C语言可变參函数的实现

1 C语言中函数调用的原理

函数是大多数编程语言都实现的编程要素。调用函数的实现原理就是：运行跳转+參数传递。对于运行跳转，全部的CPU都直接提供跳转指令；对于參数传递，CPU会提供多种方式。最常见的方式就是利用栈来传递參数。

C语言标准实现了函数调用。可是却没有限定实现细节。不同的C编译器厂商能够依据底层硬件环境自行确定实现方式。

函数调用的一般实现原理。请參考我的博文 C语言中利用setjmp和longjmp做异常处理中的第一段。

2 可变參实现思路

2.1 怎样取得兴许实參地址

我们以X86架构上的VC++编译器为例进行举例说明。

样例代码例如以下。

void f(int x, int y, int z)
{
    printf("%p, %p, %p
", &x, &y, &z);
}
int main()
{
    f(100, 200, 300);
    return 0;
}

可能的运行结果：

00FFF674, 00FFF678, 00FFF67C

VC++中函数的參数是通过堆栈传递的，參数依照从右向左的顺序入栈。调用f时參数在堆栈中的情况例如以下图所看到的：

可见，我们仅仅要知道x的地址，就能够推算出y,z的地址。从而通过其地址取得參数y,z的值，而不用其參数名称取值。例如以下代码所看到的。

void f(int x, int y, int z)
{
    char* px = (char*)&x;
    char *py = px + sizeof(x);
    char *pz = py + sizeof(int);

    printf("x=%d, y=%d, z=%d
", x, *(int*)py, *(int*)pz);
}
int main()
{
    f(100, 200, 300);
    return 0;
}

可见依据函数的第一个參数。以及兴许參数的类型。就能够依据偏移量计算出兴许參数的地址。从而取得兴许參数值。

于是能够把上述代码改写成可变參数的形式。

void f(int x, ...)
{
    char* px = (char*)&x;
    char *py = px + sizeof(x);
    char *pz = py + sizeof(int);

    printf("x=%d, y=%d, z=%d
", x, *(int*)py, *(int*)pz);
}
int main()
{
    f(100, 200, 300);
    return 0;
}

2.2 怎样标识兴许參数个数和类型

尽管写成了可变參形式。可是函数怎样推断兴许实參的个数和类型呢？这就须要在固定參数中携带这些信息，如printf(char*, …)使用的格式化字符串方法。通过第一个參数来携带兴许參数个数以及类型的信息。我们实现一个简单点的，仅仅能识别%s,%d,%f三种标志。

void f(char* fmt, ...)
{
    char* p0 = (char*)&fmt;
    char* ap = p0 + sizeof(fmt);

    char* p = fmt;
    while (*p) {
        if (*p == '%' && *(p+1) == 'd') {
            printf("參数类型为int,值为 %d
", *((int*)ap));
            ap += sizeof(int);
        }
        else if (*p == '%' && *(p+1) == 'f') {
            printf("參数类型为double,值为 %f
", *((double*)ap));
            ap += sizeof(double);
        }
        else if (*p == '%' && *(p+1) == 's') {
            printf("參数类型为char*,值为 %s
", *((char**)ap));
            ap += sizeof(char*);
        }
        p++;
    }

}
int main()
{
    f("%d,%f,%s", 100, 1.23, "hello world");
    return 0;
}

输出：

參数类型为int,值为 100
參数类型为double,值为 1.230000
參数类型为char*,值为 hello world

为简化分析參数代码，定义一些宏来简化，例如以下。

#define va_list char*   /* 可变參数地址 */
#define va_start(ap, x) ap=(char*)&x+sizeof(x) /* 初始化指针指向第一个可变參数 */
#define va_arg(ap, t)   (ap+=sizeof(t),*((t*)(ap-sizeof(t)))) /* 取得參数值，同一时候移动指针指向兴许參数 */
#define va_end(ap)  ap=0 /* 结束參数处理 */

void f(char* fmt, ...)
{
    va_list ap;
    va_start(ap, fmt);

    char* p = fmt;
    while (*p) {
        if (*p == '%' && *(p+1) == 'd') {
            printf("參数类型为int,值为 %d
", va_arg(ap, int));
        }
        else if (*p == '%' && *(p+1) == 'f') {
            printf("參数类型为double,值为 %f
", va_arg(ap, double));
        }
        else if (*p == '%' && *(p+1) == 's') {
            printf("參数类型为char*,值为 %s
", va_arg(ap, char*));
        }
        p++;
    }
    va_end(ap);
}
int main()
{
    f("%d,%f,%s,%d", 100, 1.23, "hello world", 200);
    return 0;
}

3 正确的变參函数实现方法

上面的样例中，我们没有使用不论什么库函数就轻松实现了可变參数函数。

别高兴太早，上述代码在X86平台的VC++编译器下能够顺利编译、正确运行。可是在gcc编译后。运行却是错误的。

可见GCC对于可变參数的实參传递实现与VC++并不同样。

gcc下编译运行：
[smstong@cf-19 ~]$ ./a.out
參数类型为int,值为 0
參数类型为double,值为 0.000000
Segmentation fault

可见，上述代码是不可移植的。为了在使得可变參函数能够跨平台、跨编译器正确运行，必须使用C标准头文件stdarg.h中定义的宏，而不是我们自定义的。

（这些宏的名字和作用与我们自定义的宏全然同样，这绝不是巧合！）每一个不同的C编译器所附带的stdarg.h文件里对这些宏的定义都不同样。

再次重申一下这几个宏的使用范式：

va_list ap;
va_start(ap, 固定參数名); /* 依据最后一个固定參数初始化 */
可变參数1类型 x1 = va_arg(ap, 可变參数类型1); /* 依据參数类型，取得第一个可变參数值 */
可变參数2类型 x2 = va_arg(ap, 可变參数类型2); /* 依据參数类型。取得第二个可变參数值 */
...
va_end(ap);     /* 结束 */

这次。把我们自己的宏定义去掉，换成#include

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
void f(char* fmt, ...)
{
    va_list ap;
    va_start(ap, fmt);

    char* p = fmt;
    while (*p) {
        if (*p == '%' && *(p+1) == 'd') {
            printf("參数类型为int,值为 %d
", va_arg(ap, int));
        }
        else if (*p == '%' && *(p+1) == 'f') {
            printf("參数类型为double,值为 %f
", va_arg(ap, double));
        }
        else if (*p == '%' && *(p+1) == 's') {
            printf("參数类型为char*,值为 %s
", va_arg(ap, char*));
        }
        p++;
    }
    va_end(ap);

}
int main()
{
    f("%d,%f,%s,%d", 100, 1.23, "hello world", 200);
    return 0;
}

代码在VC++和GCC下均能够正确运行了。

4 几个须要注意的问题

4.1 va_end(ap); 必须不能省略

或许在有些编译器环境中，va_end(ap);确实没有什么作用，可是在其它编译器中却可能涉及到内存的回收，切不可省略。

4.2 可变參数的默认类型提升

《C语言程序设计》中提到：

在没有函数原型的情况下。char与short类型都将被转换为int类型，float类型将被转换为double类型。实际上。用...标识的可变參数总是会运行这样的类型提升。

引用《C陷阱与缺陷》里的话：

**va_arg宏的第2个參数不能被指定为char、short或者float类型**。
由于char和short类型的參数会被转换为int类型，而float类型的參数会被转换为double类型 ……
比如，这样写肯定是不正确的：
c = va_arg(ap,char);
由于我们无法传递一个char类型參数，假设传递了，它将会被自己主动转化为int类型。上面的式子应该写成：
c = va_arg(ap,int);

4.3 编译器无法进行參数类型检查

对于可变參数。编译器无法进行不论什么检查。仅仅能靠调用者的自觉来保证正确。

4.4 可变參数函数必须提供一个或很多其它的固定參数

可变參数必须靠固定參数来定位，所以函数中至少须要提供固定參数，f(固定參数，…)。
当然，也能够提供很多其它的固定參数，如f(固定參数1，固定參数2。…)。

注意的是，当提供2个或以上固定參数时。va_start(ap, x）宏中的x必须是最后一个固定參数的名字（也就是紧邻可变參数的那个固定參数）。

5 C的可变參函数与C++的重载函数

C++的函数重载特性，同意反复使用同样的名称来定义函数，仅仅要同名函数的參数（类型或数量）不同。比如，

void f(int x);
void f(int x, double d);
void f(char* s);

尽管源码中函数名字同样，事实上编译器处理后生成的是三个具有不同函数名的函数（名字改编name mangling）。

尽管在使用上有些相似之处。但这显然与C的可变參数函数全然不是一个概念。