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正文
前言
本文主要總結(jié)嵌入式系統(tǒng)C語言編程中，主要的錯誤處理方式。文中涉及的代碼運(yùn)行環(huán)境如下：
一、錯誤概念
1.1 錯誤分類
從嚴(yán)重性而言，程序錯誤可分為致命性和非致命性兩類。對于致命性錯誤，無法執(zhí)行恢復(fù)動作，最多只能在用戶屏幕上打印出錯消息或?qū)⑵鋵懭肴罩疚募?，然后終止程序；而對于非致命性錯誤，多數(shù)本質(zhì)上是暫時的(如資源短缺)，一般恢復(fù)動作是延遲一些時間后再次嘗試。
從交互性而言，程序錯誤可分為用戶錯誤和內(nèi)部錯誤兩類。用戶錯誤呈現(xiàn)給用戶，通常指明用戶操作上的錯誤；而程序內(nèi)部錯誤呈現(xiàn)給程序員(可能攜帶用戶不可接觸的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié))，用于查錯和排障。
應(yīng)用程序開發(fā)者可決定恢復(fù)哪些錯誤以及如何恢復(fù)。例如，若磁盤已滿，可考慮刪除非必需或已過期的數(shù)據(jù)；若網(wǎng)絡(luò)連接失敗，可考慮短時間延遲后重建連接。選擇合理的錯誤恢復(fù)策略，可避免應(yīng)用程序的異常終止，從而改善其健壯性。
1.2 處理步驟
錯誤處理即處理程序運(yùn)行時出現(xiàn)的任何意外或異常情況。典型的錯誤處理包含五個步驟：
程序執(zhí)行時發(fā)生軟件錯誤。該錯誤可能產(chǎn)生于被底層驅(qū)動或內(nèi)核映射為軟件錯誤的硬件響應(yīng)事件(如除零)。
以一個錯誤指示符(如整數(shù)或結(jié)構(gòu)體)記錄錯誤的原因及相關(guān)信息。
程序檢測該錯誤(讀取錯誤指示符，或由其主動上報）；
程序決定如何處理錯誤(忽略、部分處理或完全處理)；
恢復(fù)或終止程序的執(zhí)行。
上述步驟用C語言代碼表述如下：
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int?func()
{
????int?bIsErrOccur?=?0;
????//do?something?that?might?invoke?errors
????if(bIsErrOccur)??//Stage?1:?error?occurred
????????return?-1;???//Stage?2:?generate?error?indicator
????//...
????return?0;
}
int?main(void)
{
????if(func()?!=?0)??//Stage?3:?detect?error
????{
????????//Stage?4:?handle?error
????}
????//Stage?5:?recover?or?abort
????return?0;
}
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調(diào)用者可能希望函數(shù)返回成功時表示完全成功，失敗時程序恢復(fù)到調(diào)用前的狀態(tài)(但被調(diào)函數(shù)很難保證這點(diǎn))。
二 、錯誤傳遞
2.1 返回值和回傳參數(shù)
C語言通常使用返回值來標(biāo)志函數(shù)是否執(zhí)行成功，調(diào)用者通過if等語句檢查該返回值以判斷函數(shù)執(zhí)行情況。常見的幾種調(diào)用形式如下：
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if((p?=?malloc(100))?==?NULL) ???//... if((c?=?getchar())?==?EOF) ???//... if((ticks?=?clock())??
Unix系統(tǒng)調(diào)用級函數(shù)(和一些老的Posix函數(shù))的返回值有時既包括錯誤代碼也包括有用結(jié)果。因此，上述調(diào)用形式可在同一條語句中接收返回值并檢查錯誤(當(dāng)執(zhí)行成功時返回合法的數(shù)據(jù)值)。
返回值方式的好處是簡便和高效，但仍存在較多問題：
代碼可讀性降低
沒有返回值的函數(shù)是不可靠的。但若每個函數(shù)都具有返回值，為保持程序健壯性，就必須對每個函數(shù)進(jìn)行正確性驗(yàn)證，即調(diào)用時檢查其返回值。這樣，代碼中很大一部分可能花費(fèi)在錯誤處理上，且排錯代碼和正常流程代碼攪在一起，比較混亂。
質(zhì)量降級
條件語句相比其他類型的語句潛藏更多的錯誤。不必要的條件語句會增加排障和白盒測試的工作量。
信息有限
通過返回值只能返回一個值，因此一般只能簡單地標(biāo)志成功或失敗，而無法作為獲知具體錯誤信息的手段。通過按位編碼可變通地返回多個值，但并不常用。字符串處理函數(shù)可參考IntToAscii()來返回具體的錯誤原因，并支持鏈?zhǔn)奖磉_(dá)：
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char?*IntToAscii(int?dwVal,?char?*pszRes,?int?dwRadix) { ????if(NULL?==?pszRes) ????????return?"Arg2Null"; ????if((dwRadix??36)) ????????return?"Arg3OutOfRange"; ????//... ????return?pszRes; }?
定義沖突
不同函數(shù)在成功和失敗時返回值的取值規(guī)則可能不同。例如，Unix系統(tǒng)調(diào)用級函數(shù)返回0代表成功，-1代表失??；新的Posix函數(shù)返回0代表成功，非0代表失??；標(biāo)準(zhǔn)C庫中isxxx函數(shù)返回1表示成功，0表示失敗。
無約束性
調(diào)用者可以忽略和丟棄返回值。未檢查和處理返回值時，程序仍然能夠運(yùn)行，但結(jié)果不可預(yù)知。
新的Posix函數(shù)返回值只攜帶狀態(tài)和異常信息，并通過參數(shù)列表中的指針回傳有用的結(jié)果?；貍鲄?shù)綁定到相應(yīng)的實(shí)參上，因此調(diào)用者不可能完全忽略它們。通過回傳參數(shù)(如結(jié)構(gòu)體指針)可返回多個值，也可攜帶更多的信息。
綜合返回值和回傳參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可對Get類函數(shù)采用返回值(含有用結(jié)果)方式，而對Set類函數(shù)采用返回值+回傳參數(shù)方式。對于純粹的返回值，可按需提供如下解析接口：
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typedef?enum{ ????S_OK,???????????????//成功 ????S_ERROR,????????????//失敗(原因未明確)，通用狀態(tài) ????S_NULL_POINTER,?????//入?yún)⒅羔槥镹ULL ????S_ILLEGAL_PARAM,????//參數(shù)值非法，通用 ????S_OUT_OF_RANGE,?????//參數(shù)值越限 ????S_MAX_STATUS????????//不可作為返回值狀態(tài)，僅作枚舉最值使用 }FUNC_STATUS; #define?RC_NAME(eRetCode)? ????((eRetCode)?==?S_OK????????????????????????"Success"?????????????:? ????((eRetCode)?==?S_ERROR?????????????????????"Failure"?????????????:? ????((eRetCode)?==?S_NULL_POINTER??????????????"NullPointer"?????????:? ????((eRetCode)?==?S_ILLEGAL_PARAM?????????????"IllegalParas"????????:? ????((eRetCode)?==?S_OUT_OF_RANGE??????????????"OutOfRange"??????????:? ??????"Unknown")))))?
當(dāng)返回值錯誤碼來自下游模塊時，可能與本模塊錯誤碼沖突。此時，建議不要將下游錯誤碼直接向上傳遞，以免引起混亂。若允許向終端或文件輸出錯誤信息，則可詳細(xì)記錄出錯現(xiàn)場(如函數(shù)名、錯誤描述、參數(shù)取值等)，并轉(zhuǎn)換為本模塊定義的錯誤碼再向上傳遞。
2.2 全局狀態(tài)標(biāo)志(errno)
Unix系統(tǒng)調(diào)用或某些C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)出錯時，通常返回一個負(fù)值，并設(shè)置全局整型變量errno為一個含有錯誤信息的值。例如，open函數(shù)出錯時返回-1，并設(shè)置errno為EACESS(權(quán)限不足)等值。
C標(biāo)準(zhǔn)庫頭文件
中定義errno及其可能的非零常量取值(以字符'E'開頭)。在ANSI C中已定義一些基本的errno常量，操作系統(tǒng)也會擴(kuò)展一部分(但其對錯誤描述仍顯匱乏)。 Linux系統(tǒng)中，出錯常量在errno(3)手冊頁中列出，可通過man 3 errno命令查看。除EAGAIN和EWOULDBLOCK取值相同外，POSIX.1指定的所有出錯編號取值均不同。
Posix和ISO C將errno定義為一個可修改的整型左值(lvalue)，可以是包含出錯編號的一個整數(shù)，或是一個返回出錯編號指針的函數(shù)。以前使用的定義為：
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extern?int?errno;?
但在多線程環(huán)境中，多個線程共享進(jìn)程地址空間，每個線程都有屬于自己的局部errno(thread-local)以避免一個線程干擾另一個線程。例如，Linux支持多線程存取errno，將其定義為：
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extern?int?*__errno_location(void); #define?errno?(*__errno_location())?
函數(shù)__errno_location在不同的庫版本下有不同的定義，在單線程版本中，直接返回全局變量errno的地址；而在多線程版本中，不同線程調(diào)用__errno_location返回的地址則各不相同。
C運(yùn)行庫中主要在math.h(數(shù)學(xué)運(yùn)算)和stdio.h(I/O操作)頭文件聲明的函數(shù)中使用errno。
使用errno時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
函數(shù)返回成功時，允許其修改errno。
例如，調(diào)用fopen函數(shù)新建文件時，內(nèi)部可能會調(diào)用其他庫函數(shù)檢測是否存在同名文件。而用于檢測文件的庫函數(shù)在文件不存在時，可能會失敗并設(shè)置errno。這樣， fopen函數(shù)每次新建一個事先并不存在的文件時，即使沒有任何程序錯誤發(fā)生(fopen本身成功返回)，errno也仍然可能被設(shè)置。
因此，調(diào)用庫函數(shù)時應(yīng)先檢測作為錯誤指示的返回值。僅當(dāng)函數(shù)返回值指明出錯時，才檢查errno值：
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//調(diào)用庫函數(shù) if(返回錯誤值) ????//檢查errno?
庫函數(shù)返回失敗時，不一定會設(shè)置errno，取決于具體的庫函數(shù)。
errno在程序開始時設(shè)置為0，任何庫函數(shù)都不會將errno再次清零。
因此，在調(diào)用可能設(shè)置errno的運(yùn)行庫函數(shù)之前，最好先將errno設(shè)置為0。調(diào)用失敗后再檢查errno的值。
使用errno前，應(yīng)避免調(diào)用其他可能設(shè)置errno的庫函數(shù)。如：
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if?(somecall()?==?-1) { ????printf("somecall()?failed "); ????if(errno?==?...)?{?...?} }?
somecall()函數(shù)出錯返回時設(shè)置errno。但當(dāng)檢查errno時，其值可能已被printf()函數(shù)改變。若要正確使用somecall()函數(shù)設(shè)置的errno，須在調(diào)用printf()函數(shù)前保存其值：
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if?(somecall()?==?-1) { ????int?dwErrSaved?=?errno; ????printf("somecall()?failed "); ????if(dwErrSaved?==?...)?{?...?} }?
類似地，當(dāng)在信號處理程序中調(diào)用可重入函數(shù)時，應(yīng)在其前保存其后恢復(fù)errno值。
使用現(xiàn)代版本的C庫時，應(yīng)包含使用
頭文件；在非常老的Unix 系統(tǒng)中，可能沒有該頭文件，此時可手工聲明errno(如extern int errno)。 C標(biāo)準(zhǔn)定義strerror和perror兩個函數(shù)，以幫助打印錯誤信息。
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#include?char?*strerror(int?errnum); ?
該函數(shù)將errnum(即errno值)映射為一個出錯信息字符串，并返回指向該字符串的指針?？蓪⒊鲥e字符串和其它信息組合輸出到用戶界面，或保存到日志文件中，如通過fprintf(fp, "somecall failed(%s)", strerror(errno))將錯誤消息打印到fp指向的文件中。
perror函數(shù)將當(dāng)前errno對應(yīng)的錯誤消息的字符串輸出到標(biāo)準(zhǔn)錯誤(即stderr或2)上。
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#include?void?perror(const?char?*msg); ?
該函數(shù)首先輸出由msg指向的字符串(用戶自己定義的信息)，后面緊跟一個冒號和空格，然后是當(dāng)前errno值對應(yīng)的錯誤類型描述，最后是一個換行符。未使用重定向時，該函數(shù)輸出到控制臺上；若將標(biāo)準(zhǔn)錯誤輸出重定向到/dev/null，則看不到任何輸出。
注意，perror()函數(shù)中errno對應(yīng)的錯誤消息集合與strerror()相同。但后者可提供更多定位信息和輸出方式。
兩個函數(shù)的用法示例如下：
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int?main(int?argc,?char**?argv) { ????errno?=?0; ????FILE?*pFile?=?fopen(argv[1],?"r"); ????if(NULL?==?pFile) ????{ ????????printf("Cannot?open?file?'%s'(%s)! ",?argv[1],?strerror(errno)); ????????perror("Open?file?failed"); ????} ????else ????{ ????????printf("Open?file?'%s'(%s)! ",?argv[1],?strerror(errno)); ????????perror("Open?file"); ????????fclose(pFile); ????} ????return?0; }?
執(zhí)行結(jié)果為：
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[wangxiaoyuan_@localhost?test1]$?./GlbErr?/sdb1/wangxiaoyuan/linux_test/test1/test.c Open?file?'/sdb1/wangxiaoyuan/linux_test/test1/test.c'(Success)! Open?file:?Success [wangxiaoyuan_@localhost?test1]$?./GlbErr?NonexistentFile.h Cannot?open?file?'NonexistentFile.h'(No?such?file?or?directory)! Open?file?failed:?No?such?file?or?directory [wangxiaoyuan_@localhost?test1]$?./GlbErr?NonexistentFile.h?>?test Open?file?failed:?No?such?file?or?directory [wangxiaoyuan_@localhost?test1]$?./GlbErr?NonexistentFile.h?2>?test Cannot?open?file?'NonexistentFile.h'(No?such?file?or?directory)!?
也可仿照errno的定義和處理，定制自己的錯誤代碼：
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int?*_fpErrNo(void) { ???static?int?dwLocalErrNo?=?0; ???return?&dwLocalErrNo; } #define?ErrNo?(*_fpErrNo()) #define?EOUTOFRANGE??1 //define?other?error?macros... int?Callee(void) { ????ErrNo?=?1; ????return?-1; } int?main(void) { ????ErrNo?=?0; ????if((-1?==?Callee())?&&?(EOUTOFRANGE?==?ErrNo)) ????????printf("Callee?failed(ErrNo:%d)! ",?ErrNo); ????return?0; }?
借助全局狀態(tài)標(biāo)志，可充分利用函數(shù)的接口(返回值和參數(shù)表)。但與返回值一樣，它隱含地要求調(diào)用者在調(diào)用函數(shù)后檢查該標(biāo)志，而這種約束同樣脆弱。
此外，全局狀態(tài)標(biāo)志存在重用和覆蓋的風(fēng)險。而函數(shù)返回值是無名的臨時變量，由函數(shù)產(chǎn)生且只能被調(diào)用者訪問。調(diào)用完成后即可檢查或拷貝返回值，然后原始的返回對象將消失而不能被重用。又因?yàn)闊o名，返回值不能被覆蓋。
2.3 局部跳轉(zhuǎn)(goto)
使用goto語句可直接跳轉(zhuǎn)到函數(shù)內(nèi)的錯誤處理代碼處。以除零錯誤為例：
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double?Division(double?fDividend,?double?fDivisor) { ????return?fDividend/fDivisor; } int?main(void) { ????int?dwFlag?=?0; ????if(1?==?dwFlag) ????{ ????RaiseException: ????????printf("The?divisor?cannot?be?0! "); ????????exit(1); ????} ????dwFlag?=?1; ????double?fDividend?=?0.0,?fDivisor?=?0.0; ????printf("Enter?the?dividend:?"); ????scanf("%lf",?&fDividend); ????printf("Enter?the?divisor?:?"); ????scanf("%lf",?&fDivisor); ????if(0?==?fDivisor)?//不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)母↑c(diǎn)數(shù)判0比較 ????????goto?RaiseException; ????printf("The?quotient?is?%.2lf ",?Division(fDividend,?fDivisor)); ????return?0; }?
執(zhí)行結(jié)果如下：
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[wangxiaoyuan_@localhost?test1]$?./test Enter?the?dividend:?10 Enter?the?divisor?:?0 The?divisor?cannot?be?0! [wangxiaoyuan_@localhost?test1]$?./test Enter?the?dividend:?10 Enter?the?divisor?:?2 The?quotient?is?5.00?
雖然goto語句會破壞代碼結(jié)構(gòu)性，但卻非常適用于集中錯誤處理。偽代碼示例如下：
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CallerFunc() { ????if((ret?=?CalleeFunc1())??
2.4 非局部跳轉(zhuǎn)(setjmp/longjmp)
局部goto語句只能跳到所在函數(shù)內(nèi)部的標(biāo)號上。若要跨越函數(shù)跳轉(zhuǎn)，需要借助標(biāo)準(zhǔn)C庫提供非局部跳轉(zhuǎn)函數(shù)setjmp()和longjmp()。它們分別承擔(dān)非局部標(biāo)號和goto的作用，非常適用于處理發(fā)生在深層嵌套函數(shù)調(diào)用中的出錯情況?！胺蔷植刻D(zhuǎn)”是在棧上跳過若干調(diào)用幀，返回到當(dāng)前函數(shù)調(diào)用路徑上的某個函數(shù)內(nèi)。
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#include?int?setjmp(jmp_buf?env); void?longjmp(jmp_buf?env,int?val); ?
函數(shù)setjmp()將程序運(yùn)行時的當(dāng)前系統(tǒng)堆棧環(huán)境保存在緩沖區(qū)env結(jié)構(gòu)中。初次調(diào)用該函數(shù)時返回值為0。longjmp()函數(shù)根據(jù)setjmp()所保存的env結(jié)構(gòu)恢復(fù)先前的堆棧環(huán)境，即“跳回”先前調(diào)用setjmp時的程序執(zhí)行點(diǎn)。此時，setjmp()函數(shù)返回longjmp()函數(shù)所設(shè)置的參數(shù)val值，程序?qū)⒗^續(xù)執(zhí)行setjmp調(diào)用后的下一條語句(仿佛從未離開setjmp)。參數(shù)val為非0值，若設(shè)置為0，則setjmp()函數(shù)返回1。
可見，setjmp()有兩類返回值，用于區(qū)分是首次直接調(diào)用(返回0)和還是由其他地方跳轉(zhuǎn)而來(返回非0值)。對于一個setjmp可有多個longjmp，因此可由不同的非0返回值區(qū)分這些longjmp。
舉個簡單例子說明 setjmp/longjmp的非局部跳轉(zhuǎn)：
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jmp_buf?gJmpBuf; void?Func1(){ ????printf("Enter?Func1 "); ????if(0)longjmp(gJmpBuf,?1); } void?Func2(){ ????printf("Enter?Func2 "); ????if(0)longjmp(gJmpBuf,?2); } void?Func3(){ ????printf("Enter?Func3 "); ????if(1)longjmp(gJmpBuf,?3); } int?main(void) { ????int?dwJmpRet?=?setjmp(gJmpBuf); ????printf("dwJmpRet?=?%d ",?dwJmpRet); ????if(0?==?dwJmpRet) ????{ ????????Func1(); ????????Func2(); ????????Func3(); ????} ????else ????{ ????????switch(dwJmpRet) ????????{ ????????????case?1: ????????????????printf("Jump?back?from?Func1 "); ????????????break; ????????????case?2: ????????????????printf("Jump?back?from?Func2 "); ????????????break; ????????????case?3: ????????????????printf("Jump?back?from?Func3 "); ????????????break; ????????????default: ????????????????printf("Unknown?Func! "); ????????????break; ????????} ????} ????return?0; }?
執(zhí)行結(jié)果為：
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dwJmpRet?=?0 Enter?Func1 Enter?Func2 Enter?Func3 dwJmpRet?=?3 Jump?back?from?Func3?
當(dāng)setjmp/longjmp嵌在單個函數(shù)中使用時，可模擬PASCAL語言中嵌套函數(shù)定義(即函數(shù)內(nèi)中定義一個局部函數(shù))。當(dāng)setjmp/longjmp跨越函數(shù)使用時，可模擬面向?qū)ο笳Z言中的異常(exception) 機(jī)制。
模擬異常機(jī)制時，首先通過setjmp()函數(shù)設(shè)置一個跳轉(zhuǎn)點(diǎn)并保存返回現(xiàn)場，然后使用try塊包含那些可能出現(xiàn)錯誤的代碼?？稍趖ry塊代碼中或其調(diào)用的函數(shù)內(nèi)，通過longjmp()函數(shù)拋出(throw)異常。拋出異常后，將跳回setjmp()函數(shù)所設(shè)置的跳轉(zhuǎn)點(diǎn)并執(zhí)行catch塊所包含的異常處理程序。
以除零錯誤為例：
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jmp_buf?gJmpBuf; void?RaiseException(void) { ???printf("Exception?is?raised:?"); ???longjmp(gJmpBuf,?1);??//throw，跳轉(zhuǎn)至異常處理代碼 ???printf("This?line?should?never?get?printed! "); } double?Division(double?fDividend,?double?fDivisor) { ????return?fDividend/fDivisor; } int?main(void) { ????double?fDividend?=?0.0,?fDivisor?=?0.0; ????printf("Enter?the?dividend:?"); ????scanf("%lf",?&fDividend); ????printf("Enter?the?divisor?:?"); ????if(0?==?setjmp(gJmpBuf))??//try塊 ????{ ????????scanf("%lf",?&fDivisor); ????????if(0?==?fDivisor)?//也可將該判斷及RaiseException置于Division內(nèi) ????????????RaiseException(); ????????printf("The?quotient?is?%.2lf ",?Division(fDividend,?fDivisor)); ????} ????else??//catch塊(異常處理代碼) ????{ ????????printf("The?divisor?cannot?be?0! "); ????} ????return?0; }?
執(zhí)行結(jié)果為：
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Enter?the?dividend:?10 Enter?the?divisor?:?0 Exception?is?raised:?The?divisor?cannot?be?0!?
通過組合使用setjmp/longjmp函數(shù)，可對復(fù)雜程序中可能出現(xiàn)的異常進(jìn)行集中處理。根據(jù)longjmp()函數(shù)所傳遞的返回值來區(qū)分處理各種不同的異常。
使用setjmp/longjmp函數(shù)時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
必須先調(diào)用setjmp()函數(shù)后調(diào)用longjmp()函數(shù)，以恢復(fù)到先前被保存的程序執(zhí)行點(diǎn)。若調(diào)用順序相反，將導(dǎo)致程序的執(zhí)行流變得不可預(yù)測，很容易導(dǎo)致程序崩潰。
longjmp()函數(shù)必須在setjmp()函數(shù)的作用域之內(nèi)。在調(diào)用setjmp()函數(shù)時，它保存的程序執(zhí)行點(diǎn)環(huán)境只在當(dāng)前主調(diào)函數(shù)作用域以內(nèi)(或以后)有效。若主調(diào)函數(shù)返回或退出到上層(或更上層)的函數(shù)環(huán)境中，則setjmp()函數(shù)所保存的程序環(huán)境也隨之失效(函數(shù)返回時堆棧內(nèi)存失效)。這就要求setjmp()不可該封裝在一個函數(shù)中，若要封裝則必須使用宏(詳見《C語言接口與實(shí)現(xiàn)》“第4章 異常與斷言”)。
通常將jmp_buf變量定義為全局變量，以便跨函數(shù)調(diào)用longjmp。
通常，存放在存儲器中的變量將具有l(wèi)ongjmp時的值，而在CPU和浮點(diǎn)寄存器中的變量則恢復(fù)為調(diào)用setjmp時的值。因此，若在調(diào)用setjmp和longjmp之間修改自動變量或寄存器變量的值，當(dāng)setjmp從longjmp調(diào)用返回時，變量將維持修改后的值。若要編寫使用非局部跳轉(zhuǎn)的可移植程序，必須使用volatile屬性。
使用異常機(jī)制不必每次調(diào)用都檢查一次返回值，但因?yàn)槌绦蛑腥魏挝恢枚伎赡軖伋霎惓?，必須時刻考慮是否捕捉異常。在大型程序中，判斷是否捕捉異常會是很大的思維負(fù)擔(dān)，影響開發(fā)效率。相比之下，通過返回值指示錯誤有利于調(diào)用者在最近出錯的地方進(jìn)行檢查。此外，返回值模式中程序的運(yùn)行順序一目了然，對維護(hù)者可讀性更高。因此，應(yīng)用程序中不建議使用setjmp/longjmp“異常處理”機(jī)制(除非庫或框架)。
2.5 信號(signal/raise)
在某些情況下，主機(jī)環(huán)境或操作系統(tǒng)可能發(fā)出信號(signal)事件，指示特定的編程錯誤或嚴(yán)重事件(如除0或中斷等)。這些信號本意并非用于錯誤捕獲，而是指示與正常程序流不協(xié)調(diào)的外部事件。
為處理信號，需要使用以下信號相關(guān)函數(shù)：
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#include?typedef?void?(*fpSigFunc)(int); fpSigFunc?signal(int?signo,?fpSigFunc?fpHandler); int?raise(int?signo); ?
其中，參數(shù)signo是Unix系統(tǒng)定義的信號編號(正整數(shù))，不允許用戶自定義信號。參數(shù)fpHandler是常量SIG_DFL、常量SIG_IGN或當(dāng)接收到此信號后要調(diào)用的信號處理函數(shù)(signal handler)的地址。若指定SIG_DFL，則接收到此信號后調(diào)用系統(tǒng)的缺省處理函數(shù)；若指定SIG_ IGN，則向內(nèi)核表明忽略此信號(SIGKILL和SIGSTOP不可忽略)。某些異常信號(如除數(shù)為零)不太可能恢復(fù)，此時信號處理函數(shù)可在程序終止前正確地清理某些資源。信號處理函數(shù)所收到的異常信息僅是一個整數(shù)(待處理的信號事件)，這點(diǎn)與setjmp()函數(shù)類似。
signal()函數(shù)執(zhí)行成功時返回前次掛接的處理函數(shù)地址，失敗時則返回SIG_ERR。信號通過調(diào)用raise()函數(shù)產(chǎn)生并被處理函數(shù)捕獲。
以除零錯誤為例：
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void?fphandler(int?dwSigNo) { ????printf("Exception?is?raised,?dwSigNo=%d! ",?dwSigNo); } int?main(void) { ????if(SIG_ERR?==?signal(SIGFPE,?fphandler)) ????{ ????????fprintf(stderr,?"Fail?to?set?SIGFPE?handler! "); ????????exit(EXIT_FAILURE); ????} ????double?fDividend?=?10.0,?fDivisor?=?0.0; ????if(0?==?fDivisor) ????{ ????????raise(SIGFPE); ????????exit(EXIT_FAILURE); ????} ????printf("The?quotient?is?%.2lf ",?fDividend/fDivisor); ????return?0; }?
執(zhí)行結(jié)果為"Exception is raised, dwSigNo=8!"(0.0不等同于0，因此系統(tǒng)未檢測到浮點(diǎn)異常)。
若將被除數(shù)(Dividend)和除數(shù)(Divisor)改為整型變量：
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int?main(void) { ????if(SIG_ERR?==?signal(SIGFPE,?fphandler)) ????{ ????????fprintf(stderr,?"Fail?to?set?SIGFPE?handler! "); ????????exit(EXIT_FAILURE); ????} ????int?dwDividend?=?10,?dwDivisor?=?0; ????double?fQuotient?=?dwDividend/dwDivisor; ????printf("The?quotient?is?%.2lf ",?fQuotient); ????return?0; }?
則執(zhí)行后循環(huán)輸出"Exception is raised, dwSigNo=8!"。這是因?yàn)檫M(jìn)程捕捉到信號并對其進(jìn)行處理時，進(jìn)程正在執(zhí)行的指令序列被信號處理程序臨時中斷，它首先執(zhí)行該信號處理程序中的指令。若從信號處理程序返回(未調(diào)用exit或longjmp)，則繼續(xù)執(zhí)行在捕捉到信號時進(jìn)程正在執(zhí)行的正常指令序列。因此，每次系統(tǒng)調(diào)用信號處理函數(shù)后，異常控制流還會返回除0指令繼續(xù)執(zhí)行。而除0異常不可恢復(fù)，導(dǎo)致反復(fù)輸出異常。
規(guī)避方法有兩種：
將SIGFPE信號變成系統(tǒng)默認(rèn)處理，即signal(SIGFPE, SIG_DFL)。
此時執(zhí)行輸出為"Floating point exception"。
利用setjmp/longjmp跳過引發(fā)異常的指令：
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jmp_buf?gJmpBuf; void?fphandler(int?dwSigNo) { ????printf("Exception?is?raised,?dwSigNo=%d! ",?dwSigNo); ????longjmp(gJmpBuf,?1); } int?main(void) { ????if(SIG_ERR?==?signal(SIGFPE,?SIG_DFL)) ????{ ????????fprintf(stderr,?"Fail?to?set?SIGFPE?handler! "); ????????exit(EXIT_FAILURE); ????} ????int?dwDividend?=?10,?dwDivisor?=?0; ????if(0?==?setjmp(gJmpBuf)) ????{ ????????double?fQuotient?=?dwDividend/dwDivisor; ????????printf("The?quotient?is?%.2lf ",?fQuotient); ????} ????else ????{ ????????printf("The?divisor?cannot?be?0! "); ????} ????return?0; }?
注意，在信號處理程序中還可使用sigsetjmp/siglongjmp函數(shù)進(jìn)行非局部跳轉(zhuǎn)。相比setjmp函數(shù)，sigsetjmp函數(shù)增加一個信號屏蔽字參數(shù)。
三 ?錯誤處理
3.1 終止(abort/exit)
致命性錯誤無法恢復(fù)，只能終止程序。例如，當(dāng)空閑堆管理程序無法提供可用的連續(xù)空間時(調(diào)用malloc返回NULL)，用戶程序的健壯性將嚴(yán)重受損。若恢復(fù)的可能性渺茫，則最好終止或重啟程序。
標(biāo)準(zhǔn)C庫提供exit()和abort()函數(shù)，分別用于程序正常終止和異常終止。兩者都不會返回到調(diào)用者中，且都導(dǎo)致程序被強(qiáng)行結(jié)束。
exit()及其相似函數(shù)原型聲明如下：
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#include?void?exit(int?status); void?_Exit(int?status); #include? void?_exit(int?status); ?
其中，exit和_Exit由ISO C說明，而_exit由Posix.1說明。因此使用不同的頭文件。
ISO C定義_Exit旨在為進(jìn)程提供一種無需運(yùn)行終止處理程序(exit handler)或信號處理程序(signal handler)而終止的方法，是否沖洗標(biāo)準(zhǔn)I/O流則取決于實(shí)現(xiàn)。Unix系統(tǒng)中_Exit 和_exit同義，兩者均直接進(jìn)入內(nèi)核，而不沖洗標(biāo)準(zhǔn)I/O流。_exit函數(shù)由exit調(diào)用，處理Unix特定的細(xì)節(jié)。
exit()函數(shù)首先調(diào)用執(zhí)行各終止處理程序，然后按需多次調(diào)用fclose函數(shù)關(guān)閉所有已打開的標(biāo)準(zhǔn)I/O流(將所有緩沖的輸出數(shù)據(jù)沖洗寫到文件上)，然后調(diào)用_exit函數(shù)進(jìn)入內(nèi)核。
標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫中有一種“緩沖I/O(buffered I/O)”機(jī)制。該機(jī)制對于每個打開的文件，在內(nèi)存中維護(hù)一片緩沖區(qū)。每次讀文件時會連續(xù)讀出若干條記錄，下次讀文件時就可直接從內(nèi)存緩沖區(qū)中讀?。幻看螌懳募r也僅僅寫入內(nèi)存緩沖區(qū)，等滿足一定條件(如緩沖區(qū)填滿，或遇到換行符等特定字符)時再將緩沖區(qū)內(nèi)容一次性寫入文件。
通過盡可能減少read和write調(diào)用的次數(shù)，該機(jī)制可顯著提高文件讀寫速度，但也給編程帶來某些麻煩。例如，向文件內(nèi)寫入一些數(shù)據(jù)時，若未滿足特定條件，數(shù)據(jù)會暫存在緩沖區(qū)內(nèi)。開發(fā)者并不知曉這點(diǎn)，而調(diào)用_ exit()函數(shù)直接關(guān)閉進(jìn)程，導(dǎo)致緩沖區(qū)數(shù)據(jù)丟失。因此，若要保證數(shù)據(jù)完整性，必須調(diào)用exit()函數(shù)，或在調(diào)用 _exit()函數(shù)前先通過fflush()函數(shù)將緩沖區(qū)內(nèi)容寫入指定的文件。
例如，調(diào)用printf函數(shù)(遇到換行符' '時自動讀出緩沖區(qū)中內(nèi)容)函數(shù)后再調(diào)用exit：
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int?main(void) { ????printf("Using?exit... "); ????printf("This?is?the?content?in?buffer"); ????exit(0); ????printf("This?line?will?never?be?reached "); }?
執(zhí)行輸出為：
?
Using?exit... This?is?the?content?in?buffer(結(jié)尾無換行符)?
調(diào)用printf函數(shù)后再調(diào)用_exit：
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int?main(void) { ????printf("Using?_exit... "); ????printf("This?is?the?content?in?buffer"); ????fprintf(stdout,?"Standard?output?stream"); ????fprintf(stderr,?"Standard?error?stream"); ????//fflush(stdout); ????_exit(0); }?
執(zhí)行輸出為：
?
Using?_exit... Standard?error?stream(結(jié)尾無換行符)?
若取消fflush句注釋，則執(zhí)行輸出為：
?
Using?_exit... Standard?error?streamThis?is?the?content?in?bufferStandard?output?stream(結(jié)尾無換行符)?
通常，標(biāo)準(zhǔn)錯誤是不帶緩沖的，打開至終端設(shè)備的流(如標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出)是行緩沖的(遇換行符則執(zhí)行I/O操作)；其他所有流則是全緩沖的(填滿標(biāo)準(zhǔn)I/O緩沖區(qū)后才執(zhí)行I/O操作)。
三個exit函數(shù)都帶有一個整型參數(shù)status，稱之為終止?fàn)顟B(tài)(或退出狀態(tài))。該參數(shù)取值通常為兩個宏，即EXIT_SUCCESS(0)和EXIT_FAILURE(1)。大多數(shù)Unix shell都可檢查進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)。若(a)調(diào)用這些函數(shù)時不帶終止?fàn)顟B(tài)，或(b)main函數(shù)執(zhí)行了無返回值的return語句，或(c) main函數(shù)未聲明返回類型為整型，則該進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)未定義。但若main函數(shù)的返回類型為整型，且執(zhí)行到最后一條語句時返回(隱式返回)，則該進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)為0。
exit系列函數(shù)是最簡單直接的錯誤處理方式，但程序出錯終止時無法捕獲異常信息。ISO C規(guī)定一個進(jìn)程可以注冊32個終止處理函數(shù)。這些函數(shù)可編寫為自定義的清理代碼，將由exit()函數(shù)自動調(diào)用，并可使用atexit()函數(shù)進(jìn)行注冊。
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#include?int?atexit(void?(*func)(void)); ?
該函數(shù)的參數(shù)是一個無參數(shù)無返回值的終止處理函數(shù)。exit()函數(shù)按注冊的相反順序調(diào)用這些函數(shù)。同一函數(shù)若注冊多次，則被調(diào)用多次。即使不調(diào)用exit函數(shù)，程序退出時也會執(zhí)行atexit注冊的函數(shù)。
通過結(jié)合exit()和atexit()函數(shù)，可在程序出錯終止時拋出異常信息。以除零錯誤為例：
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double?Division(double?fDividend,?double?fDivisor) { ????return?fDividend/fDivisor; } void?RaiseException1(void) { ????printf("Exception?is?raised:? "); } void?RaiseException2(void) { ????printf("The?divisor?cannot?be?0! "); } int?main(void) { ????double?fDividend?=?0.0,?fDivisor?=?0.0; ????printf("Enter?the?dividend:?"); ????scanf("%lf",?&fDividend); ????printf("Enter?the?divisor?:?"); ????scanf("%lf",?&fDivisor); ????if(0?==?fDivisor) ????{ ????????atexit(RaiseException2); ????????atexit(RaiseException1); ????????exit(EXIT_FAILURE); ????} ????printf("The?quotient?is?%.2lf ",?Division(fDividend,?fDivisor)); ????return?0; }?
執(zhí)行結(jié)果為：
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Enter?the?dividend:?10 Enter?the?divisor?:?0 Exception?is?raised:? The?divisor?cannot?be?0!?
注意，通過atexit()注冊的終止處理函數(shù)必須顯式(使用return語句)或隱式地正常返回，而不能通過調(diào)用exit()或longjmp()等其他方式終止，否則將導(dǎo)致未定義的行為。例如，在GCC4.1.2編譯環(huán)境下，調(diào)用exit()終止時仍等效于正常返回；而VC6.0編譯環(huán)境下，調(diào)用exit()的處理函數(shù)將阻止其他已注冊的處理函數(shù)被調(diào)用，并且可能導(dǎo)致程序異常終止甚至崩潰。
嵌套調(diào)用exit()函數(shù)將導(dǎo)致未定義的行為，因此在終止處理函數(shù)或信號處理函數(shù)中盡量不要調(diào)用exit()。
abort()函數(shù)原型聲明如下：
?
#include?void?abort(void); ?
該函數(shù)將SIGABRT信號發(fā)送給調(diào)用進(jìn)程(進(jìn)程不應(yīng)忽略此信號)。
ISO C規(guī)定，調(diào)用abort將向主機(jī)環(huán)境遞送一個未成功終止的通知，其方法是調(diào)用raise(SIGABRT)函數(shù)。因此，abort()函數(shù)理論上的實(shí)現(xiàn)為：
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void?abort(void) { ????raise(SIGABRT); ????exit(EXIT_FAILURE); }?
可見，即使捕捉到SIGABRT信號且相應(yīng)信號處理程序返回，abort()函數(shù)仍然終止程序。Posix.1也說明abort()函數(shù)并不理會進(jìn)程對此信號的阻塞和忽略。
進(jìn)程捕捉到SIGABRT信號后，可在其終止之前執(zhí)行所需的清理操作(如調(diào)用exit)。若進(jìn)程不在信號處理程序中終止自己，Posix.1聲明當(dāng)信號處理程序返回時，abort()函數(shù)終止該進(jìn)程。
ISO C規(guī)定，abort()函數(shù)是否沖洗輸出流、關(guān)閉已打開文件及刪除臨時文件由實(shí)現(xiàn)決定。Posix.1則要求若abort()函數(shù)終止進(jìn)程，則它對所有打開標(biāo)準(zhǔn)I/O流的效果應(yīng)當(dāng)與進(jìn)程終止前對每個流調(diào)用fclose相同。為提高可移植性，若希望沖洗標(biāo)準(zhǔn)I/O流，則應(yīng)在調(diào)用abort()之前執(zhí)行這種操作。
3.2 斷言(assert)
abort()和exit()函數(shù)無條件終止程序。也可使用斷言(assert)有條件地終止程序。
assert是診斷調(diào)試程序時經(jīng)常使用的宏，定義在
內(nèi)。該宏的典型實(shí)現(xiàn)如下： ?
#ifdef????NDEBUG ????#define?assert(expr)????????((void)?0) #else ????extern?void?__assert((const?char?*,?const?char?*,?int,?const?char?*)); ????#define?assert(expr)? ????????((void)?((expr)?||? ?????????(__assert(#expr,?__FILE__,?__LINE__,?__FUNCTION__),?0))) #endif?
可見，assert宏僅在調(diào)試版本(未定義NDEBUG)中有效，且調(diào)用__assert()函數(shù)。該函數(shù)將輸出發(fā)生錯誤的文件名、代碼行、函數(shù)名以及條件表達(dá)式：
?
void?__assert(const?char?*assertion,?const?char?*?filename, ??????????????int?linenumber,?register?const?char?*?function) { ????fprintf(stderr,?"?[%s(%d)%s]?Assertion?'%s'?failed. ", ????????????filename,?linenumber, ????????????((function?==?NULL)???"UnknownFunc"?:?function), ????????????assertion); ????abort(); }?
因此，assert宏實(shí)際上是一個帶有錯誤說明信息的abort()，并做了前提條件檢查。若檢查失敗(斷言表達(dá)式為邏輯假)，則報告錯誤并終止程序；否則繼續(xù)執(zhí)行后面的語句。
使用者也可按需定制assert宏。例如，另一實(shí)現(xiàn)版本為：
?
#undef?assert #ifdef?NDEBUG ????#define?assert(expr)????????((void)?0) #else ????#define?assert(expr)????????((void)?((expr)?||? ?????????(fprintf(stderr,?"[%s(%d)]?Assertion?'%s'?failed. ",? ?????????__FILE__,?__LINE__,?#expr),?abort(),?0))) #endif?
注意，expr1||expr2表達(dá)式作為單獨(dú)語句出現(xiàn)時，等效于條件語句if(!(expr1))expr2。這樣，assert宏就可擴(kuò)展為一個表達(dá)式，而不是一條語句。逗號表達(dá)式expr2返回最后一個表達(dá)式的值(即0)，以符合||操作符的要求。
使用斷言時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
斷言用于檢測理論上絕不應(yīng)該出現(xiàn)的情況，如入?yún)⒅羔槥榭?、除?shù)為0等。
對比以下兩種情況：
?
char?*Strcpy(char?*pszDst,?const?char?*pszSrc) { ????char?*pszDstOrig?=?pszDst; ????assert((pszDst?!=?NULL)?&&?(pszSrc?!=?NULL)); ????while((*pszDst++?=?*pszSrc++)?!=?'?'); ????????return?pszDstOrig; } FILE?*OpenFile(const?char?*pszName,?const?char?*pszMode) { ????FILE?*pFile?=?fopen(pszName,?pszMode); ????assert(pFile?!=?NULL); ????if(NULL?==?pFile) ????????return?NULL; ????//... ????return?pFile; }?
Strcpy()函數(shù)中斷言使用正確，因?yàn)槿雲(yún)⒆址羔槻粦?yīng)為空。OpenFile()函數(shù)中則不能使用斷言，因?yàn)橛脩艨赡苄枰獧z查某個文件是否存在，而這并非錯誤或異常。
2)assert是宏不是函數(shù)，在調(diào)試版本和非調(diào)試版本中行為不同。因此必須確保斷言表達(dá)式的求值不會產(chǎn)生副作用，如修改變量和改變方法的返回值。不過，可根據(jù)這一副作用測試斷言是否打開：
?
int?main(void) { ????int?dwChg?=?0; ????assert(dwChg?=?1); ????if(0?==?dwChg) ????????printf("Assertion?should?be?enabled! "); ????return?0; }?
不應(yīng)使用斷言檢查公共方法的參數(shù)(應(yīng)使用參數(shù)校驗(yàn)代碼)，但可用于檢查傳遞給私有方法的參數(shù)。
可使用斷言測試方法執(zhí)行的前置條件和后置條件，以及執(zhí)行前后的不變性。
斷言條件不成立時，會調(diào)用abort()函數(shù)終止程序，應(yīng)用程序沒有機(jī)會做清理工作(如關(guān)閉文件和數(shù)據(jù)庫)。
3.3 封裝
為減少錯誤檢查和處理代碼的重復(fù)性，可對函數(shù)調(diào)用或錯誤輸出進(jìn)行封裝。
封裝具有錯誤返回值的函數(shù)
通常針對頻繁調(diào)用的基礎(chǔ)性系統(tǒng)函數(shù)，如內(nèi)存和內(nèi)核對象操作等。舉例如下：
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pid_t?Fork(void)?//首字母大寫，以區(qū)分系統(tǒng)函數(shù)fork() { ????pid_t?pid; ????if((pid?=?fork())<0) ????{ ????????fprintf(stderr,?"Fork?error:?%s ",?strerror(errno)); ????????exit(0); ????} ????return?pid; }?
Fork()函數(shù)出錯退出時依賴系統(tǒng)清理資源。若還需清理其他資源(如已創(chuàng)建的臨時文件)，可增加一個負(fù)責(zé)清理的回調(diào)函數(shù)。
注意，并非所有系統(tǒng)函數(shù)都可封裝，應(yīng)根據(jù)具體業(yè)務(wù)邏輯確定。
封裝錯誤輸出
通常需要使用ISO C變長參數(shù)表特性。例如《Unix網(wǎng)絡(luò)編程》中將輸出至標(biāo)準(zhǔn)出錯文件的代碼封裝如下：
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#include?#include? #define?HAVE_VSNPRINTF??1 #define?MAXLINE?????????4096??/*?max?text?line?length?*/ int?daemon_proc;??/*?set?nonzero?by?daemon_init()?*/ static?void?err_doit(int?errnoflag,?int?level,?const?char?*?fmt,?va_list?ap) { ????int?errno_save,?n; ????char?buf[MAXLINE?+?1]; ????errno_save?=?errno;????/*?Value?caller?might?want?printed.?*/ #ifdef?HAVE_VSNPRINTF ????vsnprintf(buf,?MAXLINE,?fmt,?ap); #else ????vsprintf(buf,?fmt,?ap);????/*?This?is?not?safe?*/ #endif ????n?=?strlen(buf); ????if?(errnoflag)?{ ????????snprintf(buf?+?n,?MAXLINE?-?n,?":?%s",?strerror(errno_save)); ????} ????strcat(buf,?" "); ????if?(daemon_proc)?{ ????????syslog(level,?buf); ????}?else?{ ????????fflush(stdout);????/*?In?case?stdout?and?stderr?are?the?same?*/ ????????fputs(buf,?stderr); ????????fflush(stderr); ????} ????return; } void?err_ret(const?char?*?fmt,?...) { ????va_list?ap; ????va_start(ap,?fmt); ????err_doit(1,?LOG_INFO,?fmt,?ap); ????va_end(ap); ????return; } ?
審核編輯：湯梓紅
工商網(wǎng)監(jiān)
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