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C++可變參數的實現方法

更新時間：2013年03月13日 22:53:49 作者：

可變參數給編程帶來了很大的方便，在享受它帶來的方便的同時，很有必要了解一下其實現方式，在了解編程語言的同時，也可以擴展編程的思路。

可變參數的實現要解決三個問題:

1.如何調用帶有可變參數的函數
2.如何編譯有可變參數的程序
3.在帶有可變參數的函數體中如何持有可變參數
第一個問題, 調用時在可以傳入可變參數的地方傳入可變參數即可，當然，還有一些需要注意的地方，后面會提到。

第二個問題，編譯器需要在編譯時采用一種寬松的檢查方案,，這會帶來一些問題, 比如對編程查錯不利。

第三個是我在這里要關心的問題，先以C語言為例分析其實現原理。

printf和scanf是C語言標準庫中最常見的可變參數函數, printf的簽名是

復制代碼代碼如下:

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

其中，... 表示可變參數，現在模仿printf寫一個簡單的例子。

一、一個簡單了例子:

復制代碼代碼如下:

#include <windows.h>
#include <stdio.h>

void VariableArgumentMethod(int argc, ...);

int main(){
VariableArgumentMethod(6, 4, 7, 3, 0, 7, 9);
return 0;
}

void VariableArgumentMethod(int argc, ...){
    // 聲明一個指針, 用于持有可變參數
    va_list pArg;
    // 將 pArg 初始化為指向第一個參數
    va_start(pArg, argc);
    // 輸出參數
　　for(int i = 0; i != argc; ++i){
        // 獲取 pArg 所指向的參數并輸出
        printf("%d, ", va_arg(pArg, int) );
    }

va_end(pArg);
}

void VariableArgumentMethod(int argc, ...)是一個可變參數函數，這個函數用于將 argc 指定個數的可變參數輸出。
VariableArgumentMethod(6, 4, 7, 3, 0, 7, 9); 是對這個函數的調用，第一個實參 6 表示后面跟了 6 個參數。

在 VariableArgumentMethod 的函數體中：

1. va_list pArg;

定義了一個用于持有可變參數的指針，通過將這個指針在傳入的可變參數表中移動，可以持有第一個可變參數。

2. va_start(pArg, argc);

讓 pArg 指向可變參數列表中的第一個參數。argc 是一個用來定位的參數，因為可變參數是從 argc 后開始的，后面會說明為什么要這樣定位。

3. va_arg(pArg, int);

這句話放在循環(huán)體中，用于取出可變參數表中的參數。并且，它會讓 pArg 移向下個可變參數（如果已經到達末尾，則它將指向一個沒有意義的地址）。

4. va_end(pArg);

給 pArg 清零，個人認為在這里可有可無，因為 pArg 已經不需要了。

就這樣，VariableArgumentMethod 函數體遍歷了可變參數表中傳入的參數，并用printf("%d, ", va_arg(pArg, int) ) 進行了輸出。

二、實現細節(jié)

1. 先了解一下編譯器如何處理傳遞參數這個問題的。

編譯器是將參數壓入棧中進行傳遞的。傳遞實參的時候，編譯器會從實參列表中，按從右到左的順序將參數入棧，對于 VariableArgumentMethod(6, 4, 7, 3, 0, 7, 9)調用，則入棧的順序是 9, 7, 0, 3, 7, 4, 6 (注意沒有可變參數與不可變參數之分)。由于棧的地址是從高到低的，所以實參入棧后，實參在棧中的分布如下圖?？梢钥闯?，實參在棧中，還是保持了左邊參數處于低地址，右邊參數處于高地址的狀態(tài)。OK，知道這些就夠了。

低地址　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　高地址

...

6

4

7

3

0

7

9

...

棧

2. va_list, va_start, va_arg 和 va_end

va_list 是一個定義的指針類型，va_start, va_arg 和 va_end 都是C語言用于處理可變參數而定義的宏，在stdarg.h文件中。由于硬件平臺的不同，編譯器的不同，導致它們的定義也有所不同，但基本思路相同。以下是相關宏的定義。

復制代碼代碼如下:

typedef char * va_list;

#define _ADDRESSOF(v) ( &(v) )

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

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

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

#define va_end(ap) ( ap = (va_list)0 )

可以看出，此處引入了另外兩個宏 _ADDRESSOF 和 _INTSIZEOF。

_ADDRESSOF(v) 是用于獲取變量地址的，這一眼就能看出來;

_INTSIZEOF(n) 是用于對齊的。（什么是對齊呢？這是因為棧的結構導致的，在 32 位機中，棧中每個單元都是占 4 個字節(jié)的，這往往是一個 int 型的長度，但實際傳過來的參數可能并不正好是 4 個字節(jié)，或者正好是 4 的倍數個字節(jié)，就好像坐車時不會賣半個座位給乘客一樣，如果傳入的數據沒有正好占 4 個或 4 的倍數個字節(jié)，則需要對齊（補齊）。至于為什么這個表達式能夠對齊，需要分析一下）;

va_start(ap,v) 中，ap 是用于持有可變參數的指針， v 是最后一個非可變參數的參數，(va_list)_ADDRESSOF(v) 獲取 v 的地址，并轉為 va_list 類型的，v 是最后一個非可變參數的參數，在本例中應為 6, 在上圖中處理棧的低地址端，_INTSIZEOF(v) 獲取了一個對齊地址，這里應為 4, 兩個相加后，即指向了第一個可變參數，即上圖中的 4, 將這個值賦給 ap 后，就讓 ap 指向了第一個可變參數。（從這里可以看出，將va_list 定義為 char* 是很有用的，因為 char 長度為一個字節(jié)，便于指針運算）;

va_arg(ap,t) 中，ap 是用于持有可變參數的指針，t 是要獲取參數的類型，ap += _INTSIZEOF(t) 讓 ap 指向下一個參數，但是，此處還需要獲取當前參數的值，所以又將表達式減回來，返回的應是一個 va_list(char*) 型的指針，因此要轉型為 t* 后再進行解引用運算，得到當前參數的值。（注意這里有個將 ap 移向下一個參數又減回來的操作，本人感覺不太好，一方面這里有個浪費的操作，對性能會有一些影響，另一方面，我更希望將取當前值的操作和移向下一個的操作分離，這樣可以讓程序員有更多的控制，并且容易理解。）

va_end(ap) 則是讓 ap 指向一個空地址。

通過以上分析，可以發(fā)現，C 語言中可變參數是從棧中按順序訪問的，過程中所使用的三個宏，也只是對操作的簡單包裝，完全可以自己編程實現。而且，參數的類型和個數是不能直接確定的，在本例中，VariableArgumentMethod 的第一個參數用于指定參數的個數，而參數的類型約定為整形，這樣程序才能正常運行，再說到 printf，它之所以能識別參數的個數，是因為它的第一個參數中必須要描述后面參數的格式字符串，這正是一開始所提到的第一個問題中說到的要注意的問題。這也是它被很多人所詬病的原因，但是，本人認為這種方式是很好的，后面會與 java 和 .net 的實現方式進行比較。

三、java 和 .net 實現可變參數的方式。

java 從1.5以后，開始支持可變參數，其定義語法為：

復制代碼代碼如下:

void testMethod(String ... args)

對于這個方法，可以這樣調用：testMethod("gly", "zxy", "ChenFei");

.net 也支持可變參數，其定義語法為：

復制代碼代碼如下:

void TestMethod(params string[] args)

對于這個方法，可以這樣調用：TestMethod("gly", "zxy", "ChenFei");

在 java 和 .net 中，對于可變參數的實現基本是一樣的：編譯器在編譯時，將方法簽名中的可變參數視為相應類型的數組，編譯相應的調用時，根據實參生成一個數組，將參數裝入到數組中進行傳遞，而在可變參數方法的方法體中，按使用數組的方式使用可變參數。

四、兩種實現方式的比較

C 語言的實現方式與 java .net 的實現方式相比，C 語言需要程序員做更多的工作，而且，確實增加了出錯的機會，java .net 的實現方式可以很容易的確定參數的類型和個數，這些 C 的實現中是沒有的，但是 java .net 的實現方式會生成臨時數組，當然 java .net 有垃圾回收機制，但是，垃圾什么時候被回收是不確定的，而且是代價很大的，垃圾回收是個好東西，但我不喜歡，我認為不需要的東西應該立即釋放，這是完美的一個方面的體現。C 中沒有這個問題，參數的個數和類型問題可以靠約定或指定來解決，而這兩個問題在 java 和 .net 中，參數個數其實是間接傳遞過去了(數組的長度)，參數類型則是在方法簽名中約定了。當然，java .net 的設計目標和 C 語言不同，這里說多了。

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