在C/C++中，我們經(jīng)常會(huì)用到可變參數(shù)的函數(shù)（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(lái)實(shí)現(xiàn)可變參數(shù)函數(shù)的原理，并在文末給出簡(jiǎn)單的實(shí)例。
備注：本文的分析適用于linux/Windows，其它操作系統(tǒng)平臺(tái)的可變參數(shù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)原理大體相似。1. 基礎(chǔ)知識(shí) 如果想要真正理解可變參數(shù)函數(shù)背后的運(yùn)行機(jī)制，建議先理解兩部分基礎(chǔ)內(nèi)容： 1）函數(shù)調(diào)用棧 2）函數(shù)調(diào)用約定 關(guān)于這兩個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，我之前的筆記有詳細(xì)介紹，感興趣的童鞋可以移步這里：棧與函數(shù)調(diào)用慣例—上篇 和棧與函數(shù)調(diào)用慣例—下篇
2. 三個(gè)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(cè)試機(jī)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(guān)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(guān)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(huì)用到，想了解的同學(xué)可man查看之）。可見，gcc將它們定義為一組builtin函數(shù)。 關(guān)于這組builtin函數(shù)的實(shí)現(xiàn)代碼，我曾試圖在gcc源碼中沿著調(diào)用路徑往下探索，無(wú)奈gcc為實(shí)現(xiàn)這組builtin函數(shù)引入了很多自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏，對(duì)非編譯器研究者的我來(lái)說(shuō)，實(shí)在有點(diǎn)晦澀，最終探索過(guò)程無(wú)疾而終。在這里，我列出目前跟蹤到的調(diào)用路徑，以便有興趣的童鞋能繼續(xù)探索下去或指出我的不足，先在此謝過(guò)。 __builtin_va_start()函數(shù)的調(diào)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(diào)用了expand_expr()來(lái)展開表達(dá)式，我猜測(cè)該函數(shù)調(diào)用完后，va_list指向了可變參數(shù)list前的最后一個(gè)已知類型參數(shù) // 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(tǒng)VS內(nèi)置編譯器對(duì)va_start/va_arg/va_end的實(shí)現(xiàn) 如前所述，我沒(méi)能在gcc源碼中找出va_startva_arg/va_end這3個(gè)宏的實(shí)現(xiàn)代碼（⊙﹏⊙b汗），所幸的是，Windows平臺(tái)VS2008集成的編譯器中，對(duì)這三個(gè)函數(shù)有很明確的實(shí)現(xiàn)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(tǒng)下，仍然將va_start/va_arg/va_end定義為一組宏。他們對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)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(tǒng)平臺(tái)，上面摘出的代碼片段是針對(duì)IA x86_32的實(shí)現(xiàn)。 下面對(duì)上面的代碼做個(gè)解釋： a. 宏_ADDRESSOF(v)作用：取參數(shù)v的地址。 b. 宏_INTSIZEOF(n)作用：返回參數(shù)n的size并保證4字節(jié)對(duì)齊（32-bits平臺(tái)）。這個(gè)宏應(yīng)用了一個(gè)小技巧來(lái)實(shí)現(xiàn)字節(jié)對(duì)齊：~(sizeof(int) - 1)的值對(duì)應(yīng)的2進(jìn)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(diǎn)，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(duì)齊，例如在32-bits平臺(tái)下，就是按4字節(jié)對(duì)齊；在64-bits平臺(tái)下，按8字節(jié)對(duì)齊。至于為什么要保證對(duì)齊，與編譯器的底層實(shí)現(xiàn)有關(guān)，這里不再展開。 c. _crt_va_start(ap,v)作用：通過(guò)v的內(nèi)存地址來(lái)計(jì)算ap的起始地址，其中，v是可變參數(shù)函數(shù)的參數(shù)中，最后一個(gè)類型已知的參數(shù)，執(zhí)行的結(jié)果是ap指向可變參數(shù)列表的第1個(gè)參數(shù)。以int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...)為例，其函數(shù)參數(shù)列表中最后一個(gè)已知類型的參數(shù)是const char *format，因此，參數(shù)format對(duì)應(yīng)的就是_crt_va_start(ap, v)中的v, 而ap則指向傳入的第1個(gè)可變參數(shù)。 特別需要理解的是：為什么ap = address(v) + sizeof(v)，這與函數(shù)棧從高地址向低地址的增長(zhǎng)方向 及函數(shù)調(diào)用時(shí)參數(shù)從右向左的壓棧順序有關(guān)，這里默認(rèn)大家已經(jīng)搞清楚了這些基礎(chǔ)知識(shí)，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(lái)說(shuō)，可變參數(shù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)原理是： 1）根據(jù)函數(shù)參數(shù)列表中最后一個(gè)已知類型的參數(shù)地址，得到可變參數(shù)列表的第一個(gè)可變參數(shù) 2）根據(jù)程序員指定的每個(gè)可變參數(shù)的類型，通過(guò)地址及參數(shù)類型的size獲取該參數(shù)值 3）遍歷，直到訪問(wèn)完所有的可變參數(shù) 從上面的實(shí)現(xiàn)過(guò)程可以注意到，可變參數(shù)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)重依賴于函數(shù)棧及函數(shù)調(diào)用約定（主要是參數(shù)壓棧順序），同時(shí)，依賴于程序員指定的可變參數(shù)類型。因此，若指定的參數(shù)類型與實(shí)際提供的參數(shù)類型不符時(shí)，程序出core簡(jiǎn)直就是一定的。4. 程序?qū)嵗?/strong> 經(jīng)過(guò)上面對(duì)可變參數(shù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)制的分析，很容易實(shí)現(xiàn)一個(gè)帶可變參數(shù)的函數(shù)。程序?qū)嵗缦拢?/p>[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; } 【參考資料】1. linux man : va_start2. wikipedia - x86 calling conventions3. VS2008頭文件：stdarg.h和vadefs.h的源碼 ================== EOF =================
上面的代碼很簡(jiǎn)單，旨在拋磚引玉，只要真正搞清楚了可變參數(shù)函數(shù)的原理，相信各位會(huì)寫出更加復(fù)雜精細(xì)的可變參函數(shù)。 ^_^
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