探究C/C++可变参数

短命女 2022-01-15 03:29 264阅读 0赞

C/C++支持可变参数个数的函数定义，这一点与C/C++语言函数参数调用时入栈顺序有关，  
首先引用其他网友的一段文字，来描述函数调用，及参数入栈：

\------------ 引用开始 ------------  
C支持可变参数的函数，这里的意思是C支持函数带有可变数量的参数，最常见的例子就  
是我们十分熟悉的printf()系列函数。我们还知道在函数调用时参数是自右向左压栈的  
。如果可变参数函数的一般形式是：  
f(p1, p2, p3, …)  
那么参数进栈（以及出栈）的顺序是：  
…  
push p3  
push p2  
push p1  
call f  
pop p1  
pop p2  
pop p3  
…  
我可以得到这样一个结论：如果支持可变参数的函数，那么参数进栈的顺序几乎必然是  
自右向左的。并且，参数出栈也不能由函数自己完成，而应该由调用者完成。

这个结论的后半部分是不难理解的，因为函数自身不知道调用者传入了多少参数，但是  
调用者知道，所以调用者应该负责将所有参数出栈。

在可变参数函数的一般形式中，左边是已经确定的参数，右边省略号代表未知参数部分  
。对于已经确定的参数，它在栈上的位置也必须是确定的。否则意味着已经确定的参数  
是不能定位和找到的，这样是无法保证函数正确执行的。衡量参数在栈上的位置，就是  
离开确切的函数调用点（call f）有多远。已经确定的参数，它在栈上的位置，不应该  
依赖参数的具体数量，因为参数的数量是未知的！

所以，选择只能是，已经确定的参数，离开函数调用点有确定的距离（较近）。满足这  
个条件，只有参数入栈遵从自右向左规则。也就是说，左边确定的参数后入栈，离函数  
调用点有确定的距离（最左边的参数最后入栈，离函数调用点最近）。

这样，当函数开始执行后，它能找到所有已经确定的参数。根据函数自己的逻辑，它负  
责寻找和解释后面可变的参数（在离开调用点较远的地方），通常这依赖于已经确定的  
参数的值（典型的如prinf()函数的格式解释，遗憾的是这样的方式具有脆弱性）。

据说在pascal中参数是自左向右压栈的，与C的相反。对于pascal这种只支持固定参数函  
数的语言，它没有可变参数带来的问题。因此，它选择哪种参数进栈方式都是可以的。  
甚至，其参数出栈是由函数自己完成的，而不是调用者，因为函数的参数的类型和数量  
是完全已知的。这种方式比采用C的方式的效率更好，因为占用更少的代码量（在C中，  
函数每次调用的地方，都生成了参数出栈代码）。

C++为了兼容C，所以仍然支持函数带有可变的参数。但是在C++中更好的选择常常是函数  
重载。  
\------------ 引用结束 ------------

根据上文描述，我们查看printf()及sprintf()等函数的定义，可以验证这一点：  
\_CRTIMP int \_\_cdecl printf(const char \*, ...);  
\_CRTIMP int \_\_cdecl sprintf(char \*, const char \*, ...);

这两个函数定义时，都使用了\_\_cdecl关键字，\_\_cdecl关键字约定函数调用的规则是：  
调用者负责清除调用堆栈，参数通过堆栈传递，入栈顺序是从右到左。

下一步，我们来看看printf()这种函数是如何使用变个数参数的，下面是摘录MSDN上的例子，  
只引用了ANSI系统兼容部分的代码，UNIX系统的代码请直接参考MSDN。

\------------ 例子代码 ------------  
\#include <stdio.h>  
\#include <stdarg.h>  
int average( int first, ... );

void main( void )  
\{  
printf( "Average is: %d/n", average( 2, 3, 4, -1 ) );  
\}

int average( int first, ... )  
\{  
int count = 0, sum = 0, i = first;  
va\_list marker;

va\_start( marker, first ); /\* Initialize variable arguments. \*/  
while( i != -1 )  
\{  
sum += i;  
count++;  
i = va\_arg( marker, int);  
\}  
va\_end( marker ); /\* Reset variable arguments. \*/  
return( sum ? (sum / count) : 0 );  
\}  
\------------ 代码结束 ------------

上例代码功能是计算平均数，函数允许用户输入多个整型参数，要求作后一个参数必须  
是-1，表示参数输入完毕，然后返回平均数计算结果。

逻辑很简单，首先定义  
va\_list marker;  
表示参数列表，然后调用va\_start()初始化参数列表。注意va\_start()调用时不仅使用了marker  
这个参数列表变量，还使用了first这个参数，说明参数列表的初始化与函数给定的第一个  
确定参数是有关系的，这一点很关键，后续分析会看到原因。

调用va\_start()初始化后，即可调用va\_arg()函数访问每一个参数列表中的参数了。注意va\_arg()  
的第二个参数指定了返回值的类型（int）。

当程序确定所有参数访问结束后，调用va\_end()函数结束参数列表访问。

这样看起来，访问变个数参数是很容易的，也就是使用va\_list,va\_start(),va\_arg(),va\_end()  
这样一个类型与三个函数。但是对于函数变个数参数的机制，感觉仍是一头雾水。看来需要  
继续深入探究，才能的到确切的答案了。

找到va\_list,va\_start(),va\_arg(),va\_end()的定义，在.../VC98/include/stdarg.h文件中。  
.h中代码如下（只摘录了ANSI兼容部分的代码，UNIX等其他系统实现略有不同，感兴趣的朋友可以  
自己研究）：

typedef char \* va\_list;

\#define \_INTSIZEOF(n) ( (sizeof(n) + sizeof(int) - 1) & ~(sizeof(int) - 1) )

\#define va\_start(ap,v) ( ap = (va\_list)&v + \_INTSIZEOF(v) )  
\#define va\_arg(ap,t) ( \*(t \*)((ap += \_INTSIZEOF(t)) - \_INTSIZEOF(t)) )  
\#define va\_end(ap) ( ap = (va\_list)0 )

从代码可以看出，va\_list只是一个类型转义，其实就是定义成char\*类型的指针了，这样就是为了  
以字节为单位访问内存。  
其他三个函数其实只是三个宏定义，且慢，我们先看夹在中间的这个宏定义\_INTSIZEOF：

\#define \_INTSIZEOF(n) ( (sizeof(n) + sizeof(int) - 1) & ~(sizeof(int) - 1) )

这个宏的功能是对给定变量或者类型n，计算其按整型字节长度进行字节对齐后的长度(size)。在32位系统中  
int占4个字节，16位系统中占2字节。  
表达式  
(sizeof(n) + sizeof(int) - 1)  
的作用是，如果sizeof(n)小于sizeof(int)，则计算后  
的结果数值，会比sizeof(n)的值在二进制上向左进一位。  
如：sizeof(short) + sizeof(n) - 1 = 5  
5的二进制是0x00000101，sizeof(short)的二进制是0x00000010，所以5的二进制值比2的二进制值  
向左高一位。  
表达式  
~(sizeof(int) - 1)  
的作用是生成一个蒙版(mask)，以便舍去前面那个计算值的"零头"部分。  
如上例，~(sizeof(int) - 1) = 0xFFFFFFFC  
同5的二进制0x00000101做"与"运算得到的是0x00000100，也就是4，而直接计算sizeof(short)应该得到2。  
这样通过\_INTSIZEOF(short)这样的表达式，就可以得到按照整型字节长度对齐的其他类型字节长度。  
之所以采用int类型的字节长度进行对齐，是因为C/C++中的指针变量其实就是整型数值，长度与int相同，  
而指针的偏移量是后面的三个宏进行运算时所需要的。

关于编程中字节对齐的内容请有兴趣的朋友到网上参考其他文章，这里不再赘述。

继续，下面这个三个宏定义：

第一：  
\#define va\_start(ap,v) ( ap = (va\_list)&v + \_INTSIZEOF(v) )

编程中这样使用  
va\_list marker;  
va\_start( marker, first );  
可以看出va\_start宏的作用是使给定的参数列表指针(marker)，根据第一个确定参数(first)所属类型的  
指针长度向后偏移相应位置，计算这个偏移的时候就用到了前面的\_INTSIZEOF(n)宏。

第二：  
\#define va\_arg(ap,t) ( \*(t \*)((ap += \_INTSIZEOF(t)) - \_INTSIZEOF(t)) )

此处乍一看有点费解，(ap += \_INTSIZEOF(t)) - \_INTSIZEOF(t)表达式的一加一减，对返回值是不起作用  
的啊，也就是返回值都是ap的值，什么原因呢？  
原来这个计算返回值是一方面，另一方面，请记住，va\_start(),va\_arg(),va\_end这三个宏的调用是有关联  
性的，ap这个变量是调用va\_start()时给定的参数列表指针，所以

(ap += \_INTSIZEOF(t)) - \_INTSIZEOF(t)

表达式不仅仅是为了返回当前指向的参数的地址，还是为了让ap指向下一个参数（注意ap跳向下一参数是，  
是按照类型t的\_INTSIZEOF长度进行计算的）。

第三：  
\#define va\_end(ap) ( ap = (va\_list)0 )

这个很好理解了，不过是将ap指针置为空，算作参数读取结束。

至此，C/C++变个数函数参数的机制已经很清晰了。最后还要说一点要注意的问题：  
在用va\_arg()顺序跳转指针读取参数的过程中，并没有方法去判断所得到的下一个指针是否是有效地址，也  
没有地方能够明确得知到底要读取多少个参数，这就是这种变个数参数的危险所在。前面的求平均数的例子  
中，要求输入者必须在参数列表最后提供一个特殊值（-1）来表示参数列表结束，所以可以假设，万一调用  
者没有遵循这种规则，将导致指针访问越界。

那么，可能有朋友会问，printf()函数就没有提供这样的特殊值进行标识啊。

别急，printf()使用的是另一种参数个数识别方式，可能比较隐蔽。注意他的第一个确定参数，也就是被我  
们用作格式控制的format字符串，他的里面有"%d","%s"这样的参数描述符，printf()函数在解析format字符  
串时，可以根据参数描述符的个数，确定需要读取后面几个参数。我们不妨做下面这样的试验：

printf("%d,%d,%d,%d/n",1,2,3,4,5);  
  
实际提供的参数多于前面给定的参数描述符，这样执行的结果是

1,2,3,4

也就是printf()根据format字符串认为后面只有4个参数，其他的就不管了。那么再做一个试验：

printf("%d,%d,%d,%d/n",1,2,3);

实际提供的参数少于给定的参数描述符，这样执行的结果是（如果没有异常的话）

1,2,3,2367460

这个地方，每个人的执行结果可能都不相同，原因是读取最后一个参数的指针已经指向了非法的地址。这也是  
使用printf()这类函数需要特别注意的地方。

总结：  
变个数的函数参数在使用时需要注意的地方比较多。我个人建议尽量回避使用这种模式。比如前面的计算平均  
数，宁可使用数组或其他列表作为参数将一系列数值传递给函数，也不用写这样的变态函数。一方面是容易出  
现指针访问越界，另一方面，在实际的函数调用时，要把所有计算值依次作为参数写在代码里，很龌龊。  
虽然这么说，但有些地方这个功能还是很有用处的，比如字符串的格式化合成，像printf()函数；在实际应用  
中，我还经常使用一个自己写的WriteLog()函数，用于记录文件日志，定义与printf()相同，使用起来非常灵  
活便利，如：

WriteLog("用户%s, 登录次数%d","guanzhong",10);  
  
写在文件里的内容就是

用户guanzhong, 登录次数10  
  
编程语言的使用，在遵循基本规则的前提下，是仁者见仁，智者见智。总之，透彻了解之后，选择一个符合自  
己的好的习惯即可。

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