C语言中可变参数函数实现原理

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 可变参数函数的实现与函数调用的栈结构密切相关，正常情况下C的函数参数入栈规则为__stdcall, 它是从右到左的，即函数中的最右边的参数最先入栈。例如，对于函数：

  void fun(int a, int b, int c)
  {
        int d;
        ...
  }

其栈结构为

    0x1ffc-->d

    0x2000-->a

    0x2004-->b

    0x2008-->c

对于在32位系统的多数编译器，每个栈单元的大小都是sizeof(int), 而函数的每个参数都至少要占一个栈单元大小，如函数 void fun1(char a, int b, double c, short d) 对一个32的系统其栈的结构就是

    0x1ffc-->a  (4字节)（为了字对齐）

    0x2000-->b  (4字节)

    0x2004-->c  (8字节)

    0x200c-->d  (4字节)

先看看固定参数列表函数：

void fixed_args_func(int a, double b, char *c)
{
        printf("a = 0x%p\n", &a);
        printf("b = 0x%p\n", &b);
        printf("c = 0x%p\n", &c);
}

对于固定参数列表的函数，每个参数的名称、类型都是直接可见的，他们的地址也都是可以直接得到的，比如：通过&a我们可以得到a的地址，并通过函数原型声明了解到a是int类型的。

   但是对于变长参数的函数，我们就没有这么顺利了。还好，按照C标准的说明，支持变长参数的函数在原型声明中，必须有至少一个最左固定参数(这一点与传统C有区别，传统C允许不带任何固定参数的纯变长参数函数)，这样我们可以得到其中固定参数的地址，但是依然无法从声明中得到其他变长参数的地址，比如：

void var_args_func(const char * fmt, ...) 
{
    ... ... 
}

这里我们只能得到fmt这固定参数的地址，仅从函数原型我们是无法确定"..."中有几个参数、参数都是什么类型的。回想一下函数传参的过程，无论"..."中有多少个参数、每个参数是什么类型的，它们都和固定参数的传参过程是一样的，简单来讲都是栈操作，而栈这个东西对我们是开放的。这样一来，一旦我们知道某函数帧的栈上的一个固定参数的位置，我们完全有可能推导出其他变长参数的位置。

我们先用上面的那个fixed_args_func函数确定一下入栈顺序。

int main() 
{
    fixed_args_func(17, 5.40, "hello world");
    return 0;
}
a = 0x0022FF50
b = 0x0022FF54
c = 0x0022FF5C

从这个结果来看，显然参数是从右到左，逐一压入栈中的(栈的延伸方向是从高地址到低地址，栈底的占领着最高内存地址，先入栈的参数，其地理位置也就最高了)。

我们基本可以得出这样一个结论：

 c.addr = b.addr + x_sizeof(b);  /*注意:  x_sizeof !=sizeof */
 b.addr = a.addr + x_sizeof(a);

有了以上的"等式"，我们似乎可以推导出 void var_args_func(const char * fmt, ... ) 函数中，可变参数的位置了。起码第一个可变参数的位置应该是：first_vararg.addr = fmt.addr + x_sizeof(fmt);  根据这一结论我们试着实现一个支持可变参数的函数：

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

void var_args_func(const char * fmt, ...) 
{
    char    *ap;

    ap = ((char*)&fmt) + sizeof(fmt);
    printf("%d\n", *(int*)ap);  
        
    ap =  ap + sizeof(int);
    printf("%d\n", *(int*)ap);

    ap =  ap + sizeof(int);
    printf("%s\n", *((char**)ap));
}

int main()
{
    var_args_func("%d %d %s\n", 4, 5, "hello world");
　　 return 0;
}

期待输出结果:
4
5
hello world

  先来解释一下这个程序。我们用ap获取第一个变参的地址，我们知道第一个变参是4，一个int 型，所以我们用(int*)ap以告诉编译器，以ap为首地址的那块内存我们要将之视为一个整型来使用，*(int*)ap获得该参数的值；接下来的变参是5，又一个int型，其地址是ap + sizeof(第一个变参)，也就是ap + sizeof(int)，同样我们使用*(int*)ap获得该参数的值；最后的一个参数是一个字符串，也就是char*，与前两个int型参数不同的是，经过ap + sizeof(int)后，ap指向栈上一个char*类型的内存块(我们暂且称之tmp_ptr, char *tmp_ptr)的首地址，即ap -> &tmp_ptr，而我们要输出的不是printf("%s\n", ap)，而是printf("%s\n", tmp_ptr); printf("%s\n", ap)是意图将ap所指的内存块作为字符串输出了，但是ap -> &tmp_ptr，tmp_ptr所占据的4个字节显然不是字符串，而是一个地址。如何让&tmp_ptr是char **类型的，我们将ap进行强制转换(char**)ap <=> &tmp_ptr，这样我们访问tmp_ptr只需要在(char**)ap前面加上一个*即可，即printf("%s\n",  *(char**)ap);

   一切似乎很完美，编译也很顺利通过，但运行上面的代码后，不但得不到预期的结果，反而整个编译器会强行关闭（大家可以尝试着运行一下），原来是ap指针在后来并没有按照预期的要求指向第二个变参数，即并没有指向5所在的首地址，而是指向了未知内存区域，所以编译器会强行关闭。其实错误开始于：ap =  ap + sizeof(int);由于内存对齐，编译器在栈上压入参数时，不是一个紧挨着另一个的，编译器会根据变参的类型将其放到满足类型对齐的地址上的，这样栈上参数之间实际上可能会是有空隙的。（C语言内存对齐详解（1） C语言内存对齐详解（2） C语言内存对齐详解（3））所以此时的ap计算应该改为：ap =  (char *)ap +sizeof(int) + __va_rounded_size(int);

改正后的代码如下：

#include<stdio.h>

#define __va_rounded_size(TYPE)    (((sizeof (TYPE) + sizeof (int) - 1) / sizeof (int)) * sizeof (int))

void var_args_func(const char * fmt, ...) 
{
    char *ap;

    ap = ((char*)&fmt) + sizeof(fmt);
    printf("%d\n", *(int*)ap);  
        
    ap = (char *)ap + sizeof(int) + __va_rounded_size(int);
    printf("%d\n", *(int*)ap);

    ap = ap + sizeof(int) + __va_rounded_size(int);
    printf("%s\n", *((char**)ap));
}

int main()
{
    var_args_func("%d %d %s\n", 4, 5, "hello world");　
    return 0;
}

var_args_func只是为了演示，并未根据fmt消息中的格式字符串来判断变参的个数和类型，而是直接在实现中写死了。

为了满足代码的可移植性，C标准库在stdarg.h中提供了诸多便利以供实现变长长度参数时使用。这里也列出一个简单的例子，看看利用标准库是如何支持变长参数的：

 1 #include <stdarg.h>#include <stdio.h>
 2 
 3 void std_vararg_func(const char *fmt, ...) {
 4         va_list ap;
 5         va_start(ap, fmt);
 6 
 7         printf("%d\n", va_arg(ap, int));
 8         printf("%f\n", va_arg(ap, double));
 9         printf("%s\n", va_arg(ap, char*));
10 
11         va_end(ap);
12 }
13 
14 int main() {
15         std_vararg_func("%d %f %s\n", 4, 5.4, "hello world");        return 0;}

对比一下 std_vararg_func和var_args_func的实现，va_list似乎就是char*， va_start似乎就是 ((char*)&fmt) + sizeof(fmt)，va_arg似乎就是得到下一个参数的首地址。没错，多数平台下stdarg.h中va_list, va_start和var_arg的实现就是类似这样的。一般stdarg.h会包含很多宏，看起来比较复杂。

下面我们来探讨如何写一个简单的可变参数的C 函数.

使用可变参数应该有以下步骤: 
1)首先在函数里定义一个va_list型的变量,这里是arg_ptr,这个变量是指向参数的指针. 
2)然后用va_start宏初始化变量arg_ptr,这个宏的第二个参数是第一个可变参数的前一个参数,是一个固定的参数. 
3)然后用va_arg返回可变的参数,并赋值给整数j. va_arg的第二个参数是你要返回的参数的类型,这里是int型. 
4)最后用va_end宏结束可变参数的获取.然后你就可以在函数里使用第二个参数了.如果函数有多个可变参数的,依次调用va_arg获取各个参数.

在《C程序设计语言》中，Ritchie提供了一个简易版printf函数：

 1 #include<stdarg.h>
 2 
 3 void minprintf(char *fmt, ...)
 4 {
 5     va_list ap;
 6     char *p, *sval;
 7     int ival;
 8     double dval;
 9 
10     va_start(ap, fmt);
11     for (p = fmt; *p; p++) {
12         if(*p != ‘%‘) {
13             putchar(*p);
14             continue;
15         }
16         switch(*++p) {
17         case ‘d‘:
18             ival = va_arg(ap, int);
19             printf("%d", ival);
20             break;
21         case ‘f‘:
22             dval = va_arg(ap, double);
23             printf("%f", dval);
24             break;
25         case ‘s‘:
26             for (sval = va_arg(ap, char *); *sval; sval++)
27                 putchar(*sval);
28             break;
29         default:
30             putchar(*p);
31             break;
32         }
33     }
34     va_end(ap);
35 }

C语言中可变参数函数实现原理

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原文地址：http://www.cnblogs.com/NewValue/p/4170145.html