变长参数函数初探

系统管理员 2022-11-27 06:45 123阅读 0赞

## 前言 ##

变长参数，指的是函数参数数量可变，或者说函数接受参数的数量可以不固定。  
实际上，我们最开始学C语言的时候，就用到了这样的函数:printf，它接受任意数量的参数，向终端格式化输出字符串。本文就来探究一下，变长参数函数的实现机制是怎样的，以及我们自己如何实现一个变长参数函数。在此之前，我们先来了解一下参数入栈顺序是怎样的。

## 函数参数入栈顺序 ##

我们可能知道，参数入栈顺序是从右至左，是不是这样的呢？我们可以通过一个小程序验证一下。小程序做的事情很简单，main函数调用了传入８个参数的test函数，test函数打印每个参数的地址。

#include<stdio.h>
    void test(int a,int b,int c,int d,int e,int f,int g,int h)
    { 
        printf("%p\n%p\n%p\n%p\n%p\n%p\n%p\n%p\n",&a,&b,&c,&d,&e,&f,&g,&h);
    }
    int main(int argc,char *argv[])
    { 
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = 3;
        int d = 4;
        int e = 5;
        int f = 6;
        int g = 7;
        int h = 8;
        test(a,b,c,d,e,f,g,h);
        return 0;
    }

编译成32位程序：

gcc -m32 -o paraTest paraTest.c

运行得到(不同的机器运行结果不同，且每次运行结果也不一定相同)：

0xffdadff0
    0xffdadff4
    0xffdadff8
    0xffdadffc
    0xffdae000
    0xffdae004
    0xffdae008
    0xffdae00c

观察打印出来的地址，可以发现，从ａ到ｈ地址值依次增加４。我们知道，栈是从高地址向低地址增长的，从地址值可以推测ｈ是最先入栈，ａ是最后入栈的。也就是说，参数是**从右往左入栈**的（*注:并非所有语言都是如此*）。

但是如果将函数test参数ｂ改为char 型呢？运行结果如下:

0xffb29500
    0xffb294ec  
    0xffb29508
    0xffb2950c
    0xffb29510
    0xffb29514
    0xffb29518
    0xffb2951c

观察结果可以发现，ｂ的地址并非是ａ的地址值加４，也不是在ａ和ｃ的地址值之间，这是为何？这是编译器出于对空间，压栈速度等因素的考虑，对其进行了优化，但这并不影响变长参数的实现。

对于上面的情况，如果我们编译成64位程序又是什么样的情况呢？

gcc -o paraTest paraTest.c
    ./paraTest

运行结果如下:

0x7fff4b83cbcc
    0x7fff4b83cbc8
    0x7fff4b83cbc4
    0x7fff4b83cbc0
    0x7fff4b83cbbc
    0x7fff4b83cbb8
    0x7fff4b83cbe0
    0x7fff4b83cbe8

通过观察可以发现，从参数ａ到ｆ，其地址似乎是递减的，而从ｇ到ｈ地址又变成递增的了，这是为什么呢？事实上，对于x86-64，当参数个数超过６时，前６个参数可以通过寄存器传递，而第７～n个参数则会通过栈传递，并且数据大小都向８的倍数对齐。也就是说，对于７～ｎ个参数，依然满足从右往左入栈(栈底为高地址、栈顶为低地址)，只是对于前６个参数，它们是通过寄存器来传递的。另外，寄存器的访问速度相对于内存来说要快得多，因此为了提高空间和时间效率，实际中其实**不建议参数超过６个**。

对于函数参数入栈顺序我们就了解到这里，但是参数入栈顺序和变长参数又有什么关系呢？

## 变长参数实现分析 ##

通过前面的例子，我们了解到函数参数是从右往左依次入栈的，而且第一个参数位于栈顶。那么，我们就可以通过第一个参数进行地址偏移，来得到第二个，第三个参数的地址，是不是可以实现呢？我们来看一个32位程序的例子。例子同样很简单，我们通过ａ的地址来获取其他参数的地址：

//来源：公众号【编程珠玑】
    #include<stdio.h>
    void test( int a, char b,  int c, int d, int e)
    { 
        printf("%d\n%d\n%d\n%d\n%d\n\n",a,*(&a+1),*(&a+2),*(&a+3),*(&a+4));
    }
    int main(int argc,char *argv[])
    { 
        int a = 1;
        char b = 2;
        int c = 3;
        int d = 4;
        int e = 5;
        test(a,b,c,d,e);
        return 0;
    }

编译为32位程序运行：

gcc -m32 -o paraTest paraTest.c 
    ./paraTest
    1
    2
    3
    4
    5

通过观察运行结果我们可以发现，即使只有ａ的地址也可以访问到其他参数。也就是说，即便传入的参数是多个，只要我们知道每个参数的类型，只需通过第一个参数就能够通过地址偏移正确访问到其他参数。同时我们也注意到，即便ｂ是char类型，访问ｃ的值也是偏移４的倍数地址，这是字节对齐的缘故，有兴趣的可以阅读"理一理字节对齐的那些事"。

## 变长参数实现 ##

经过前面的理解分析，我们知道，正是由于参数从右往左入栈（但是要注意的是，*对于ｘ86-64，它的参数不是完全从右往左入栈，且参数可能不在一个连续的区域中，它的变长参数实现也更为复杂*，我们这里不展开）可以实现变长参数。当然了，这一切，Ｃ已经有现成可用的一些东西来帮我们实现变长参数。

它主要通过一个类型（va\_list）和三个宏（va\_start、va\_arg、va\_end）来实现

`va_list` ：存储参数的类型信息，32位和64位实现不一样。  
`void va_start ( va_list ap, paramN );`  
参数：  
`ap`: 可变参数列表地址  
`paramN`: 确定的参数  
功能：初始化可变参数列表，会把paraN之后的参数放入ap中

`type va_arg ( va_list ap, type );`  
功能：返回下一个参数的值。

`void va_end ( va_list ap );`  
功能：完成清理工作。  
可变参数函数实现的步骤如下:

1.  在函数中创建一个va\_list类型变量
2.  使用va\_start对其进行初始化
3.  使用va\_arg访问参数值
4.  使用va\_end完成清理工作  
    接下来我们来实现一个变长参数函数来对给定的一组整数进行求和。程序清单如下:

//来源：公众号【编程珠玑】#include <stdio.h>
    /*要使用变长参数的宏，需要包含下面的头文件*/
    #include <stdarg.h>
    /* * getSum：用于计算一组整数的和 * num：整数的数量 * * */
    int getSum(int num,...)
    { 
        va_list ap;//定义参数列表变量
        int sum = 0;
        int loop = 0;
        va_start(ap,num);
        /*遍历参数值*/
        for(;loop < num ; loop++)
        { 
            /*取出并加上下一个参数值*/
            sum += va_arg(ap,int);
        }
        va_end(ap);
        return sum;
    }
    int main(int argc,char *argv[])
    { 
        int sum = 0;
        sum = getSum(5,1,2,3,4,5);
        printf("%d\n",sum);
        return 0;
    }

上面的小程序接受变长参数，第一个参数表明将要计算和的整数个数，后面的参数是要计算的值。  
编译运行可得结果:  
`15`

但是我们要注意的是，这个小程序不像printf那样，对传入的参数做了校验，因此一但传入的参数num和实际参数不匹配，或者传入类型与要计算的int类型不匹配，将会出现不可预知的错误。我们举一个简单的例子，如果第二个参数传入一个浮点数，程序清单如下:

//来源：公众号【编程珠玑】#include <stdio.h>
    /*要使用变长参数的宏，需要包含下面的头文件*/
    #include <stdarg.h>
    /* * getSum：用于计算一组整数的和 * num：整数的数量 * * */
    int getSum(int num,...)
    { 
        va_list ap;//定义参数列表变量
        int sum = 0;
        int loop = 0;
        int value = 0;
        va_start(ap,num);
        for(;loop < num ; loop++)
        { 
            value = va_arg(ap,int);
            printf("the %d value is %d\n",loop.value);
            sum += value;
        }
        va_end(ap);
        return sum;
    }
    int main(int argc,char *argv[])
    { 
        int sum = 0;
        float a = 8.25f;
        printf("a to int=%d\n",*(int*)&a);
        sum = getSum(5,a,2,3,4,5);
        printf("%d\n",sum);
        return 0;
    }

编译运行:

gcc -m32 -o multiPara multiPara.c
    ./multiPara
    a to int=1090781184
    the 0 loop value is 0
    the 1 loop value is 1075871744
    the 2 loop value is 2
    the 3 loop value is 3
    the 4 loop value is 4
    the sum is1075871753

观察上面的运行结果，发现结果与我们所预期大相径庭，我们可能会有以下几个疑问:

1.  把a的地址上的值转换为int，为什么会是1090781184?
2.  getSum函数中，为什么第一个值是0？
3.  getSum函数中，为什么第二个值是1075871744？
4.  getSum函数中，为什么没有获取到5？
5.  为什么最后的结果不是我们预期的值?

**解答**:  
第一个问题，我们不在本文解释，但可以通过对浮点数的一些理解来找到答案。  
对于第二个、第三个问题以及第四个问题，涉及到类型提升。也就是说在C语言中，调用一个不带原型声明的函数时，调用者会对每个参数执行“默认实际参数提升"，提升规则如下:  
——float将提升到double  
——char、short和相应的signed、unsigned类型将提升到int  
——如果int不能存储原值，则提升到unsigned int  
那么也就可以理解了，调用者会将提升之后的参数传给被调用者。也就是说a被提升为了8字节的double类型，自然而然，而我们取值是按int４字节取值，第一次取值取的double的前４字节，第二次取的后４字节，而由于总共取数５次，因此最后的５也就不会被取到。  
了解了前面几个问题的答案，那么最后一个问题的答案也就随之而出了。前面取值已经不对了，最后的结果自然不是我们想要的。

## 总结 ##

对于x86来说，函数参数入栈顺序为从右往左，因此，在知道第一个参数地址之后，我们能够通过地址偏移获取其他参数，虽然x86-64在实现上略有不同，但对于开发者使用来说，实现变长参数函数没有32位和64位的区别。  
变长参数实现注意事项

1.  …前的参数可以有1个或多个，但前一个必须是确定类型。
2.  传入参数会可能会出现类型提升。
3.  va\_arg的type类型不能是char,short int,float等类型，否则取值不正确，原因为第２点。
4.  va\_arg不能往回取参数，但可以使用va\_copy拷贝va\_list，以备后用。
5.  变长参数类型注意做好检查，例如可以采用printf的占位符方式等等。
6.  即便printf有类型检查，但也要注意参数匹配，例如，将int类型匹配%s打印，将会出现严重问题。
7.  当传入参数个数少于使用的个数时，可能会出现严重问题，当传入参数大于使用的个数时，多出的参数不会被处理使用。
8.  注意字节对齐问题。

## 参考文章 ##

1.  [C语言中函数参数入栈的顺序][C]
2.  [每天都在用printf，你知道变长参数是怎么实现的吗][printf]

[C]: https://www.cnblogs.com/xkfz007/archive/2012/03/27/2420158.html
[printf]: https://cloud.tencent.com/developer/article/1523781