va_list、va_start、va_arg、va_end的原理与使用

概述
由于在C语言中没有函数重载,解决不定数目函数参数问题变得比较麻烦;即使采用C++,如果参数个数不能确定,也很难采用函数重载.对这种情况,有些人采用指针参数来解决问题.下面就c语言中处理不定参数数目的问题进行讨论.

定义
大家先看几宏.
在VC++6.0的include有一个stdarg.h头文件,有如下几个宏定义:
#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
如果对以上几个宏定义不理解,可以略过,接这看后面的内容.

参数在堆栈中分布,位置
在进程中,堆栈地址是从高到低分配的.当执行一个函数的时候,将参数列表入栈,压入堆栈的高地址部分,然后入栈函数的返回地址,接着入栈函数的执行代码,这个入栈过程,堆栈地址不断递减,一些黑客就是在堆栈中修改函数返回地址,执行自己的代码来达到执行自己插入的代码段的目的.
总之,函数在堆栈中的分布情况是:地址从高到低,依次是:函数参数列表,函数返回地址,函数执行代码段.
堆栈中,各个函数的分布情况是倒序的.即最后一个参数在列表中地址最高部分,第一个参数在列表地址的最低部分.参数在堆栈中的分布情况如下:
最后一个参数
倒数第二个参数
...
第一个参数
函数返回地址
函数代码段

示例代码
void arg_test(int i, ...);
int main(int argc,char *argv[])
{
　　 int int_size = _INTSIZEOF(int);
　　 printf("int_size=%d\n", int_size);
　　arg_test(0, 4);

　　 arg_cnt(4,1,2,3,4);
　　return 0;
}
void arg_test(int i, ...)
{
　　int j=0;
　　va_list arg_ptr;

　　 va_start(arg_ptr, i);
　　printf("&i = %p\n", &i);//打印参数i在堆栈中的地址
　　printf("arg_ptr = %p\n", arg_ptr);
　　 //打印va_start之后arg_ptr地址,
　　//应该比参数i的地址高sizeof(int)个字节
　　 //这时arg_ptr指向下一个参数的地址

　　 j=*((int *)arg_ptr);
　　 printf("%d %d\n", i, j);
　　 j=va_arg(arg_ptr, int);
　　printf("arg_ptr = %p\n", arg_ptr);
　　//打印va_arg后arg_ptr的地址
　　//应该比调用va_arg前高sizeof(int)个字节
　　//这时arg_ptr指向下一个参数的地址
　　 va_end(arg_ptr);
　　printf("%d %d\n", i, j);
}

代码说明:
int int_size = _INTSIZEOF(int);得到int类型所占字节数
va_start(arg_ptr, i); 得到第一个可变参数地址,
根据定义(va_list)&v得到起始参数的地址, 再加上_INTSIZEOF(v) ,就是其实参数下一个参数的地址,即第一个可变参数地址.
j=va_arg(arg_ptr, int); 得到第一个参参数的值,并且arg_ptr指针上移一个_INTSIZEOF(int),即指向下一个可变参数的地址.
va_end(arg_ptr);置空arg_ptr,即arg_ptr=0;
总结:读取可变参数的过程其实就是堆栈中,使用指针,遍历堆栈段中的参数列表,从低地址到高地址一个一个地把参数内容读出来的过程.

在编程中应该注意的问题和解决办法
虽然可以通过在堆栈中遍历参数列表来读出所有的可变参数,但是由于不知道可变参数有多少个,什么时候应该结束遍历,如果在堆栈中遍历太多,那么很可能读取一些无效的数据.
解决办法:a.可以在第一个起始参数中指定参数个数,那么就可以在循环还中读取所有的可变参数;b.定义一个结束标记,在调用函数的时候,在最后一个参数中传递这个标记,这样在遍历可变参数的时候,可以根据这个标记结束可变参数的遍历;
下面是一段示例代码:
//第一个参数定义可选参数个数,用于循环取初参数内容
void arg_cnt(int cnt, ...);
int main(int argc,char *argv[])
{
　　 int int_size = _INTSIZEOF(int);
　　 printf("int_size=%d\n", int_size);
　　 arg_cnt(4,1,2,3,4);
　　 return 0;
}
void arg_cnt(int cnt, ...)
{
　　 int value=0;
　　 int i=0;
　　 int arg_cnt=cnt;
　　 va_list arg_ptr;
　　 va_start(arg_ptr, cnt);
　　 for(i = 0; i < cnt; i++)
　　{
　　　　value = va_arg(arg_ptr,int);
　　　　 printf("value%d=%d\n", i+1, value);
　　 }
}

虽然可以根据上面两个办法解决读取参数个数的问题,但是如果参数类型都是不定的,该怎么办,如果不知道参数的类型,即使读到了参数也没有办法进行处理.解决办法:可以自定义一些可能出现的参数类型,这样在可变参数列表中,可以可变参数列表中的那类型,然后根据类型,读取可变参数值,并进行准确地转换.传递参数的时候可以这样传递:参数数目,可变参数类型1,可变参数值1,可变参数类型2,可变参数值2,....
这里给出一个完整的例子:
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
const int INT_TYPE = 100000;
const int STR_TYPE = 100001;
const int CHAR_TYPE = 100002;
const int LONG_TYPE = 100003;
const int FLOAT_TYPE = 100004;
const int DOUBLE_TYPE = 100005;
//第一个参数定义可选参数个数,用于循环取初参数内容
//可变参数采用arg_type,arg_value...的形式传递,以处理不同的可变参数类型
void arg_type(int cnt, ...);
//第一个参数定义可选参数个数,用于循环取初参数内容
void arg_cnt(int cnt, ...);
//测试va_start,va_arg的使用方法,函数参数在堆栈中的地址分布情况
void arg_test(int i, ...);
int main(int argc,char *argv[])
{
　　 int int_size = _INTSIZEOF(int);
　　 printf("int_size=%d\n", int_size);
　　 arg_test(0, 4);

　　 arg_cnt(4,1,2,3,4);
　　 arg_type(2, INT_TYPE, 222, STR_TYPE, "ok,hello world!");
　　 return 0;
}

　　　　void arg_test(int i, ...)
　　　　{
　　　　　　 int j=0;
　　　　　　va_list arg_ptr;

　　　　　　 va_start(arg_ptr, i);
　　　　　　 printf("&i = %p\n", &i);//打印参数i在堆栈中的地址
　　　　　　 printf("arg_ptr = %p\n", arg_ptr);
　　　　　　 //打印va_start之后arg_ptr地址,
　　　　　　//应该比参数i的地址高sizeof(int)个字节
　　　　　　//这时arg_ptr指向下一个参数的地址

　　　　　　 j=*((int *)arg_ptr);
　　　　　　 printf("%d %d\n", i, j);
　　　　　　j=va_arg(arg_ptr, int);
　　　　　　 printf("arg_ptr = %p\n", arg_ptr);
　　　　　　 //打印va_arg后arg_ptr的地址
　　　　　　//应该比调用va_arg前高sizeof(int)个字节
　　　　　　//这时arg_ptr指向下一个参数的地址
　　　　　　va_end(arg_ptr);
　　　　　　printf("%d %d\n", i, j);
　　　　}
　　　　void arg_cnt(int cnt, ...)
　　　　{
　　　　　　 int value=0;
　　　　　　 int i=0;
　　　　　　int arg_cnt=cnt;
　　　　　　va_list arg_ptr;
　　　　　　va_start(arg_ptr, cnt);
　　　　　　 for(i = 0; i < cnt; i++)
　　　　　　 {
　　　　　　　　value = va_arg(arg_ptr,int);
　　　　　　　　 printf("value%d=%d\n", i+1, value);
　　　　　　}
　　　　}
　　　　void arg_type(int cnt, ...)
　　　　{
　　　　　　 int arg_type = 0;
　　　　　　 int int_value=0;
　　　　　　 int i=0;
　　　　　　int arg_cnt=cnt;
　　　　　　char *str_value = NULL;
　　　　　　va_list arg_ptr;
　　　　　　va_start(arg_ptr, cnt);
　　　　　　for(i = 0; i < cnt; i++)
　　　　　　{
　　　　　　　　 arg_type = va_arg(arg_ptr,int);
　　　　　　　　 switch(arg_type)
　　　　　　　　{
　　　　　　　　　　case INT_TYPE:
　　　　　　　　　　　　 int_value = va_arg(arg_ptr,int);
　　　　　　　　　　　　printf("value%d=%d\n", i+1, int_value);
　　　　　　　　　　　　 break;
　　　　　　　　　　 case STR_TYPE:
　　　　　　　　　　　　 str_value = va_arg(arg_ptr,char*);
　　　　　　　　　　　　printf("value%d=%s\n", i+1, str_value);
　　　　　　　　　　　　break;
　　　　　　　　　　default:
　　　　　　　　　　　　 break;
　　　　　　　　}
　　　　　　}

　　　　}