C函数和宏中的可变参数

一：调用惯例

         函数的调用方和被调用方对函数如何调用应该有统一的理解，否则函数就无法正确调用。比如foo(int n, int m)，调用方如果认为压栈顺序是m，n，而foo认为压栈顺序是n, m，那么这个函数就不会调用成功。

 

         因此，函数的调用方和被调用方对于函数如何调用需要有个明确的约定，双方都遵守同样的约定，函数才能调用成功，这种约定称为调用惯例，一个调用惯例一般会规定如下几个方面的内容：

         1：函数参数的传递顺序和方式

         函数参数的传递有多种方式，最常见的是通过栈传递。函数的调用方将参数压入栈中，函数自己在从栈中将参数取出。如果有多个参数，调用惯例要规定函数调用方参数压栈的顺序：从左至右，还是从右至左。有些调用惯例还允许使用寄存器传递参数，以提高性能。

         2：栈的维护方式

         在函数将参数压栈之后，函数体会被调用，此后需要将被压入栈中的参数全部弹出，使得栈在函数调用前后保持一致。这个弹出的工作可以由函数调用方完成，也可以由函数本身完成。

         3：名字修饰策略

         不同的调用惯例对函数名有不同的修饰策略

 

         在C中，存在多个调用惯例，默认的调用惯例是cdecl，任何一个没有显示执行调用惯例的函数默认都是cdecl惯例。另外，_cdecl是非标准关键字，在不同的编译器中可以有不同的写法，比如在GCC中，使用：__attribute__((cdecl))。cdecl的调用惯例：参数从右至左的顺序入栈，参数出栈由调用方完成。

         除了cdecl调用惯例之外，还存在许多别的调用惯例，比如stdcall，fastcall等，不再赘述。

 

二：函数中的可变参数

         printf函数的原型如下：

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

         printf函数就是可变参数的典范。除了第一个参数类型为const char *之外，可以追加任意数量，任意类型的参数。

         可变参数的实现，得益于C语言默认的cdecl调用惯例，它从右向左进行参数的入栈，比如函数：int  sum(unsigned  num,  ...);num表示后面会传递num个整数，当调用sum时：int n = sum(3, 16, 38, 53);参数在栈上的布局如下图：

         函数内部，可以使用num得到数字3，而且其他参数在栈上的排列就是在num的高地址方向，从而可以通过num的地址计算出其他参数的地址，所以，sum函数的实现如下：

int sum(unsigned num, ...)
{
    int *p = &num + 1;
    int ret = 0;
    while(num--)
        ret += *p++;
    
    return ret;
}

         所以，cdecl调用惯例保证了参数的正确处理，但是在调用sum函数的时候，必须要知道有多少个不定参数，每个不定参数的类型是什么。因此printf在format中指定了参数类型和参数个数。

 

         可以使用stdarg.h中定义的宏来访问各个不定参数：

#include <stdarg.h>

void va_start(va_list ap, last);
type va_arg(va_list ap, type);
void va_end(va_list ap);
void va_copy(va_list dest, va_list src);

       首先需要定义va_list类型的变量：va_list  ap;  该变量会依次指向各个可变参数。     va_list实际上是一个指针，指向各种不定参数，因类型不同，所以va_list以void *或char *为最佳选择。

 

         ap必须首先使用va_start初始化，ap只有经过va_start初始化之后，才可以被后续的va_arg和va_end使用。

         va_start(ap, last)；其中last是函数最后一个具名参数，比如printf中的format。因va_start中会使用last的地址，因此该变量不能是寄存器变量，也不能是函数或者数组类型。

         经过va_start初始化之后，ap指向第一个可变参数。

        

         va_arg宏返回当前可变参数的值，并使ap指向下一个可变参数：type  va_arg(va_list ap,  type); type是ap指向的当前可变参数的类型。该宏还会修改ap，使其指向下一个可变参数。

         如果后续没有可变参数了，或者type与实际的可变参数类型不符，则va_arg会发生不可预知的错误。

 

         同一个函数中，每一个va_start必须跟着一个相应的va_end。经过va_end之后，ap将是未定义的。一般是将指针ap置NULL。

 

         这些宏可以如下实现：

#define va_list             char *
#define va_start(ap, arg)   (ap = (va_list)(&arg) + sizeof(arg))
#define va_arg(ap, t)       (*(t*)((ap += sizeof(t)) – sizeof(t)))
#define va_end(ap)          (ap = (va_list)0)

         va_copy将src复制到dest。行为上类似于，以同样的步骤和参数，将之前对src的调用，施加于dest上。

 

         va_start、va_arg、va_end和va_copy都是线程安全的。其中va_start、va_arg和va_end是C89中就定义的，在C99中，又新增了va_copy。

         下面的例子，是实现一个printf函数的简易版：

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

void foo(char *fmt, ...)
{
   va_list ap;
   int d;
   char c, *s;

   va_start(ap, fmt);
   while (*fmt)
       switch (*fmt++) {
       case 's':              /* string */
           s = va_arg(ap, char *);
           printf("string %s
", s);
           break;
       case 'd':              /* int */
           d = va_arg(ap, int);
           printf("int %d
", d);
           break;
       case 'c':              /* char */
           /* need a cast here since va_arg only
              takes fully promoted types */
           c = (char) va_arg(ap, int);
           printf("char %c
", c);
           break;
       }
   va_end(ap);
}

三：宏中的可变参数

         C99中，类似于函数，宏也可以接受可变参数。比如下面的例子：

#define debug(format, ...) fprintf (stderr, format, __VA_ARGS__)

         其中的”...”就是可变参数。在宏的调用中，它会展开为最后一个命名参数之后，’)’之前的所有token，包括逗号，并替换掉宏体中的”__VA_ARGS__”。

        

         比如下面的语句：

debug("the int is %d, string is %s
", 3, "hello, world");

         经过宏替换之后，展开为下面的语句：

fprintf (stderr, "the int is %d, string is %s
", 3, "hello, world");

         在GCC中，除了支持上面的写法之外，还支持使用更具描述性的名字表示可变参数，而不使用”__VA_ARGS__”。使用”argname...”的写法表示可变参数，其中argname是参数名，可以任意取。比如上面的宏定义，可以写成下面的形式，效果是一样的：

#define debug(format, arg...)  fprintf(stderr, format, arg)

         但是，上面两种写法的debug宏还有一个共同的问题，就是必须提供一个可变参数，否则无法匹配宏，而且会出现语法错误，比如下面的语句：

debug("hehe
");

         展开后，就会扩展为下面的语句：

fprintf(stderr, "hehe
", );

         这显然会报语法错误。

 

         解决这个问题有两种方法：

         1：将所有参数都当成可变参数，将宏定义成下面的形式：

#define debug(...)  fprintf (stderr, __VA_ARGS__)

或是：

#define debug(arg...)  fprintf(stderr, arghehe)

         2：使用”##”。当将”##”置于逗号和可变参数之间时，它有特殊的意义。比如下面的写法：

#define debug(format, ...) fprintf (stderr, format, ##__VA_ARGS__)

或是：

#define debug(format, arg...)  fprintf(stderr, format, ##arg)

         这种情况下，当省略可变参数时，”##”会使得预编译器删除它前面的逗号。当确实提供了可变参数时，”##”不起作用，像正常的可变参数一样进行替换。

 

         推荐使用第二种方法。

 

参考：

         《程序员的自我修养》

         https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Variadic-Macros.html

         https://gcc.gnu.org/onlinedocs/cpp/Variadic-Macros.html