C語言中可變參數的用法

2019-11-17 05:03:29

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供稿：網友

　　我們在C語言編程中會碰到一些參數個數可變的函數,例如PRintf()這個函數,它的定義是這樣的:
　　int printf( const char* format, ...);

　　它除了有一個參數format固定以外,后面跟的參數的個數和類型是可變的,例如我們可以有以下不同的調用方法:
　　printf("%d",i);
　　printf("%s",s);
　　printf("the number is %d ,string is:%s", i, s);
　　究竟如何寫可變參數的C函數以及這些可變參數的函數編譯器是如何實現的呢?本文就這個問題進行一些探討,希望能對大家有些幫助.會C++的網友知道這些問題在C++里不存在,因為C++具有多態性.但C++是C的一個超集,以下的技術也可以用于C++的程序中.限于本人的水平,文中假如有不當之處,請大家指正. (一)寫一個簡單的可變參數的C函數

　　下面我們來探討如何寫一個簡單的可變參數的C函數.寫可變參數的C函數要在程序中用到以下這些宏:
　　void va_start( va_list arg_ptr, prev_param );

　　type va_arg( va_list arg_ptr, type );

　　void va_end( va_list arg_ptr );
　　va在這里是variable-argument(可變參數)的意思.這些宏定義在stdarg.h中,所以用到可變參數的程序應該包含這個頭文件.下面我們寫一個簡單的可變參數的函數,改函數至少有一個整數參數,第二個參數也是整數,是可選的.函數只是打印這兩個參數的值.
　　void simple_va_fun(int i, ...)
　　{
　　va_list arg_ptr;
　　int j=0;

　　va_start(arg_ptr, i);
　　j=va_arg(arg_ptr, int);
　　va_end(arg_ptr);
　　printf("%d %d/n", i, j);
　　return;
　　}
　　我們可以在我們的頭文件中這樣聲明我們的函數:
　　extern void simple_va_fun(int i, ...);
　　我們在程序中可以這樣調用:
　　simple_va_fun(100);
　　simple_va_fun(100,200);
　　從這個函數的實現可以看到,我們使用可變參數應該有以下步驟:
　　1)首先在函數里定義一個va_list型的變量,這里是arg_ptr,這個變量是指向參數的指針.
　　2)然后用va_start宏初始化變量arg_ptr,這個宏的第二個參數是第一個可變參數的前一個參數,是一個固定的參數.
　　3)然后用va_arg返回可變的參數,并賦值給整數j. va_arg的第二個參數是你要返回的參數的類型,這里是int型.
　　4)最后用va_end宏結束可變參數的獲取.然后你就可以在函數里使用第二個參數了.假如函數有多個可變參數的,依次調用va_arg獲取各個參數. 　　假如我們用下面三種方法調用的話,都是合法的,但結果卻不一樣:
　　1)　　simple_va_fun(100);
　　結果是:100 -123456789(會變的值)
　　2)　　simple_va_fun(100,200);
　　結果是:100 200
　　3)　　simple_va_fun(100,200,300);
　　結果是:100 200
　　我們看到第一種調用有錯誤,第二種調用正確,第三種調用盡管結果正確,但和我們函數最初的設計有沖突.下面一節我們探討出現這些結果的原因和可變參數在編譯器中是如何處理的.

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(二)可變參數在編譯器中的處理

　　我們知道va_start,va_arg,va_end是在stdarg.h中被定義成宏的,由于1)硬件平臺的不同 2)編譯器的不同,所以定義的宏也有所不同,下面以VC++中stdarg.h里x86平臺的宏定義摘錄如下(’/’號表示折行):

　　typedef char * va_list;

　　#define _INTSIZEOF(n) /
　　((sizeof(n)+sizeof(int)-1)&~(sizeof(int) - 1) )

　　#define va_start(ap,v) ( ap = (va_list)&v + _INTSIZEOF(v) )

　　#define va_arg(ap,t) /
　　( *(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)) )

　　#define va_end(ap) ( ap = (va_list)0 )
　　定義_INTSIZEOF(n)主要是為了某些需要內存的對齊的系統.C語言的函數是從右向左壓入堆棧的,圖(1)是函數的參數在堆棧中的分布位置.我們看到va_list被定義成char*,有一些平臺或操作系統定義為void*.再看va_start的定義,定義為&v+_INTSIZEOF(v),而&v是固定參數在堆棧的地址,所以我們運行va_start(ap, v)以后,ap指向第一個可變參數在堆棧的地址,如圖:

高地址-----------------------------
函數返回地址
-----------------------------
.......
-----------------------------
第n個參數(第一個可變參數)
-----------------------------<--va_start后ap指向
第n-1個參數(最后一個固定參數)
低地址-----------------------------<-- &v
圖(1)

　　然后,我們用va_arg()取得類型t的可變參數值,以上例為int型為例,我們看一下va_arg取int型的返回值:
　　j= ( *(int*)((ap += _INTSIZEOF(int))-_INTSIZEOF(int)) );
　　首先ap+=sizeof(int),已經指向下一個參數的地址了.然后返回ap-sizeof(int)的int*指針,這正是第一個可變參數在堆棧里的地址(圖2).然后用*取得這個地址的內容(參數值)賦給j.

高地址-----------------------------
函數返回地址
-----------------------------
.......
-----------------------------<--va_arg后ap指向
第n個參數(第一個可變參數)
-----------------------------<--va_start后ap指向
第n-1個參數(最后一個固定參數)
低地址-----------------------------<-- &v
圖(2)

　　最后要說的是va_end宏的意思,x86平臺定義為ap=(char*)0;使ap不再指向堆棧,而是跟NULL一樣.有些直接定義為((void*)0),這樣編譯器不會為va_end產生代碼,例如gcc在linux的x86平臺就是這樣定義的.在這里大家要注重一個問題:由于參數的地址用于va_start宏,所以參數不能聲明為寄存器變量或作為函數或數組類型.關于va_start, va_arg, va_end的描述就是這些了,我們要注重的是不同的操作系統和硬件平臺的定義有些不同,但原理卻是相似的.

(三)可變參數在編程中要注重的問題

　　因為va_start, va_arg, va_end等定義成宏,所以它顯得很愚蠢,可變參數的類型和個數完全在該函數中由程序代碼控制,它并不能智能地識別不同參數的個數和類型.有人會問:那么printf中不是實現了智能識別參數嗎?那是因為函數printf是從固定參數format字符串來分析出參數的類型,再調用va_arg的來獲取可變參數的.也就是說,你想實現智能識別可變參數的話是要通過在自己的程序里作判定來實現的.另外有一個問題,因為編譯器對可變參數的函數的原型檢查不夠嚴格,對編程查錯不利.假如simple_va_fun()改為:
　　void simple_va_fun(int i, ...)
　　{
　　va_list arg_ptr;
　　char *s=NULL;

　　va_start(arg_ptr, i);
　　s=va_arg(arg_ptr, char*);
　　va_end(arg_ptr);
　　printf("%d %s/n", i, s);
　　return;
　　}
　　可變參數為char*型,當我們忘記用兩個參數來調用該函數時,就會出現core dump(Unix) 或者頁面非法的錯誤(window平臺).但也有可能不出錯,但錯誤卻是難以發現,不利于我們寫出高質量的程序.
以下提一下va系列宏的兼容性.System V Unix把va_start定義為只有一個參數的宏:
　　va_start(va_list arg_ptr);
　　而ANSI C則定義為:
　　va_start(va_list arg_ptr, prev_param);
　　假如我們要用system V的定義,應該用vararg.h頭文件中所定義的宏,ANSI C的宏跟system V的宏是不兼容的,我們一般都用ANSI C,所以用ANSI C的定義就夠了,也便于程序的移植.

小結:
　　可變參數的函數原理其實很簡單,而va系列是以宏定義來定義的,實現跟堆棧相關.我們寫一個可變函數的C函數時,有利也有弊,所以在不必要的場合,我們無需用到可變參數.假如在C++里,我們應該利用C++的多態性來實現可變參數的功能,盡量避免用C語言的方式來實現.

寫這篇文章時,適逢感冒,多得有她的關懷,
謹把這篇文章獻給她...

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