD
196 behavior.
198 The behavior of @code{setjmp} and @code{longjmp} in @theglibc{} is
199 controlled by feature test macros; see @ref{Feature Test Macros}.  The
200 default in @theglibc{} is the POSIX.1 behavior rather than the BSD
201 behavior.
203 The facilities in this section are declared in the header file
204 @file{setjmp.h}.
205 @pindex setjmp.h
207 @deftp {Data Type} sigjmp_buf
208 @standards{POSIX.1, setjmp.h}
209 This is similar to @code{jmp_buf}, except that it can also store state
210 information about the set of blocked signals.
211 @end deftp
213 @deftypefun int sigsetjmp (sigjmp_buf @var{state}, int @var{savesigs})
214 @standards{POSIX.1, setjmp.h}
215 @safety{@prelim{}@mtsafe{}@asunsafe{@asulock{/hurd}}@acunsafe{@aculock{/hurd}}}
216 @c sigsetjmp @asulock/hurd @aculock/hurd
217 @c  __sigsetjmp(savemask) @asulock/hurd @aculock/hurd
218 @c   __sigjmp_save(savemask) @asulock/hurd @aculock/hurd
219 @c    sigprocmask(SIG_BLOCK probe) dup @asulock/hurd @aculock/hurd
220 This is similar to @code{setjmp}.  If @var{savesigs} is nonzero, the set
221 of blocked signals is saved in @var{state} and will be restored if a
222 @code{siglongjmp} is later performed with this @var{state}.
223 @end deftypefun
225 @deftypefun void siglongjmp (sigjmp_buf @var{state}, int @var{value})
226 @standards{POSIX.1, setjmp.h}
227 @safety{@prelim{}@mtsafe{}@asunsafe{@ascuplugin{} @asucorrupt{} @asulock{/hurd}}@acunsafe{@acucorrupt{} @aculock{/hurd}}}
228 @c Alias to longjmp.
229 This is similar to @code{longjmp} except for the type of its @var{state}
230 argument.  If the @code{sigsetjmp} call that set this @var{state} used a
231 nonzero @var{savesigs} flag, @code{siglongjmp} also restores the set of
232 blocked signals.
233 @end deftypefun
235 @node System V contexts,, Non-Local Exits and Signals, Non-Local Exits
236 @section Complete Context Control
238 The Unix standard provides one more set of functions to control the
239 execution path and these functions are more powerful than those
240 discussed in this chapter so far.  These functions were part of the
241 original @w{System V} API and by this route were added to the Unix
242 API.  Besides on branded Unix implementations these interfaces are not
243 widely available.  Not all platforms and/or architectures @theglibc{}
244 is available on provide this interface.  Use @file{configure} to
245 detect the availability.
247 Similar to the @code{jmp_buf} and @code{sigjmp_buf} types used for the
248 variables to contain the state of the @code{longjmp} functions the
249 interfaces of interest here have an appropriate type as well.  Objects
250 of this type are normally much larger since more information is
251 contained.  The type is also used in a few more places as we will see.
252 The types and functions described in this section are all defined and
253 declared respectively in the @file{ucontext.h} header file.
255 @deftp {Data Type} ucontext_t
256 @standards{SVID, ucontext.h}
258 The @code{ucontext_t} type is defined as a structure with at least the
259 following elements:
261 @table @code
262 @item ucontext_t *uc_link
263 This is a pointer to the next context structure which is used if the
264 context described in the current structure returns.
266 @item sigset_t uc_sigmask
267 Set of signals which are blocked when this context is used.
269 @item stack_t uc_stack
270 Stack used for this context.  The value need not be (and normally is
271 not) the stack pointer.  @xref{Signal Stack}.
273 @item mcontext_t uc_mcontext
274 This element contains the actual state of the process.  The
275 @code{mcontext_t} type is also defined in this header but the definition
276 should be treated as opaque.  Any use of knowledge of the type makes
277 applications less portable.
279 @end table
280 @end deftp
282 Objects of this type have to be created by the user.  The initialization
283 and modification happens through one of the following functions:
285 @deftypefun int getcontext (ucontext_t *@var{ucp})
286 @standards{SVID, ucontext.h}
287 @safety{@prelim{}@mtsafe{@mtsrace{:ucp}}@assafe{}@acsafe{}}
288 @c Linux-only implementations in assembly, including sigprocmask
289 @c syscall.  A few cases call the sigprocmask function, but that's safe
290 @c too.  The ppc case is implemented in terms of a swapcontext syscall.
291 The @code{getcontext} function initializes the variable pointed to by
292 @var{ucp} with the context of the calling thread.  The context contains
293 the content of the registers, the signal mask, and the current stack.
294 Executing the contents would start at the point where the
295 @code{getcontext} call just returned.
297 @strong{Compatibility Note:} Depending on the operating system,
298 information about the current context's stack may be in the
299 @code{uc_stack} field of @var{ucp}, or it may instead be in
300 architecture-specific subfields of the @code{uc_mcontext} field.
302 The function returns @code{0} if successful.  Otherwise it returns
303 @code{-1} and sets @var{errno} accordingly.
304 @end deftypefun
306 The @code{getcontext} function is similar to @code{setjmp} but it does
307 not provide an indication of whether @code{getcontext} is returning for
308 the first time or whether an initialized context has just been restored.
309 If this is necessary the user has to determine this herself.  This must
310 be done carefully since the context contains registers which might contain
311 register variables.  This is a good situation to define variables with
312 @code{volatile}.
314 Once the context variable is initialized it can be used as is or it can
315 be modified using the @code{makecontext} function.  The latter is normally
316 done when implementing co-routines or similar constructs.
318 @deftypefun void makecontext (ucontext_t *@var{ucp}, void (*@var{func}) (void), int @var{argc}, @dots{})
319 @standards{SVID, ucontext.h}
320 @safety{@prelim{}@mtsafe{@mtsrace{:ucp}}@assafe{}@acsafe{}}
321 @c Linux-only implementations mostly in assembly, nothing unsafe.
323 The @var{ucp} parameter passed to @code{makecontext} shall be
324 initialized by a call to @code{getcontext}.  The context will be
325 modified in a way such that if the context is resumed it will start by
326 calling the function @code{func} which gets @var{argc} integer arguments
327 passed.  The integer arguments which are to be passed should follow the
328 @var{argc} parameter in the call to @code{makecontext}.
330 Before the call to this function the @code{uc_stack} and @code{uc_link}
331 element of the @var{ucp} structure should be initialized.  The
332 @code{uc_stack} element describes the stack which is used for this
333 context.  No two contexts which are used at the same time should use the
334 same memory region for a stack.
336 The @code{uc_link} element of the object pointed to by @var{ucp} should
337 be a pointer to the context to be executed when the function @var{func}
338 returns or it should be a null pointer.  See @code{setcontext} for more
339 information about the exact use.
340 @end deftypefun
342 While allocating the memory for the stack one has to be careful.  Most
343 modern processors keep track of whether a certain memory region is
344 allowed to contain code which is executed or not.  Data segments and
345 heap memory are normally not tagged to allow this.  The result is that
346 programs would fail.  Examples for such code include the calling
347 sequences the GNU C compiler generates for calls to nested functions.
348 Safe ways to allocate stacks correctly include using memory on the
349 original thread's stack or explicitly allocating memory tagged for
350 execution using (@pxref{Memory-mapped I/O}).
352 @strong{Compatibility note}: The current Unix standard is very imprecise
353 about the way the stack is allocated.  All implementations seem to agree
354 that the @code{uc_stack} element must be used but the values stored in
355 the elements of the @code{stack_t} value are unclear.  @Theglibc{}
356 and most other Unix implementations require the @code{ss_sp} value of
357 the @code{uc_stack} element to point to the base of the memory region
358 allocated for the stack and the size of the memory region is stored in
359 @code{ss_size}.  There are implementations out there which require
360 @code{ss_sp} to be set to the value the stack pointer will have (which
361 can, depending on the direction the stack grows, be different).  This
362 difference makes the @code{makecontext} function hard to use and it
363 requires detection of the platform at compile time.
365 @deftypefun int setcontext (const ucontext_t *@var{ucp})
366 @standards{SVID, ucontext.h}
367 @safety{@prelim{}@mtsafe{@mtsrace{:ucp}}@asunsafe{@asucorrupt{}}@acunsafe{@acucorrupt{}}}
368 @c Linux-only implementations mostly in assembly.  Some ports use
369 @c sigreturn or swapcontext syscalls; others restore the signal mask
370 @c first and then proceed restore other registers in userland, which
371 @c leaves a window for cancellation or async signals with misaligned or
372 @c otherwise corrupt stack.  ??? Switching to a different stack, or even
373 @c to an earlier state on the same stack, may conflict with pthread
374 @c cleanups.  This is not quite MT-Unsafe, it's a different kind of
375 @c safety issue.
377 The @code{setcontext} function restores the context described by
378 @var{ucp}.  The context is not modified and can be reused as often as
379 wanted.
381 If the context was created by @code{getcontext} execution resumes with
382 the registers filled with the same values and the same stack as if the
383 @code{getcontext} call just returned.
385 If the context was modified with a call to @code{makecontext} execution
386 continues with the function passed to @code{makecontext} which gets the
387 specified parameters passed.  If this function returns execution is
388 resumed in the context which was referenced by the @code{uc_link}
389 element of the context structure passed to @code{makecontext} at the
390 time of the call.  If @code{uc_link} was a null pointer the application
391 terminates normally with an exit status value of @code{EXIT_SUCCESS}
392 (@pxref{Program Termination}).
394 If the context was created by a call to a signal handler or from any
395 other source then the behaviour of @code{setcontext} is unspecified.
397 Since the context contains information about the stack no two threads
398 should use the same context at the same time.  The result in most cases
399 would be disastrous.
401 The @code{setcontext} function does not return unless an error occurred
402 in which case it returns @code{-1}.
403 @end deftypefun
405 The @code{setcontext} function simply replaces the current context with
406 the one described by the @var{ucp} parameter.  This is often useful but
407 there are situations where the current context has to be preserved.
409 @deftypefun int swapcontext (ucontext_t *restrict @var{oucp}, const ucontext_t *restrict @var{ucp})
410 @standards{SVID, ucontext.h}
411 @safety{@prelim{}@mtsafe{@mtsrace{:oucp} @mtsrace{:ucp}}@asunsafe{@asucorrupt{}}@acunsafe{@acucorrupt{}}}
412 @c Linux-only implementations mostly in assembly.  Some ports call or
413 @c inline getcontext and/or setcontext, adjusting the saved context in
414 @c between, so we inherit the potential issues of both.
416 The @code{swapcontext} function is similar to @code{setcontext} but
417 instead of just replacing the current context the latter is first saved
418 in the object pointed to by @var{oucp} as if this was a call to
419 @code{getcontext}.  The saved context would resume after the call to
420 @code{swapcontext}.
422 Once the current context is saved the context described in @var{ucp} is
423 installed and execution continues as described in this context.
425 If @code{swapcontext} succeeds the function does not return unless the
426 context @var{oucp} is used without prior modification by
427 @code{makecontext}.  The return value in this case is @code{0}.  If the
428 function fails it returns @code{-1} and sets @var{errno} accordingly.
429 @end deftypefun
431 @heading Example for SVID Context Handling
433 The easiest way to use the context handling functions is as a
434 replacement for @code{setjmp} and @code{longjmp}.  The context contains
435 on most platforms more information which may lead to fewer surprises
436 but this also means using these functions is more expensive (besides
437 being less portable).
439 @smallexample
441 random_search (int n, int (*fp) (int, ucontext_t *))
443   volatile int cnt = 0;
444   ucontext_t uc;
446   /* @r{Safe current context.}  */
447   if (getcontext (&uc) < 0)
448     return -1;
450   /* @r{If we have not tried @var{n} times try again.}  */
451   if (cnt++ < n)
452     /* @r{Call the function with a new random number}
453        @r{and the context}.  */
454     if (fp (rand (), &uc) != 0)
455       /* @r{We found what we were looking for.}  */
456       return 1;
458   /* @r{Not found.}  */
459   return 0;
461 @end smallexample
463 Using contexts in such a way enables emulating exception handling.  The
464 search functions passed in the @var{fp} parameter could be very large,
465 nested, and complex which would make it complicated (or at least would
466 require a lot of code) to leave the function with an error value which
467 has to be passed down to the caller.  By using the context it is
468 possible to leave the search function in one step and allow restarting
469 the search which also has the nice side effect that it can be
470 significantly faster.
472 Something which is harder to implement with @code{setjmp} and
473 @code{longjmp} is to switch temporarily to a different execution path
474 and then resume where execution was stopped.
476 @smallexample
477 @include swapcontext.c.texi
478 @end smallexample
480 This an example how the context functions can be used to implement
481 co-routines or cooperative multi-threading.  All that has to be done is
482 to call every once in a while @code{swapcontext} to continue running a
483 different context.  It is not recommended to do the context switching from
484 the signal handler directly since leaving the signal handler via
485 @code{setcontext} if the signal was delivered during code that was not
486 asynchronous signal safe could lead to problems. Setting a variable in
487 the signal handler and checking it in the body of the functions which
488 are executed is a safer approach.  Since @code{swapcontext} is saving the
489 current context it is possible to have multiple different scheduling points
490 in the code.  Execution will always resume where it was left.