可變參數函數的原理與實例

2019-11-14 09:38:07

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供稿：網友

在C/C++中，我們經常會用到可變參數的函數（比如PRintf/snprintf等），本篇筆記旨在講解編譯器借助va_start/va_arg/va_end這簇宏來實現可變參數函數的原理，并在文末給出簡單的實例。

備注：本文的分析適用于linux/Windows，其它操作系統平臺的可變參數函數的實現原理大體相似。

1. 基礎知識 如果想要真正理解可變參數函數背后的運行機制，建議先理解兩部分基礎內容： 1）函數調用棧 2）函數調用約定關于這兩個基礎知識點，我之前的筆記有詳細介紹，感興趣的童鞋可以移步這里：棧與函數調用慣例—上篇和棧與函數調用慣例—下篇

2. 三個宏：va_start/va_arg/va_end 由man va_start可知，這簇宏定義在stdarg.h中，在我的測試機器上，該頭文件路徑為：/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-Linux/3.4.5/include/stdarg.h，在gcc源碼中，其路徑為：gcc/include/stdarg.h。在stdarg.h中，宏定義的相關代碼如下：

[cpp] view plain copy#define va_start(v,l) __builtin_va_start(v,l) #define va_end(v) __builtin_va_end(v) #define va_arg(v,l) __builtin_va_arg(v,l) #if !defined(__STRICT_ANSI__) || __STDC_VERSION__ + 0 >= 199900L #define va_copy(d,s) __builtin_va_copy(d,s) #endif #define __va_copy(d,s) __builtin_va_copy(d,s) 其中，前3行就是我們所關心的va_start & var_arg & var_end的定義（至于va_copy，man中有所提及，但通常不會用到，想了解的同學可man查看之）。可見，gcc將它們定義為一組builtin函數。關于這組builtin函數的實現代碼，我曾試圖在gcc源碼中沿著調用路徑往下探索，無奈gcc為實現這組builtin函數引入了很多自定義的數據結構和宏，對非編譯器研究者的我來說，實在有點晦澀，最終探索過程無疾而終。在這里，我列出目前跟蹤到的調用路徑，以便有興趣的童鞋能繼續探索下去或指出我的不足，先在此謝過。 __builtin_va_start()函數的調用路徑：[cpp] view plain copy// file: gcc/builtins.c /* The "standard" implementation of va_start: just assign `nextarg' to the variable. */ void std_expand_builtin_va_start (tree valist, rtx nextarg) { rtx va_r = expand_expr (valist, NULL_RTX, VOIDmode, EXPAND_WRITE); convert_move (va_r, nextarg, 0); // definition is in gcc/expr.c } // 上述代碼中調用了expand_expr()來展開表達式，我猜測該函數調用完后，va_list指向了可變參數list前的最后一個已知類型參數 // file: gcc/expr.h /* Generate code for computing expression EXP. An rtx for the computed value is returned. The value is never null. In the case of a void EXP, const0_rtx is returned. */ static inline rtx expand_expr (tree exp, rtx target, enum machine_mode mode,enum expand_modifier modifier) { return expand_expr_real (exp, target, mode, modifier, NULL); }

3. Windows系統VS內置編譯器對va_start/va_arg/va_end的實現 如前所述，我沒能在gcc源碼中找出va_startva_arg/va_end這3個宏的實現代碼（⊙﹏⊙b汗），所幸的是，Windows平臺VS2008集成的編譯器中，對這三個函數有很明確的實現代碼，摘出如下。[cpp] view plain copy/* file path: Microsoft Visual Studio 9.0/VC/include/stdarg.h */ #include <vadefs.h> #define va_start _crt_va_start #define va_arg _crt_va_arg #define va_end _crt_va_end 可見，Windows系統下，仍然將va_start/va_arg/va_end定義為一組宏。他們對應的實現在vadefs.h中：[cpp] view plain copy/* file path: Microsoft Visual Studio 9.0/VC/include/vadefs.h */ #ifdef __cplusplus #define _ADDRESSOF(v) ( &reinterpret_cast<const char &>(v) ) #else #define _ADDRESSOF(v) ( &(v) ) #endif #define _INTSIZEOF(n) ( (sizeof(n) + sizeof(int) - 1) & ~(sizeof(int) - 1) ) #define _crt_va_start(ap,v) ( ap = (va_list)_ADDRESSOF(v) + _INTSIZEOF(v) ) #define _crt_va_arg(ap,t) ( *(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)) ) #define _crt_va_end(ap) ( ap = (va_list)0 ) 備注：在VS2008提供的vadefs.h文件中，定義了若干組宏以支持不同的操作系統平臺，上面摘出的代碼片段是針對IA x86_32的實現。下面對上面的代碼做個解釋： a. 宏_ADDRESSOF(v)作用：取參數v的地址。 b. 宏_INTSIZEOF(n)作用：返回參數n的size并保證4字節對齊（32-bits平臺）。這個宏應用了一個小技巧來實現字節對齊：~(sizeof(int) - 1)的值對應的2進制值的低k位一定是0，其中sizeof(int) = 2^k，因此，在IA x86_32下，k=2。理解了這一點，那么(sizeof(n) + sizeof(int) - 1) & ~(sizeof(int) - 1)的作用就很直觀了，它保證了sizeof(n)的值按sizeof(int)的值做對齊，例如在32-bits平臺下，就是按4字節對齊；在64-bits平臺下，按8字節對齊。至于為什么要保證對齊，與編譯器的底層實現有關，這里不再展開。 c. _crt_va_start(ap,v)作用：通過v的內存地址來計算ap的起始地址，其中，v是可變參數函數的參數中，最后一個類型已知的參數，執行的結果是ap指向可變參數列表的第1個參數。以int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...)為例，其函數參數列表中最后一個已知類型的參數是const char *format，因此，參數format對應的就是_crt_va_start(ap, v)中的v, 而ap則指向傳入的第1個可變參數。特別需要理解的是：為什么ap = address(v) + sizeof(v)，這與函數棧從高地址向低地址的增長方向及函數調用時參數從右向左的壓棧順序有關，這里默認大家已經搞清楚了這些基礎知識，不再展開詳述。 d. _crt_va_arg(ap,t)作用：更新指針ap后，取類型為t的變量的值并返回該值。 e. _crt_va_end(ap)作用：指針ap置0，防止野指針。概括來說，可變參數函數的實現原理是： 1）根據函數參數列表中最后一個已知類型的參數地址，得到可變參數列表的第一個可變參數 2）根據程序員指定的每個可變參數的類型，通過地址及參數類型的size獲取該參數值 3）遍歷，直到訪問完所有的可變參數從上面的實現過程可以注意到，可變參數的函數實現嚴重依賴于函數棧及函數調用約定（主要是參數壓棧順序），同時，依賴于程序員指定的可變參數類型。因此，若指定的參數類型與實際提供的參數類型不符時，程序出core簡直就是一定的。

4. 程序實例 經過上面對可變參數函數實現機制的分析，很容易實現一個帶可變參數的函數。程序實例如下：

[cpp] view plain copy#include <stdio.h> #include <stdarg.h> void foo(char *fmt, ...) { va_list ap; int d; char c, *p, *s; va_start(ap, fmt); while (*fmt) { if('%' == *fmt) { switch(*(++fmt)) { case 's': /* string */ s = va_arg(ap, char *); printf("%s", s); break; case 'd': /* int */ d = va_arg(ap, int); printf("%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("%c", c); break; default: c = *fmt; printf("%c", c); } // end of switch } else { c = *fmt; printf("%c", c); } ++fmt; } va_end(ap); } int main(int argc, char * argv[]) { foo("sdccds%%, string=%s, int=%d, char=%c/n", "hello world", 211, 'k'); return 0; }