C语言的变参函数
UCC编译器中有不少地方使用了C语言的变参函数，这里我们专门用一小节来对C语言变参函数的实现原理进行分析。C标准库中的printf函数就是一个典型的变参函数，其接口如下所示，函数声明中的省略号…表明这是一个变参函数。
int printf(const char *format, ...);
下面我们举一个简单的例子来说明printf函数的调用过程，如图4.2.12所示。图中第1至11行对应的是hello.c，而第12至25行是由UCC编译器生成的抽象语法树hello.ast，第26至33行则是UCC产生的中间代码hello.uil，第34至52行则是UCC生成的部分汇编代码hello.s。
图4.2.12 printf()函数
我们注意到第9行的实参a是float类型，而d是char类型，第17行的抽象语法树的功能是把实参a从float转换成double类型，而第21行则用于把实参d从char转换成int类型。我们在2.4节讨论C语言的类型系统时介绍过，对于形如int f()的旧式风格函数声明，C编译器会按C标准的要求进行实参提升的操作，在UCC编译器中，这个动作由函数PromoteArgument()来完成。对于变参函数中的“无名”参数，例如上述第9行printf函数调用中格式化字符串之后从a开始的参数，这些参数在函数printf的声明中并没有与之对应的形参名。按C标准的要求，C编译器也要对这些无名参数进行实参提升，即把小于int型的char和short提升为int类型，把float类型提升为double类型。图4.2.12第29至31行的中间代码很直观地反映了这个实参提升的过程。与之对应的汇编代码如第39至52行所示，第39至40行的代码把float类型的a转换为double类型，把转换后的结果存到临时变量-12(%ebp)中，我们在1.5节时介绍过与浮点运算相关的汇编指令。按照C函数的调用约定，参数按从右到左的次序依次入栈，第41行的汇编指令完成了把参数d由char到int的转换，第42行把转换后的结果入栈，第43行则把参数c入栈，第44至46行则从全局静态数据区加载双精度浮点数b并入栈，第47至49行则从临时变量-12(%ebp)中加载双精度浮点数，并入栈。第50行把格式化字符串的首地址入栈，我们在第38行时已将其地址存到寄存器eax中，第51行则进行真正的函数调用，因为所有的参数都是存放在栈中，共占去了4+8+8+4+4（即28）字节，当函数printf返回时，我们在第52行把esp指针进行加28的操作。
库函数printf()的代码在我们编写上述hello.c时就已经存在，这意味着被调函数printf其实并不知道我们在调用它时，到底传递了几个实参。对printf而言，它只是按照格式化字符串的说明，从栈中取出相应的参数，如下所示：
// 实际上只有10这一个参数，但printf看到有两个%d，
// 于是仍试图从栈中取两个参数，打印出形如10,1074172310的垃圾值
printf(“%d, %d “,10);
// 实际上有10,20,30这3个参数，但printf只看到一个%d，
// 于是只打印出参数10
printf(“%d”, 10,20,30);
图4.2.13更清楚地描述了图4.12中代码的内存布局，虚线的左侧为数据区中的栈区，右侧为全局静态数据区。在栈区中，我们标出了真正入栈的参数类型依次为int、int、double、double和char *，它们共占用了28个字节的栈空间。而格式化字符串实际上是存放在全局静态数据区的，压入栈中的只是该字符串的首地址。
图4.2.13 栈示意图
下面，让我们换个角度来看问题，假设我们是printf库函数的实现者，在printf函数的函数体内，我们通过形参format就可以访问到全局静态数据区中的格式化字符串，通过表达式&format，我们就可以知道format在栈中的内存地址。由图4.2.13所示的内存布局，我们可由&format计算出其他参数的地址，有了这些参数的内存地址，我们就可以访问它们。为计算方便，让我们不妨假设&format的值为十进制的10000，由图4.2.13可算出format上方的4个无名参数对应的地址依次为十制制的10004、10012、10020和10024。其计算过程如下所示：
int printf(const char *format, ...){
unsigned int addr =&format;
// 与“a = %f”中%f对应的参数类型为double，地址为
addr + sizeof(char *)，即10004
// 与“b = %f”中%f对应的参数类型为double，地址为
addr + sizeof(char *)+sizeof(double)，即10012
// 与“c = %d”中%f对应的参数类型为int，地址为
addr + sizeof(char*)+sizeof(double) + sizeof(double)，即10020
// 与”d = %c”中%c对应的参数类型为char，地址为
addr + sizeof(char*)+sizeof(double) + sizeof(double)+sizeof(int)，即10024
}
在知道内存单元的地址，且知道该内存单元对应的类型的前提下，访问该单元的内容则是件容易的事情，例如要访问上述地址为10004的double类型的内存单元，我们只要用C语言写出如下代码，然后通过表达式*dptr进行“提领”操作，我们就可以为所欲为了。
double * dptr = (double *) (addr +sizeof(char *));
按照这样的思路，我们可以写出如下所示的OurPrintfV1变参函数，用于从栈中取出format之上的其他“无名的”参数，这个函数纯粹是为了演示如何根据形参format的地址来访问其他“无名的”参数，如图4.2.14所示。需要注意的是，我们有意忽略了对格式化字符串的处理过程，虽然这只是一个简单的字符串判断，并不会太复杂。在函数体中添加的printf调用，纯粹是为了验证我们确实正确地从栈中取出了参数。
图4.2.14 OurPrintfV1()
为了让图4.2.14中的代码看起来更优雅些，我们会引入一些宏来处理“由format的地址来定位其他参数”的过程，图4.2.15中的OurPrintfV2()完成的工作与OurPrintfV1()类似，但看起来简洁多了。
图4.2.15 OurPrintfV2()
我们在前面介绍过，C编译器会对变参函数中的“无名”参数进行实参提升的操作，所以真正入栈的实参所占的内存大小都会是sizeof(int)的整数倍，图4.2.15第9行的宏定义ALIGN_INT(n)完成了这个对齐的操作。假设sizeof(char)为1，sizeof(short)为2且sizeof(int)为4，则对以下宏来说，
宏ALIGN_INT(char)展开后为(1+3)&(~3)，即4
宏ALIGN_INT(short)展开后为(2+3) &(~3) ，即4
我们知道，一个整数乘以4，相当将其左移2位，这意味着对任何一个为4倍数的整数来说，其二进制形式的最低2位都是0。上述(1+3)和(2+3)运算的目的是为了得到一个不小于4的数，而&(~3)运算的目的则是把这个不小于4的数的低2位清0，从而得到我们需要的对齐结果。基于此，再对比图4.2.14和图4.2.15，我们可以很清楚地看到第16行的宏定义va_start()所做的工作就是取形参format的地址，然后做&format+sizeof(format)的运算，并把这个值存放到va_list ap中，相当于让ap指针指向了无名参数的开始位置。同时，我们还注意到第11行的宏定义va_arg中也使用ALIGN_INT()进行了对齐操作，如果不进行对齐操作，即把va_arg()定义为：
#define va_arg(list, t) (*(t *)((list+= sizeof(t)) - sizeof(t)))
不妨假设变量list的值为十进制的20000，则把宏va_arg(list,char)展开后得到的是如下表达式，此表达式实际上相当于*((char*)20000)，即把内存单元20000当作一个char来访问，但是该表达式是有副作用的，完成求值后，list变量的值变为20001。无名参数入栈时在经实参提升后，已经按sizeof(int)进行对齐，如果接下来按照一个不是4的整倍数的地址20001，去取下一个参数，那么，我们无法正确的访问到所需的参数。
(*(char *)((list += 1) - 1))
宏定义va_arg是否有进行形如图4.2.15第9行那样的对齐，与实际所用编译器的头文件有关。如果再考虑到机器有大端和小端的区别，在大端机器上，图4.2.13栈中的字符'q'所在的内存地址是10027，而不是小端机器上的10024。最稳妥最有可移植性的做法就是不要去使用va_arg(list,char)、va_arg(list,short)或者va_arg(list,float)。如果一定要地址10024对应的内存单元中取出char类型的参数，则可写为：
char ch = (char) va_list(ap,int);
因为C编译器已经对变参函数的“无名参数”进行了实参提升，在栈中真正存在的“无名参数”不会是char，也不会是short，更不会是float，所以在图4.2.15第20行中我们用的是va_arg(ap,int)，而非va_arg(ap,char)。得到int型的整数后，再根据需要将之强制转型为char,这样的做法对大小端机器都适用。同理，va_arg(list,short)也存在和va_arg(list,char)类似的问题。对va_arg(list,float)来说，sizeof(float)为4，而在栈在实际存在是double类型的参数，要占8个字节，而float和double的编码是不一样的，所以使用va(list,float)也会出问题。C语言简洁而有力，但是要较好地驾驭C语言，则需要对形如图4.2.13的内存布局有较清楚的理解。在很多时侯，一些C程序员无法较好使用C语言指针的原因在于“对相关内存布局没有较清晰的概念”。C++实际上也对程序员提出了类似的要求，即便是在有意淡化指针概念的Java语言，如果对内存布局完全没有概念，也是有可能写出如下所示的Java代码。该程序员原本期待两次对bg.f()的调用能各打印出5条Hello，即共10条Hello，但却诧异地发现一共只有5条Hello。
class Bug{
int i= 0;
public void f(){
for(;i < 5; i++){
System.out.println(“Hello”);
}
}
public static void main(String args[]){
Bug bg = new Bug();
bg.f();
bg.f();
}
}
当然，实际使用va_arg等变参函数的宏时，我们只需要包含标准头文件stdarg.h就可以，并不需要显示地定义图4.2.15中第8至12行的宏。我们可在UCC编译器的头文件ucl\linux\include\stdarg.h中找到这些宏。在有些情况下，我们在形如图4.2.15的变参函数OurPrintfV2中，只是想做一些准备工作，真正对栈中的“无名参数”进行访问的操作，我们还是想交由别的函数来处理，比如ucl\error.c中的Do_Error函数。如图4.2.16所示。
图4.2.16 Do_Error()
图4.2.16第7行，我们使表示错误个数的全局变量ErrorCount加1，第10行则打印出错的源代码文件名和出错的行号，但是打印Do_Error函数的“无名参数”中包含的其他错误提示的工作，我们还是想交给库函数vfprintf()，如图4.2.16第14行所示。Do_Error的函数调用如下所示：
Do_Error(coord, "struct member %s doesn't exsist", “abc”);
结合图4.2.13，我们很容易知道，vfprintf()函数只要知道格式化字符串的首地址，和Do_Error函数的形参format的地址，就可以从Do_Error对应的栈记录中取出传给Do_Error函数的“无名实参”，所用的访问方法与图4.2.14和图4.2.15类似。唯一的区别就是对vfprintf而言，不需要通过va_start()来获取format的地址，图4.2.16第14行的函数调用vfprintf()已经把format的地址传给下面的形参ap2。
int vfprintf(FILE *stream, const char*format2, va_list ap2);
图4.2.17给出了当我们进行对Do_Error进行上述函数调用时的内存示意图，从图中我们可以看到，vfprintf的形参ap2已经指向了Do_Error函数的无名参数的开始位置，Do_Error的format参数和vfprintf的format2参数，则指向相同的格式化字符串。对vfprintf函数而言，有了格式化字符串的首地址，且又有了无名参数的首地址，七颗龙珠已经凑齐，可以召唤神龙了。
图4.2.17 Do_Error的栈示意图
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