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主题

6. 可变参数 ​

到目前为止我们只见过一个带有可变参数的函数printf：

c
int printf(const char *format, ...);

以后还会见到更多这样的函数。现在我们实现一个简单的myprintf函数：

例 24.9. 用可变参数实现简单的 printf 函数

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

void myprintf(const char *format, ...) {
    va_list ap;
    char c;

    va_start(ap, format);
    while (c = *format++) {
        switch (c) {
            case 'c': {
                /* char is promoted to int when passed through '...' */
                char ch = va_arg(ap, int);
                putchar(ch);
                break;
            }
            case 's': {
                char *p = va_arg(ap, char *);
                fputs(p, stdout);
                break;
            }
            default:
                putchar(c);
        }
    }
    va_end(ap);
}

int main(void) {
    myprintf("c\ts\n", '1', "hello");
    return 0;
}

要处理可变参数，需要用 C 到标准库的va_list类型和va_start、va_arg、va_end宏，这些定义在stdarg.h头文件中。这些宏是如何取出可变参数的呢？我们首先对照反汇编分析在调用myprintf函数时这些参数的内存布局。

bash
     myprintf("c\ts\n", '1', "hello");
 80484c5:   c7 44 24 08 b0 85 04    movl   $0x80485b0,0x8(%esp)
 80484cc:   08
 80484cd:   c7 44 24 04 31 00 00    movl   $0x31,0x4(%esp)
 80484d4:   00
 80484d5:   c7 04 24 b6 85 04 08    movl   $0x80485b6,(%esp)
 80484dc:   e8 43 ff ff ff          call   8048424 <myprintf>

图 24.6. myprintf函数的参数布局

myprintf 函数的参数布局

这些参数是从右向左依次压栈的，所以第一个参数靠近栈顶，第三个参数靠近栈底。这些参数在内存中是连续存放的，每个参数都对齐到 4 字节边界。第一个和第三个参数都是指针类型，各占 4 个字节，虽然第二个参数只占一个字节，但为了使第三个参数对齐到 4 字节边界，所以第二个参数也占 4 个字节。现在给出一个stdarg.h的简单实现，这个实现出自 Standard C Library：

例 24.10. stdarg.h 的一种实现

c
/* stdarg.h standard header */
#ifndef _STDARG
#define _STDARG

/* type definitions */
typedef char *va_list;
/* macros */
#define va_arg(ap, T) (*(T *)(((ap) += _Bnd(T, 3U)) - _Bnd(T, 3U)))
#define va_end(ap) (void)0
#define va_start(ap, A) (void)((ap) = (char *)&(A) + _Bnd(A, 3U))
#define _Bnd(X, bnd) (sizeof(X) + (bnd) & ~(bnd))
#endif

这个头文件中的内部宏定义_Bnd(X, bnd)将类型或变量X的长度对齐到bnd+1字节的整数倍，例如_Bnd(char, 3U)的值是 4，_Bnd(int, 3U)也是 4。

在myprintf中定义的va_list ap;其实是一个指针，va_start(ap, format)使ap指向format参数的下一个参数，也就是指向上图中esp+4的位置。然后va_arg(ap, int)把第二个参数的值按int型取出来，同时使ap指向第三个参数，也就是指向上图中esp+8的位置。然后va_arg(ap, char *)把第三个参数的值按char *型取出来，同时使ap指向更高的地址。va_end(ap)在我们的简单实现中不起任何作用，在有些实现中可能会把ap改写成无效值，C 标准要求在函数返回前调用va_end。

如果把myprintf中的char ch = va_arg(ap, int);改成char ch = va_arg(ap, char);，用我们这个stdarg.h的简单实现是没有问题的。但如果改用libc提供的stdarg.h，在编译时会报错：

bash
$ gcc main.c
main.c: In function ‘myprintf’:
main.c:33: warning: ‘char’ is promoted to ‘int’ when passed through ‘...’
main.c:33: note: (so you should pass ‘int’ not ‘char’ to ‘va_arg’)
main.c:33: note: if this code is reached, the program will abort
$ ./a.out
Illegal instruction

因此要求char型的可变参数必须按int型来取，这是为了与 C 标准一致，我们在第 3.1 节“Integer Promotion”讲过 Default Argument Promotion 规则，传递char型的可变参数时要提升为int型。

从myprintf的例子可以理解printf的实现原理，printf函数根据第一个参数（格式化字符串）来确定后面有几个参数，分别是什么类型。保证参数的类型、个数与格式化字符串的描述相匹配是调用者的责任，实现者只管按格式化字符串的描述从栈上取数据，如果调用者传递的参数类型或个数不正确，实现者是没有办法避免错误的。

还有一种方法可以确定可变参数的个数，就是在参数列表的末尾传一个 Sentinel，例如NULL。execl(3)就采用这种方法确定参数的个数。下面实现一个printlist函数，可以打印若干个传入的字符串。

例 24.11. 根据 Sentinel 判断可变参数的个数

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

void printlist(int begin, ...) {
    va_list ap;
    char *p;

    va_start(ap, begin);
    p = va_arg(ap, char *);

    while (p != NULL) {
        fputs(p, stdout);
        putchar('\n');
        p = va_arg(ap, char *);
    }
    va_end(ap);
}

int main(void) {
    printlist(0, "hello", "world", "foo", "bar", NULL);
    return 0;
}

printlist的第一个参数begin的值并没有用到，但是 C 语言规定至少要定义一个有名字的参数，因为va_start宏要用到参数列表中最后一个有名字的参数，从它的地址开始找可变参数的位置。实现者应该在文档中说明参数列表必须以NULL结尾，如果调用者不遵守这个约定，实现者是没有办法避免错误的。

习题 ​

  1. 实现一个功能更完整的printf，能够识别%，能够处理%d、%f对应的整数参数。在实现中不许调用printf(3)这个 Man Page 中描述的任何函数。