變長引數探究
前言
變長引數，指的是函式引數數量可變，或者說函式接受引數的數量可以不固定。實際上，我們最開始學C語言的時候，就用到了這樣的函式:printf，它接受任意數量的引數，向終端格式化輸出字串。本文就來探究一下，變長引數函式的實現機制是怎樣的，以及我們自己如何實現一個變長引數函式。在此之前，我們先來了解一下引數入棧順序是怎樣的。
函式引數入棧順序
我們可能知道，引數入棧順序是從右至左，是不是這樣的呢？我們可以通過一個小程式驗證一下。小程式做的事情很簡單，main函式呼叫了傳入８個引數的test函式，test函式列印每個引數的地址。
#include<stdio.h> void test(int a,int b,int c,int d,int e,int f,int g,int h) { printf("%p\n%p\n%p\n%p\n%p\n%p\n%p\n%p\n",&a,&b,&c,&d,&e,&f,&g,&h); } int main(int argc,char *argv[]) { int a = 1; int b = 2; int c = 3; int d = 4; int e = 5; int f = 6; int g = 7; int h = 8; test(a,b,c,d,e,f,g,h); return 0; }
編譯成32位程式：
gcc -m32 -o paraTest paraTest.c
執行(不同的機器執行結果不同，且每次執行結果也不一定相同)：
0xffdadff0
0xffdadff4
0xffdadff8
0xffdadffc
0xffdae000
0xffdae004
0xffdae008
0xffdae00c
觀察打印出來的地址，可以發現，從ａ到ｈ地址值依次增加４。我們知道，棧是從高地址向低地址增長的，從地址值可以推測ｈ是最先入棧，ａ是最後入棧的。也就是說，引數是從右往左入棧的（注:並非所有語言都是如此）。
但是如果將函式test引數ｂ改為char 型呢？執行結果如下:
0xffb29500 0xffb294ec 0xffb29508 0xffb2950c 0xffb29510 0xffb29514 0xffb29518 0xffb2951c
觀察結果可以發現，ｂ的地址並非是ａ的地址值加４，也不是在ａ和ｃ的地址值之間，這是為何？這是編譯器出於對空間，壓棧速度等因素的考慮，對其進行了優化，但這並不影響變長引數的實現。
對於上面的情況，如果我們編譯成64位程式又是什麼樣的情況呢？
gcc -o paraTest paraTest.c
./paraTest
執行結果如下:
0x7fff4b83cbcc
0x7fff4b83cbc8
0x7fff4b83cbc4
0x7fff4b83cbc0
0x7fff4b83cbbc
0x7fff4b83cbb8
0x7fff4b83cbe0
0x7fff4b83cbe8
通過觀察可以發現，從引數ａ到ｆ，其地址似乎是遞減的，而從ｇ到ｈ地址又變成遞增的了，這是為什麼呢？事實上，對於x86-64，當引數個數超過６時，前６個引數可以通過暫存器傳遞，而第７～n個引數則會通過棧傳遞，並且資料大小都向８的倍數對齊。也就是說，對於７～ｎ個引數，依然滿足從右往左入棧，只是對於前６個引數，它們是通過暫存器來傳遞的。另外，暫存器的訪問速度相對於記憶體來說要快得多，因此為了提高空間和時間效率，實際中其實不建議引數超過６個。
對於函式引數入棧順序我們就瞭解到這裡，但是引數入棧順序和變長引數又有什麼關係呢？
變長引數實現分析
通過前面的例子，我們瞭解到函式引數是從右往左依次入棧的，而且第一個引數位於棧頂。那麼，我們就可以通過第一個引數進行地址偏移，來得到第二個，第三個引數的地址，是不是可以實現呢？我們來看一個32位程式的例子。例子同樣很簡單，我們通過ａ的地址來獲取其他引數的地址：
#include<stdio.h>
void test( int a, char b, int c, int d, int e)
{
printf("%d\n%d\n%d\n%d\n%d\n\n",a,*(&a+1),*(&a+2),*(&a+3),*(&a+4));
}
int main(int argc,char *argv[])
{
int a = 1;
char b = 2;
int c = 3;
int d = 4;
int e = 5;
test(a,b,c,d,e);
return 0;
}
編譯為32位程式執行：
gcc -m32 -o paraTest paraTest.c
./paraTest
1
2
3
4
5
通過觀察執行結果我們可以發現，即使只有ａ的地址也可以訪問到其他引數。也就是說，即便傳入的引數是多個，只要我們知道每個引數的型別，只需通過第一個引數就能夠通過地址偏移正確訪問到其他引數。同時我們也注意到，即便ｂ是char型別，訪問ｃ的值也是偏移４的倍數地址，這是位元組對齊的緣故，有興趣的可以閱讀理一理位元組對齊的那些事。
變長引數實現
經過前面的理解分析，我們知道，正是由於引數從右往左入棧（但是要注意的是，對於ｘ86-64，它的引數不是完全從右往左入棧，且引數可能不在一個連續的區域中，它的變長引數實現也更為複雜，我們這裡不展開）可以實現變長引數。當然了，這一切，Ｃ已經有現成可用的一些東西來幫我們實現變長引數。
它主要通過一個型別（va_list）和三個巨集（va_start、va_arg、va_end）來實現
va_list ：儲存引數的型別資訊，32位和64位實現不一樣。
void va_start ( va_list ap, paramN );
引數：
ap: 可變引數列表地址
paramN: 確定的引數
功能：初始化可變引數列表，會把paraN之後的引數放入ap中
type va_arg ( va_list ap, type );
功能：返回下一個引數的值。
void va_end ( va_list ap );
功能：完成清理工作。
可變引數函式實現的步驟如下:
-
１.在函式中建立一個va_list型別變數
-
２.使用va_start對其進行初始化
-
３.使用va_arg訪問引數值
-
４.使用va_end完成清理工作
接下來我們來實現一個變長引數函式來對給定的一組整數進行求和。程式清單如下:
#include <stdio.h>
/*要使用變長引數的巨集，需要包含下面的標頭檔案*/
#include <stdarg.h>
/*
* getSum：用於計算一組整數的和
* num：整數的數量
*
* */
int getSum(int num,...)
{
va_list ap;//定義引數列表變數
int sum = 0;
int loop = 0;
va_start(ap,num);
/*遍歷引數值*/
for(;loop < num ; loop++)
{
/*取出並加上下一個引數值*/
sum += va_arg(ap,int);
}
va_end(ap);
return sum;
}
int main(int argc,char *argv[])
{
int sum = 0;
sum = getSum(5,1,2,3,4,5);
printf("%d\n",sum);
return 0;
}
上面的小程式接受變長引數，第一個引數表明將要計算和的整數個數，後面的引數是要計算的值。
編譯執行可得結果:15。
但是我們要注意的是，這個小程式不像printf那樣，對傳入的引數做了校驗，因此一但傳入的引數num和實際引數不匹配，或者傳入型別與要計算的int型別不匹配，將會出現不可預知的錯誤。我們舉一個簡單的例子，如果第二個引數傳入一個浮點數，程式清單如下:
#include <stdio.h>
/*要使用變長引數的巨集，需要包含下面的標頭檔案*/
#include <stdarg.h>
/*
* getSum：用於計算一組整數的和
* num：整數的數量
*
* */
int getSum(int num,...)
{
va_list ap;//定義引數列表變數
int sum = 0;
int loop = 0;
int value = 0;
va_start(ap,num);
for(;loop < num ; loop++)
{
value = va_arg(ap,int);
printf("the %d value is %d\n",loop.value);
sum += value;
}
va_end(ap);
return sum;
}
int main(int argc,char *argv[])
{
int sum = 0;
float a = 8.25f;
printf("a to int=%d\n",*(int*)&a);
sum = getSum(5,a,2,3,4,5);
printf("%d\n",sum);
return 0;
}
編譯執行:
gcc -m32 -o multiPara multiPara.c
./multiPara
a to int=1090781184
the 0 loop value is 0
the 1 loop value is 1075871744
the 2 loop value is 2
the 3 loop value is 3
the 4 loop value is 4
the sum is1075871753
觀察上面的執行結果，發現結果與我們所預期大相徑庭，我們可能會有以下幾個疑問:
-
１．把a的地址上的值轉換為int，為什麼會是1090781184?
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２．getSum函式中，為什麼第一個值是0？
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３．getSum函式中，為什麼第二個值是1075871744？
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４．getSum函式中，為什麼沒有獲取到5？
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５．為什麼最後的結果不是我們預期的值?
我們逐一解答
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第一個問題，我們不在本文解釋，但可以通過對浮點數的一些理解來找到答案。
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對於第二個、第三個問題以及第四個問題，涉及到型別提升。也就是說在C語言中，呼叫一個不帶原型宣告的函式時，呼叫者會對每個引數執行“預設實際引數提升"，提升規則如下:
——float將提升到double
——char、short和相應的signed、unsigned型別將提升到int
——如果int不能儲存原值，則提升到unsigned int
那麼也就可以理解了，呼叫者會將提升之後的引數傳給被呼叫者。也就是說a被提升為了8位元組的double型別，自然而然，而我們取值是按int４位元組取值，第一次取值取的double的前４位元組，第二次取的後４位元組，而由於總共取數５次，因此最後的５也就不會被取到。 -
瞭解了前面幾個問題的答案，那麼最後一個問題的答案也就隨之而出了。前面取值已經不對了，最後的結果自然不是我們想要的。
總結
通過前面的分析和示例，我們來做一些總結
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變長引數實現的基本原理
對於x86來說，函式引數入棧順序為從右往左，因此，在知道第一個引數地址之後，我們能夠通過地址偏移獲取其他引數，雖然x86-64在實現上略有不同，但`對於開發者使用來說，實現變長引數函式沒有32位和64位的區別。 -
變長引數實現注意事項
１．…前的引數可以有1個或多個，但前一個必須是確定型別。
２．傳入引數會可能會出現型別提升。
３．va_arg的type型別不能是char,short int,float等型別，否則取值不正確，原因為第２點。
４．va_arg不能往回取引數，但可以使用va_copy拷貝va_list，以備後用。
５．變長引數型別注意做好檢查，例如可以採用printf的佔位符方式等等。
６．即便printf有型別檢查，但也要注意引數匹配，例如，將int型別匹配%s列印，將會出現嚴重問題。
７．當傳入引數個數少於使用的個數時，可能會出現嚴重問題，當傳入引數大於使用的個數時，多出的引數不會被處理使用。
８．注意位元組對齊問題。
