理解可变参数va_list、va_start、va_arg、va_end原理及使用方法

参考：

http://www.360doc.com/content/12/0309/10/4025635_192940551.shtml

http://www.cnblogs.com/AnnieKim/archive/2011/11/25/ellipsis.html

http://intijk.com/others/va_list-%E7%9A%84%E7%94%A8%E6%B3%95.html

 

如何获取函数的变长参数（va_list, va_start, va_arg, va_end）

最近在花时间研读C++。

函数这章讲到了函数的变长参数（ellipsis...），但是primer中讲得比较浅，提到了怎么声明怎么调用，但是没有写明在函数内部是如何获取变长的参数的。

1）省略号（ellipsis）

在无法给出所有传递给函数的参数的类型和数目时，可以使用省略号（...）指定函数参数表。有如下几种形式：

1 void fun1(int a, double b, ...); //给出确定的几个参数，其他用省略号
2 void fun2(int a ...);            //省略号前有或者没有逗号都是可以的
3 void fun3(...);                  //也可以不确定任何参数，但和没有参数是不一样的

最典型的应用就是printf函数，printf的声明和调用方法如下：

1 int printf( const char *format [,argument]... );    //官方声明
2 printf("My name is %s, age %d.", "AnnieKim", 24);   //调用

2）通用的工作原理

大多数带有变长参数的函数都利用显式声明的参数中的一些信息，来获取调用中提供的其他可选实参的类型和数目。

比如printf函数，就是根据第一个参数推导可选实参：如果第一个'%'后有一个's'，说明后面要有第二个参数，类型是字符串；如果还有第二个'%'，后面跟一个'd'，说明还需要第三个参数，是一个整型等等。

所以说，通常情况下，第一个参数是必不可少的。

3）如何获取变长参数

现在，我们要关注的是函数内部的实现细节。当我看到primer这部分的时候还真是好奇实现细节呢，只怪我孤陋寡闻，以前没见过⊙﹏⊙b。

为了解决变长参数问题，需要用到以下几个宏（以下定义来自MSDN），并且使用这几个宏时必须至少提供一个显式的参数：

复制代码
#include <stdarg.h>

type va_arg(
   va_list arg_ptr,
   type 
);
void va_end(
   va_list arg_ptr 
);
void va_start(
   va_list arg_ptr,
   prev_param 
);
复制代码

其中，type是指要获取的参数的类型，比如int，char *等，arg_ptr是指向参数列表的指针（va_list类型），prev_param是指最后一个显式声明的参数，以用来获取第一个变长参数的位置。

使用步骤：

a）定义一个va_list类型的变量，变量是指向参数的指针。

b）va_start初始化刚定义的变量，第二个参数是最后一个显式声明的参数。

c）va_arg返回变长参数的值，第二个参数是该变长参数的类型。

d）va_end将a)定义的变量重置为NULL。

注意事项：

a）变长参数的类型和数目不能通过宏来获取，只能通过自己写程序控制。

b）编译器对变长参数函数的原型检查不够严格，会影响代码质量。

4）举个例子

最后举个例子，是自己写的printf函数，只能用于处理'%s'和'%d'。为简单起见，没有做任何异常处理，理解这些宏的使用方法即可。

复制代码
 1 #include <iostream>
 2 #include <stdarg.h>
 3 using namespace std;
 4 
 5 void myprintf(const char *format...)
 6 {
 7     va_list argptr;
 8     va_start(argptr, format);        //va_start
 9       
10     char ch;
11     while (ch = *(format++))        //逐个遍历format字符串
12     {
13         if (ch == '%')
14         {
15             ch = *(format++);
16             if (ch == 's')
17             {
18                 char *name = va_arg(argptr, char *);    //va_arg
19                 cout<<name;
20             }
21             else if (ch == 'd')
22             {
23                 int age = va_arg(argptr, int);    //va_arg
24                 cout<<age;
25             }
26         }
27         else
28         {
29                 cout<<ch;
30         }
31     }
32     cout<<endl;
33     va_end(argptr);        //va_end
34 }
35 
36 int main()
37 {
38     myprintf("My name is %s, age %d.", "AnnieKim", 24);
39     return 0;
40 }
复制代码

代码写得较粗糙，表介意。变长参数问题也就先到这里。

va_list 的用法

相信每个程序员都会用C语言的 printf, scanf 函数, 当时在我学会函数之后, 对这两个函数感到惊讶, 为什么呢? 他们太不同于我们自己写的那种接受固定个参数的函数, 而是可以接受任意多个参数.

c 语言允许定义这样的接受变参的函数, 它的机制就是 va_list , 使用它 , 我们也可以定义自己的变参个数的函数.

首先, 看下 printf 函数的声明:

 
int printf(char * format, ... );

第一个 char * format 就是我们常写的带 %d, %f 这样转换单元的格式字符串, 第二个参数是 … ? 这是什么? 对, 这就是变参函数定义时的奥秘了, 记住如下两点:

  • 1. 变参处的定义或声明, 用 … 代替参数类型.
  • 2. 变参 … 只能放在参数列表最末尾.

这里我们写一个小程序, 来演示 va_list 的用法, 定义一个barycentre 函数, 计算 n 个点的重心并返回, 声明如下:

 
point barycentre(int n , ... );

其中point为描述二维点坐标的结构体:

 
struct {
        double x,y;
}point;

函数体是这样的:

 
struct point barycentre(int n, ... )
{
    int i;
    struct point t;
    struct point sum={0};
    va_list listPointer;
    va_start(listPointer, n);
    for(i=0;i<n;i++){
        t=va_arg(listPointer,struct point);
        sum.x+=t.x;
        sum.y+=t.y;
    }
    sum.x/=n;
    sum.y/=n;
    va_end(listPointer);
    return sum;
}

在以上函数中, 用到了以下几个宏:

  • va_list
  • va_start
  • va_arg
  • va_end

va_list 用来定义一个变量列表的指针类型.
va_start(listPointer, n) 的意思是将 listPointer 这个指针绑定到有 n 个变量的传入参数列表上.
va_arg(listPointer, type) 从参数列表中逐个取出数据, 取出数据的类型由 type 决定, 它返回这个 type 类型的值, 你可以马上把它赋值给另一个变量.
当函数调用结束的时候, 要记得使用 va_end 来清除 listPointer 指向的空间, 否则会发生内存泄漏问题.

可能你有两个问题要问:

  • 1. 必须知道传入参数的个数吗?
  • 答: 是的, 若没有参数个数, va_start 的时候就无法绑定.
  • 2. 必须向上面的例子中那样所有的可变参数都是同一个类型吗?
  • 答: 不是这样, 想想 printf 函数, 它通过一个 char * format 格式字符串, 不仅确定了参数个数, 还确定了每个参数的类型(通过 %d 这样的转换单元), 这样只要在 va_arg 的时候采用适当的 type 类型就可读出各种类型的参数.

以下是程序的完全版, 随机生成了3个二维点的坐标, 并传递给 barycentre 得到它的重心.

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
#include <stdlib.h>
struct point{
    double x,y;
};
struct point barycentre(int n, ... )
{
    int i;
    struct point t;
    struct point sum={0};
    va_list listPointer;
    va_start(listPointer, n);
    for(i=0;i<n;i++){
        t=va_arg(listPointer,struct point);
        sum.x+=t.x;
        sum.y+=t.y;
    }
    sum.x/=n;
    sum.y/=n;
    va_end(listPointer);
    return sum;
}
int main()
{
    struct point a,b,c,bc;         
    a.x=rand()%1000/100.0;
    a.y=rand()%1000/100.0;
    b.x=rand()%1000/100.0;
    b.y=rand()%1000/100.0;
    c.x=rand()%1000/100.0;
    c.y=rand()%1000/100.0;
 
    bc=barycentre(3,a,b,c);
    printf("The barycentre of the 3 points is (%f,%f).\n",bc.x,bc.y);
    return 0;
}

 

va_list、va_start、va_arg、va_end宏的使用

当你的函数的参数个数不确定时，就可以使用上述宏进行动态处理，这无疑为你的程序增加了灵活性。
 
Example:
 
◎用法1:
func( Type para1, Type para2, Type para3, ... )
{
    /****** Step 1 ******/
    va_list ap;
    va_start( ap, para3 ); //一定要“...”之前的那个参数
   
    /****** Step 2 ******/
    //此时ap指向第一个可变参数
    //调用va_arg取得里面的值
    Type xx = va_arg( ap, Type );
   
    //Type一定要相同，如:
    //char *p = va_arg( ap, char *);
    //int i = va_arg( ap, int );
    //如果有多个参数继续调用va_arg
    /****** Step 3 ******/
    va_end(ap); //For robust!
}
◎用法2:
 
CString AppendString(CString str1,...)//一个连接字符串的函数，参数个数可以动态变化
{
      LPCTSTR str=str1;//str需为指针类型，因为va_arg宏返回的是你的参数的指针，但是如果你的参数为int等简                       //单类型，则不必为指针，因为变量名实际上即是指针。
      CString res;
      va_list marker;     //你的类型链表
      va_start(marker,str1);//初始化你的marker链表
 
      while(str!="ListEnd")//ListEnd:参数的结束标志，十分重要，在实际中需自行指定
      {
          res+=str;
          str=va_arg(marker,CString);//取得下一个指针
      }
      va_end(marker);//结束，与va_start合用
      return res;
}
 
int main()
{
      CString    str=AppendString("xu","zhi","hong","ListEnd");
      cout<<str.GetBuffer(str.GetLength())<<endl;
      return 0;
}
 
输出xuzhihong
CString AppendString(CString str1,...)，因为连接字符串的参数可以动态变化，你不知用户要进行连接的字符串个数是多少，所以你可以用…来代替。但是要注意的是你的函数要有一 个参数作为标志来表示结束，否则会出错。在上例中用ListEnd作为结束符。还有va_arg返回的是你参数内容的指针。上例在支持MFC程序的 console下运行通过。
 
可变参数函数的原型声明格式为：
 
type VAFunction(type arg1, type arg2, … );
 
参数可以分为两部分：个数确定的固定参数和个数可变的可选参数。函数至少需要一个固定参数，固定参数的声明和普通函数一样；可选参数由于个数不确定，声明时用"…"表示。固定参数和可选参数公同构成一个函数的参数列表。
 
借助上面这个简单的例2，来看看各个va_xxx的作用。
 
va_list arg_ptr：定义一个指向个数可变的参数列表指针；
 
va_start(arg_ptr, argN)：使参数列表指针arg_ptr指向函数参数列表中的第一个可选参数，说明：argN是位于第一个可选参数之前的固定参数，（或者说，最后一个 固定参数；…之前的一个参数），函数参数列表中参数在内存中的顺序与函数声明时的顺序是一致的。如果有一va函数的声明是void va_test(char a, char b, char c, …)，则它的固定参数依次是a,b,c，最后一个固定参数argN为c，因此就是va_start(arg_ptr, c)。
 
va_arg(arg_ptr, type)：返回参数列表中指针arg_ptr所指的参数，返回类型为type，并使指针arg_ptr指向参数列表中下一个参数。
 
va_copy(dest, src)：dest，src的类型都是va_list，va_copy()用于复制参数列表指针，将dest初始化为src。
 
va_end(arg_ptr)： 清空参数列表，并置参数指针arg_ptr无效。说明：指针arg_ptr被置无效后，可以通过调用va_start ()、va_copy()恢复arg_ptr。每次调用va_start() / va_copy()后，必须得有相应的va_end()与之匹配。参数指针可以在参数列表中随意地来回移动，但必须在va_start() …va_end()之内。
 
va函数的实现就是对参数指针的使用和控制。
 
 
typedef char *     va_list;     // x86平台下va_list的定义
 
 
函数的固定参数部分，可以直接从函数定义时的参数名获得；对于可选参数部分，先将指针指向第一个可选参数，然后依次后移指针，根据与结束标志的比较来判断是否已经获得全部参数。因此，va函数中结束标志必须事先约定好，否则，指针会指向无效的内存地址，导致出错。
 
这 里，移动指针使其指向下一个参数，那么移动指针时的偏移量是多少呢，没有具体答案，因为这里涉及到内存对齐（alignment）问题，内存对齐跟具体 使用的硬件平台有密切关系，比如大家熟知的32位x86平台规定所有的变量地址必须是4的倍数(sizeof(int) = 4)。va机制中用宏_INTSIZEOF(n)来解决这个问题，没有这些宏，va的可移植性无从谈起。
 
首先介绍宏_INTSIZEOF(n)，它求出变量占用内存空间的大小，是va的实现的基础。
 
 
#define _INTSIZEOF(n)     ((sizeof(n)+sizeof(int)-1)&~(sizeof(int) - 1) )
 
 
 
#define va_start(ap,v) ( ap = (va_list)&v + _INTSIZEOF(v) )             //第一个可选参数地址
#define va_arg(ap,t) ( *(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)) ) //下一个参数地址
#define va_end(ap)      ( ap = (va_list)0 )                              // 将指针置为无效
 
 
下表是针对函数int TestFunc(int n1, int n2, int n3, …)
 
参数传递时的内存堆栈情况。（C编译器默认的参数传递方式是__cdecl。）
 
对该函数的调用为int result = TestFunc(a, b, c, d. e); 其中e为结束标志。
 
 
 
从上图中可以很清楚地看出va_xxx宏如此编写的原因。
 
1．va_start。为了得到第一个可选参数的地址，我们有三种办法可以做到：
 
A) = &n3 + _INTSIZEOF(n3)
 
// 最后一个固定参数的地址+ 该参数占用内存的大小
 
B) = &n2 + _INTSIZEOF(n3) + _INTSIZEOF(n2)
 
// 中间某个固定参数的地址+ 该参数之后所有固定参数占用的内存大小之和
 
C) = &n1 + _INTSIZEOF(n3) + _INTSIZEOF(n2) + _INTSIZEOF(n1)
 
// 第一个固定参数的地址+ 所有固定参数占用的内存大小之和
 
从 编译器实现角度来看，方法B)，方法C)为了求出地址，编译器还需知道有多少个固定参数，以及它们的大小，没有把问题分解到最简单，所以不是很聪明的途 径，不予采纳；相对来说，方法A)中运算的两个值则完全可以确定。va_start()正是采用A)方法，接受最后一个固定参数。调用va_start ()的结果总是使指针指向下一个参数的地址，并把它作为第一个可选参数。在含多个固定参数的函数中，调用va_start()时，如果不是用最后一个固定 参数，对于编译器来说，可选参数的个数已经增加，将给程序带来一些意想不到的错误。(当然如果你认为自己对指针已经知根知底，游刃有余，那么，怎么用就随 你，你甚至可以用它完成一些很优秀（高效）的代码，但是，这样会大大降低代码的可读性。)
 
注意：宏va_start是对参数的地址进行操作的，要求参数地址必须是有效的。一些地址无效的类型不能当作固定参数类型。比如：寄存器类型，它的地址不是有效的内存地址值；数组和函数也不允许，他们的长度是个问题。因此，这些类型时不能作为va函数的参数的。
 
2．va_arg身兼二职：返回当前参数，并使参数指针指向下一个参数。
 
初看va_arg宏定义很别扭，如果把它拆成两个语句，可以很清楚地看出它完成的两个职责。
 
 
#define va_arg(ap,t)      ( *(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)) ) //下一个参数地址
// 将( *(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)) )拆成：
/* 指针ap指向下一个参数的地址*/
1．ap += _INTSIZEOF(t)；           // 当前，ap已经指向下一个参数了
/* ap减去当前参数的大小得到当前参数的地址，再强制类型转换后返回它的值*/
2．return *(t *)( ap - _INTSIZEOF(t))
 
 
回想到printf/scanf系列函数的%d %s之类的格式化指令，我们不难理解这些它们的用途了- 明示参数强制转换的类型。
 
(注：printf/scanf没有使用va_xxx来实现，但原理是一致的。)
 
3．va_end很简单，仅仅是把指针作废而已。
 
#define va_end(ap) (ap = (va_list)0) // x86平台
 
四、 简洁、灵活，也有危险
 
从va的实现可以看出，指针的合理运用，把C语言简洁、灵活的特性表现得淋漓尽致，叫人不得不佩服C的强大和高效。不可否认的是，给编程人员太多自由空间必然使程序的安全性降低。va中，为了得到所有传递给函数的参数，需要用va_arg依次遍历。其中存在两个隐患：
 
1）如何确定参数的类型。
 
va_arg在类型检查方面与其说非常灵活，不如说是很不负责，因为是强制类型转换，va_arg都把当前指针所指向的内容强制转换到指定类型；
 
2） 结束标志。如果没有结束标志的判断，va将按默认类型依次返回内存中的内容，直到访问到非法内存而出错退出。例2中SqSum()求的是自然数的平方 和，所以我把负数和0作为它的结束标志。例如scanf把接收到的回车符作为结束标志，大家熟知的printf()对字符串的处理用'\0'作为结束标 志，无法想象C中的字符串如果没有'\0'， 代码将会是怎样一番情景，估计那时最流行的可能是字符数组，或者是malloc/free。
 
允许对内存的随意访问，会留给不怀好意者留下攻击的可能。当处理cracker精心设计好的一串字符串后，程序将跳转到一些恶意代码区域执行，以使cracker达到其攻击目的。(常见的exploit攻击)所以，必需禁止对内存的随意访问和严格控制内存访问边界。
 
有关va_list和vsnprintf输出函数的问题
来源: ChinaUnix博客 　日期：2006.11.16 12:36　(共有0条评论) 我要评论
 
va_list ap;                //声明一个变量来转换参数列表
va_start(ap,fmt);             //初始化变量
va_end(ap);                   //结束变量列表,和va_start成对使用
可以根据va_arg(ap,type)取出参数
已经经过调试成功的输出程序

#include
#include
#define bufsize 80
char buffer[bufsize];
int vspf(char *fmt, ...)
{ 
va_list argptr;
int cnt;
va_start(argptr, fmt);
cnt = vsnprintf(buffer,bufsize ,fmt, argptr);
va_end(argptr);
return(cnt);
} 
int main(void)
{ 
int inumber = 30;
float fnumber = 90.0;
char string[4] = "abc";
 
vspf("%d %f %s", inumber, fnumber, string);
 
printf("%s\n", buffer);
return 0;
}

 

 

 

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


void myprintf(const char *ptr, ...);
int main(int argc, const char *argv[])
{
   
    myprintf("%s, %d\n","pengdonglin", 9);
    return 0;
}

void myprintf(const char *ptr, ...)
{
    char ch;
    va_list argptr;
    
    va_start(argptr, ptr);

    while((ch = *ptr++))
    {
        if(ch == '%')
        {
            ch = *ptr++;
            if(ch == 's')
            {
                char *p = va_arg(argptr, char *);
                while(*p)
                {
                    putchar (*p++);
                }
            }
            else if(ch == 'd')
            {
                int p = va_arg(argptr, int);
                putchar(p +'0');
            }
        }
        else
        {
            putchar(ch);
        }
    }

    va_end(argptr);
}

 

 

 

 

 

 

posted @ 2013-09-29 16:13  摩斯电码  阅读(22587)  评论(2)  编辑  收藏  举报