可变参数详解

printf( )是我们在编程中避不开的函数，之前我们研究了printf( )的实现原理，初步了解了printf( )函数在库中是借用putchar( )来进行实现输出的，但是还有一个问题我们上一篇文章没有解决，那就是printf( )中的可变参数是怎么实现的呢，如何去使用可变参数完成我们自己的输出函数呢？

让我们再来看一眼printf( )的长相，在stdio.h文件中他是这样声明的

int printf(const char *format, ...)

printf( )中分为两种参数，一种是const char *format代表的固定参数，一种是...代表的就是可变参数

/* *****************************************************
* Name: my_vprintf
* fuction: Implement formatting string function
* Input: const char *fmt --  A pointer to a formatted string
         va_list ap -- Parameters of the pointer
* Output: None
* Return: None
* ****************************************************** */
static void my_vprintf(const char *fmt, va_list ap)
{
    char lead = ' ';
    int maxwidth = 0;

    for (; *fmt != '\0'; fmt++)
    {
        if (*fmt != '%')
        { //顺序查找判断，遇到%就推出，否则继续循环输出
            outc(*fmt);
            continue;
        }

        fmt++;
        if (*fmt == '0')
        { //遇到‘0’说明前导码是0
            lead = '0';
            fmt++;
        }

        while (*fmt >= '0' && *fmt <= '9')
        { //紧接着的数字是长度，算出指定长度
            maxwidth *= 10;
            maxwidth += (*fmt - '0');
            fmt++;
        }

        switch (*fmt)
        { //判断格式输出
        case 'd':
            out_num(va_arg(ap, int), 10, lead, maxwidth);
            break;
        case 'o':
            out_num(va_arg(ap, unsigned int), 8, lead, maxwidth);
            break;
        case 'u':
            out_num(va_arg(ap, unsigned int), 10, lead, maxwidth);
            break;
        case 'x':
            out_num(va_arg(ap, unsigned int), 16, lead, maxwidth);
            break;
        case 'c':
            outc(va_arg(ap, int));
            break;
        case 's':
            outs(va_arg(ap, char *));
            break;

        default:
            outc(*fmt);
            break;
        }
    }
}
/* *****************************************************
* Name: printf
* fuction: None
* Input: const char *fmt --  A pointer to a formatted string
         ...  -- Variable number of arguments
* Output: None
* Return: None
* ****************************************************** */

void printf(const char *fmt, ...)
{
    va_list ap; /* 获取输入的参数指针 */
    va_start(ap, fmt); /* 获取 */
    my_vprintf(fmt, ap);
    va_end(ap);
}

可变参数与 stdarg.h 库

首先我们来看看stdarg.h 库中有那些内容

库变量

下面是头文件 stdarg.h 中定义的变量类型：

序号变量 & 描述
1va_list 这是一个适用于 va_start()、va_arg() 和 va_end() 这三个宏存储信息的类型。

库宏

下面是头文件 stdarg.h 中定义的宏：

序号宏 & 描述
1void va_start(va_list ap, last_arg) 这个宏初始化 ap 变量，它与 va_arg 和 va_end 宏是一起使用的。last_arg 是最后一个传递给函数的已知的固定参数，即省略号之前的参数。
2**type va_arg(va_list ap, type)**这个宏检索函数参数列表中类型为 type 的下一个参数。
3**void va_end(va_list ap)**这个宏允许使用了 va_start 宏的带有可变参数的函数返回。如果在从函数返回之前没有调用 va_end，则结果为未定义。

注意：以上的所有操作，只能从头到尾顺序访问后面的可变参数，可以暂停，但不能反向读取

库实现

/* VC++ 6.0 */
#define _INTSIZEOF(n) ((sizeof(n) + sizeof(int) - 1) & ~(sizeof(int) - 1))
#define va_start(ap, v) (ap = (va_list)&v + _INTSIZEOF(v))                     //第一个可选参数地址
#define va_arg(ap, t) (*(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)))          //下一个参数的值
#define va_end(ap) (ap = (va_list)0)                                           // 将指针置为无效

如果将其转换成函数则是

void va_start(va_list ap, xxx v) /* 其中的 xxx 为任意类型变量 */
{
    ap = (va_list)&v + sizeof(v);
}
xxx va_arg(va_list ap, xxx t) /* 其中的 xxx 为任意类型变量 */
{
    // (*(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)))  
    ap += sizeof(t);
    return *((t *)(ap - sizeof(t)))
   	
}
void va_end(va_list ap) 
{
    ap = (va_list)0; //强制转换
}

可变参数的存储与实现

以下文字引用自博客 可变参数函数详解

C调用约定下可使用va_list系列变参宏实现变参函数，此处va意为variable-argument(可变参数)。

典型用法如下：

#include <stdarg.h>

int VarArgFunc(int dwFixedArg, ...){ //以固定参数的地址为起点依次确定各变参的内存起始地址

    va_list pArgs = NULL;  //定义va_list类型的指针pArgs，用于存储参数地址
    va_start(pArgs, dwFixedArg); //初始化pArgs指针，使其指向第一个可变参数。该宏第二个参数是变参列表的前一个参数，即最后一个固定参数
    int dwVarArg = va_arg(pArgs, int); //该宏返回变参列表中的当前变参值并使pArgs指向列表中的下个变参。该宏第二个参数是要返回的当前变参类型
    //若函数有多个可变参数，则依次调用va_arg宏获取各个变参
    va_end(pArgs);  //将指针pArgs置为无效，结束变参的获取
    /* Code Block using variable arguments */

}
//可在头文件中声明函数为extern int VarArgFunc(int dwFixedArg, ...);，调用时用VarArgFunc(FixedArg, VarArg);

变参宏根据堆栈生长方向和参数入栈特点，从最靠近第一个可变参数的固定参数开始，依次获取每个可变参数的地址。

变参宏的定义和实现因操作系统、硬件平台及编译器而异(但原理相似)。

下面这四小段引用自 C语言中函数参数入栈的顺序

C程序栈底为高地址，栈顶为低地址，函数参数入栈顺序的确是从右至左的。可到底为什么呢？查了一直些文献得知，参数入栈顺序是和具体编译器实现相关的。比如，Pascal语言中参数就是从左到右入栈的，有些语言中还可以通过修饰符进行指定，如Visual C++.即然两种方式都可以，为什么C语言要选择从右至左呢？

进一步发现，Pascal语言不支持可变长参数，而C语言支持这种特色，正是这个原因使得C语言函数参数入栈顺序为从右至左。具体原因为：C方式参数入栈顺序(从右至左)的好处就是可以动态变化参数个数。通过栈堆分析可知，自左向右的入栈方式，最前面的参数被压在栈底。除非知道参数个数，否则是无法通过栈指针的相对位移求得最左边的参数。这样就变成了左边参数的个数不确定，正好和动态参数个数的方向相反。

因此，C语言函数参数采用自右向左的入栈顺序，主要原因是为了支持可变长参数形式。换句话说，如果不支持这个特色，C语言完全和Pascal一样，采用自左向右的参数入栈方式。

System V Unix在varargs.h头文件中定义va_start宏为va_start(va_list arg_ptr)，而ANSI C则在stdarg.h头文件中定义va_start宏为va_start(va_list arg_ptr, prev_param)。

两种宏并不兼容，为便于程序移植通常采用ANSI C定义。

gcc编译器使用内置宏间接实现变参宏，如#define va_start(v,l) __builtin_va_start(v,l)。因为gcc编译器需要考虑跨平台处理，而其实现因平台而异。例如x86-64或PowerPC处理器下，参数不全都通过堆栈传递，变参宏的实现相比x86处理器更为复杂。

x86平台VC6.0编译器中，stdarg.h头文件内变参宏定义如下：

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, type)   ( *(type *)((ap += _INTSIZEOF(type)) - _INTSIZEOF(type)) )
#define va_end(ap)       ( ap = (va_list)0 )

各宏的含义如下：

  1. _INTSIZEOF宏考虑到某些系统需要内存地址对齐。从宏名看应按照sizeof(int)即堆栈粒度对齐，即参数在内存中的地址均为sizeof(int)=4的倍数。例如，若在1≤sizeof(n)≤4，则_INTSIZEOF(n)＝4；若5≤sizeof(n)≤8，则_INTSIZEOF(n)=8。为便于理解，简化该宏为

#define _INTSIZEOF(n) ((sizeof(n) + x) & ~(x))x = sizeof(int) - 1 = 3 = 0b’0000 0000 0000 0011~x = 0b’1111 1111 1111 1100

一个数与(~x)相与的结果是sizeof(int)的倍数，即_INTSIZEOF(n)将n圆整为sizeof(int)的倍数。

  1. va_start宏根据(va_list)&v得到第一个可变参数前的一个固定参数在堆栈中的内存地址，加上_INTSIZEOF(v)即v所占内存大小后，使ap指向固定参数后下个参数(第一个可变参数地址)。

    固定参数的地址用于va_start宏，因此不能声明为寄存器变量(地址无效)或作为数组类型(长度难定)。

  2. va_arg宏取得type类型的可变参数值。首先ap+=_INTSIZEOF(type)，即ap跳过当前可变参数而指向下个变参的地址；然后ap-_INTSIZEOF(type)得到当前变参的内存地址，类型转换后返回当前变参值。

    va_arg宏的等效实现，如下将指针移动至下个变参，并返回左移的值[-1](数组下标表示偏移量)，即当前变参值#define va_arg(ap,type) ((type *)((ap) += _INTSIZEOF(type)))

  3. va_end宏使ap不再指向有效的内存地址。该宏的某些实现定义为((void*)0)，编译时不会为其产生代码，调用与否并无区别。但某些实现中va_end宏用于函数返回前完成一些必要的清理工作：如va_start宏可能以某种方式修改堆栈，导致返回操作无法完成，va_end宏可将有关修改复原；又如va_start宏可能对参数列表动态分配内存以便于遍历va_list，va_end宏可释放此前动态分配的内存。因此，从使用va_start宏的函数中退出之前，必须调用一次va_end宏。函数内可多次遍历可变参数，但每次必须以va_start宏开始，因为遍历后ap指针不再指向首个变参。

下图给出基于变参宏的可变参数在堆栈中的分布：

img

变参宏无法智能识别可变参数的数目和类型，因此实现变参函数时需自行判断可变参数的数目和类型。

前者可显式提供变参数目或设定遍历结束条件(如-1、'\0’或回车符等)。

后者可显式提供变参类型枚举值，或在固定参数中包含足够的类型信息(如printf函数通过分析format字符串即可确定各变参类型)，甚至主调函数和被调函数可约定变参的类型组织等。

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