2006年6月7日
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深入浅出VA函数的使用技巧
作者：钟小兵 来源：IBM DW 发布时间：2005.04.11
本文主要介绍可变参数的函数使用，然后分析它的原理，程序员自己如何对它们实现和封装，最后是可能会出现的问题和避免措施。
VA函数（variable argument function），参数个数可变函数，又称可变参数函数。C/C++编程中，系统提供给编程人员的va函数很少。*printf()/*scanf()系列函数，用于输入输出时格式化字符串；exec*()系列函数，用于在程序中执行外部文件(main(int argc,char*argv[]算不算呢，与其说main()也是一个可变参数函数，倒不如说它是exec*()经过封装后的具备特殊功能和意义的函数，至少在原理这一级上有很多相似之处)。由于参数个数的不确定，使va函数具有很大的灵活性，易用性，对没有使用过可变参数函数的编程人员很有诱惑力；那么，该如何编写自己的va函数，va函数的运用时机、编译实现又是如何。作者借本文谈谈自己关于va函数的一些浅见。
一、 从printf()开始
从大家都很熟悉的格式化字符串函数开始介绍可变参数函数。
原型：int printf(const char * format, ...);
参数format表示如何来格式字符串的指令，…
表示可选参数，调用时传递给"..."的参数可有可无，根据实际情况而定。
系统提供了vprintf系列格式化字符串的函数，用于编程人员封装自己的I/O函数。
int vprintf / vscanf(const char * format, va_list ap); // 从标准输入/输出格式化字符串
int vfprintf / vfsacanf(FILE * stream, const char * format, va_list ap); // 从文件流
int vsprintf / vsscanf(char * s, const char * format, va_list ap); // 从字符串
// 例1：格式化到一个文件流，可用于日志文件
FILE *logfile;
int WriteLog(const char * format, ...)
{
va_list arg_ptr;
va_start(arg_ptr, format);
int nWrittenBytes = vfprintf(logfile, format, arg_ptr);
va_end(arg_ptr);
return nWrittenBytes;
}
…
// 调用时，与使用printf()没有区别。
WriteLog("%04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d %s/%04d logged out.",
nYear, nMonth, nDay, nHour, nMinute, szUserName, nUserID);
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同理，也可以从文件中执行格式化输入；或者对标准输入输出，字符串执行格式化。
在上面的例1中，WriteLog()函数可以接受参数个数可变的输入，本质上，它的实现需要vprintf()的支持。如何真正实现属于自己的可变参数函数，包括控制每一个传入的可选参数。
二、 va函数的定义和va宏
C语言支持va函数，作为C语言的扩展--C++同样支持va函数，但在C++中并不推荐使用，C++引入的多态性同样可以实现参数个数可变的函数。不过，C++的重载功能毕竟只能是有限多个可以预见的参数个数。比较而言，C中的va函数则可以定义无穷多个相当于C++的重载函数，这方面C++是无能为力的。va函数的优势表现在使用的方便性和易用性上，可以使代码更简洁。C编译器为了统一在不同的硬件架构、硬件平台上的实现，和增加代码的可移植性，提供了一系列宏来屏蔽硬件环境不同带来的差异。
ANSI C标准下，va的宏定义在stdarg.h中，它们有：va_list，va_start()，va_arg()，va_end()。
// 例2：求任意个自然数的平方和：
int SqSum(int n1, ...)
{
va_list arg_ptr;
int nSqSum = 0, n = n1;
va_start(arg_ptr, n1);
while (n > 0)
{
nSqSum += (n * n);
n = va_arg(arg_ptr, int);
}
va_end(arg_ptr);
return nSqSum;
}
// 调用时
int nSqSum = SqSum(7, 2, 7, 11, -1);
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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。
三、 编译器如何实现va
例2中调用SqSum(7, 2, 7, 11, -1)来求7, 2, 7, 11的平方和，-1是结束标志。
简单地说，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
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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) )
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#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
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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))
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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。
五、 Unix System V兼容方式的va声明
上面介绍可变参数函数的声明是采用ANSI标准的，Unix System V兼容方式的声明有一点点区别，它增加了两个宏：va_alist，va_dcl。而且它们不是定义在stdarg.h中，而是varargs.h中。stdarg.h是ANSI标准的；varargs.h仅仅是为了能与以前的程序保持兼容而出现的，现在的编程中不推荐使用。
va_alist：函数声明/定义时出现在函数头，用以接受参数列表。
va_dcl：对va_alist的声明，其后无需跟分号"；"
va_start的定义也不相同。因为System V可变参数函数声明不区分固定参数和可选参数，直接对参数列表操作。所以va_start()不是va_start(ap,v)，而是简化为va_start(ap)。其中，ap是va_list型的参数指针。
Unix System V兼容方式下函数的声明形式：
type VAFunction(va_alist)
va_dcl // 这里无需分号
{
// 函数体内同ANSI标准
}
// 例3：猜测execl的实现（Unix System V兼容方式），摘自SUS V2
#include
#define MAXARGS 100
/ * execl(file, arg1, arg2, ..., (char *)0); */
execl(va_alist)
va_dcl
{
va_list ap;
char *file;
char *args[MAXARGS];
int argno = 0;
va_start(ap);
file = va_arg(ap, char *);
while ((args[argno++] = va_arg(ap, char *)) != (char *)0)
;
va_end(ap);
return execv(file, args);
}
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六、 扩展与思考
个数可变参数在声明时只需"..."即可；但是，我们在接受这些参数时不能"..."。va函数实现的关键就是如何得到参数列表中可选参数，包括参数的值和类型。以上的所有实现都是基于来自stdarg.h的va_xxx的宏定义。 <思考>能不能不借助于va_xxx，自己实现VA呢？，我想到的方法是汇编。在C中，我们当然就用C的嵌入汇编来实现，这应该是可以做得到的。至于能做到什么程度，稳定性和效率怎么样，主要要看你对内存和指针的控制了。
参考资料
1.IEEE和OpenGroup联合开发的Single Unix specification Ver3；
2.Linux man手册；
3.x86汇编，还有一些安全编码方面的资料。
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2006-06-07 22:34 Leon 阅读(280) |
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编辑 收藏在C/C++语言中，假设我们有这样的一个函数：
int function(int a,int b)
调用时只要用result = function(1,2)这样的方式就可以使用这个函数。但是，当高级语言被编译成计算机可以识别的机器码时，有一个问题就凸现出来：在CPU中，计算机没有办法知道一个函数调用需要多少个、什么样的参数，也没有硬件可以保存这些参数。也就是说，计算机不知道怎么给这个函数传递参数，传递参数的工作必须由函数调用者和函数本身来协调。为此，计算机提供了一种被称为栈的数据结构来支持参数传递。
栈是一种先进后出的数据结构，栈有一个存储区、一个栈顶指针。栈顶指针指向堆栈中第一个可用的数据项（被称为栈顶）。用户可以在栈顶上方向栈中加入数据，这个操作被称为压栈(Push)，压栈以后，栈顶自动变成新加入数据项的位置，栈顶指针也随之修改。用户也可以从堆栈中取走栈顶，称为弹出栈(pop)，弹出栈后，栈顶下的一个元素变成栈顶，栈顶指针随之修改。
函数调用时，调用者依次把参数压栈，然后调用函数，函数被调用以后，在堆栈中取得数据，并进行计算。函数计算结束以后，或者调用者、或者函数本身修改堆栈，使堆栈恢复原装。
在参数传递中，有两个很重要的问题必须得到明确说明：
- 当参数个数多于一个时，按照什么顺序把参数压入堆栈
- 函数调用后，由谁来把堆栈恢复原装
在高级语言中，通过函数调用约定来说明这两个问题。常见的调用约定有：
- stdcall
- cdecl
- fastcall
- thiscall
- naked call
stdcall调用约定
stdcall很多时候被称为pascal调用约定，因为pascal是早期很常见的一种教学用计算机程序设计语言，其语法严谨，使用的函数调用约定就是stdcall。在Microsoft C++系列的C/C++编译器中，常常用PASCAL宏来声明这个调用约定，类似的宏还有WINAPI和CALLBACK。
stdcall调用约定声明的语法为(以前文的那个函数为例）：
int __stdcall function(int a,int b)
stdcall的调用约定意味着：1）参数从右向左压入堆栈，2）函数自身修改堆栈 3)函数名自动加前导的下划线，后面紧跟一个@符号，其后紧跟着参数的尺寸
以上述这个函数为例，参数b首先被压栈，然后是参数a，函数调用function(1,2)调用处翻译成汇编语言将变成：
push 2 第二个参数入栈
push 1 第一个参数入栈
call function 调用参数，注意此时自动把cs:eip入栈
而对于函数自身，则可以翻译为：
push ebp 保存ebp寄存器，该寄存器将用来保存堆栈的栈顶指针，可以在函数退出时恢复
mov ebp,esp 保存堆栈指针
mov eax,[ebp + 8H] 堆栈中ebp指向位置之前依次保存有ebp,cs:eip,a,b,ebp +8指向a
add eax,[ebp + 0CH] 堆栈中ebp + 12处保存了b
mov esp,ebp 恢复esp
pop ebp
ret 8
而在编译时，这个函数的名字被翻译成_function@8
注意不同编译器会插入自己的汇编代码以提供编译的通用性，但是大体代码如此。其中在函数开始处保留esp到ebp中，在函数结束恢复是编译器常用的方法。
从函数调用看，2和1依次被push进堆栈，而在函数中又通过相对于ebp(即刚进函数时的堆栈指针）的偏移量存取参数。函数结束后，ret 8表示清理8个字节的堆栈，函数自己恢复了堆栈。
cdecl调用约定
cdecl调用约定又称为C调用约定，是C语言缺省的调用约定，它的定义语法是：
int function (int a ,int b) //不加修饰就是C调用约定
int __cdecl function(int a,int b)//明确指出C调用约定
在写本文时，出乎我的意料，发现cdecl调用约定的参数压栈顺序是和stdcall是一样的，参数首先由有向左压入堆栈。所不同的是，函数本身不清理堆栈，调用者负责清理堆栈。由于这种变化，C调用约定允许函数的参数的个数是不固定的，这也是C语言的一大特色。对于前面的function函数，使用cdecl后的汇编码变成：
调用处
push 1
push 2
call function
add esp,8 注意：这里调用者在恢复堆栈被调用函数_function处
push ebp 保存ebp寄存器，该寄存器将用来保存堆栈的栈顶指针，可以在函数退出时恢复
mov ebp,esp 保存堆栈指针
mov eax,[ebp + 8H] 堆栈中ebp指向位置之前依次保存有ebp,cs:eip,a,b,ebp +8指向a
add eax,[ebp + 0CH] 堆栈中ebp + 12处保存了b
mov esp,ebp 恢复esp
pop ebp
ret 注意，这里没有修改堆栈
MSDN中说，该修饰自动在函数名前加前导的下划线，因此函数名在符号表中被记录为_function，但是我在编译时似乎没有看到这种变化。
由于参数按照从右向左顺序压栈，因此最开始的参数在最接近栈顶的位置，因此当采用不定个数参数时，第一个参数在栈中的位置肯定能知道，只要不定的参数个数能够根据第一个后者后续的明确的参数确定下来，就可以使用不定参数，例如对于CRT中的sprintf函数，定义为：
int sprintf(char* buffer,const char* format,...)
由于所有的不定参数都可以通过format确定，因此使用不定个数的参数是没有问题的。
fastcall
fastcall调用约定和stdcall类似，它意味着：
- 函数的第一个和第二个DWORD参数（或者尺寸更小的）通过ecx和edx传递，其他参数通过从右向左的顺序压栈
- 被调用函数清理堆栈
- 函数名修改规则同stdcall
其声明语法为：int fastcall function(int a,int b)
thiscall
thiscall是唯一一个不能明确指明的函数修饰，因为thiscall不是关键字。它是C++类成员函数缺省的调用约定。由于成员函数调用还有一个this指针，因此必须特殊处理，thiscall意味着：
- 参数从右向左入栈
- 如果参数个数确定，this指针通过ecx传递给被调用者；如果参数个数不确定，this指针在所有参数压栈后被压入堆栈。
- 对参数个数不定的，调用者清理堆栈，否则函数自己清理堆栈
为了说明这个调用约定，定义如下类和使用代码：
class A
{
public:
int function1(int a,int b);
int function2(int a,...);
};
int A::function1 (int a,int b)
{
return a+b;
}
#include
int A::function2(int a,...)
{
va_list ap;
va_start(ap,a);
int i;
int result = 0;
for(i = 0 ; i < a ; i ++)
{
result += va_arg(ap,int);
}
return result;
}
void callee()
{
A a;
a.function1 (1,2);
a.function2(3,1,2,3);
}
callee函数被翻译成汇编后就变成：
//函数function1调用
0401C1D push 2
00401C1F push 1
00401C21 lea ecx,[ebp-8]
00401C24 call function1 注意，这里this没有被入栈
//函数function2调用
00401C29 push 3
00401C2B push 2
00401C2D push 1
00401C2F push 3
00401C31 lea eax,[ebp-8] 这里引入this指针
00401C34 push eax
00401C35 call function2
00401C3A add esp,14h
可见，对于参数个数固定情况下，它类似于stdcall，不定时则类似cdecl
naked call
这是一个很少见的调用约定，一般程序设计者建议不要使用。编译器不会给这种函数增加初始化和清理代码，更特殊的是，你不能用return返回返回值，只能用插入汇编返回结果。这一般用于实模式驱动程序设计，假设定义一个求和的加法程序，可以定义为：
__declspec(naked) int add(int a,int b)
{
__asm mov eax,a
__asm add eax,b
__asm ret
}
注意，这个函数没有显式的return返回值，返回通过修改eax寄存器实现，而且连退出函数的ret指令都必须显式插入。上面代码被翻译成汇编以后变成：
mov eax,[ebp+8]
add eax,[ebp+12]
ret 8
注意这个修饰是和__stdcall及cdecl结合使用的，前面是它和cdecl结合使用的代码，对于和stdcall结合的代码，则变成：
__declspec(naked) int __stdcall function(int a,int b)
{
__asm mov eax,a
__asm add eax,b
__asm ret 8 //注意后面的8
}
至于这种函数被调用，则和普通的cdecl及stdcall调用函数一致。
函数调用约定导致的常见问题
如果定义的约定和使用的约定不一致，则将导致堆栈被破坏，导致严重问题，下面是两种常见的问题：
- 函数原型声明和函数体定义不一致
- DLL导入函数时声明了不同的函数约定
以后者为例，假设我们在dll种声明了一种函数为：
__declspec(dllexport) int func(int a,int b);//注意，这里没有stdcall，使用的是cdecl
使用时代码为：
typedef int (*WINAPI DLLFUNC)func(int a,int b);
hLib = LoadLibrary(...);
DLLFUNC func = (DLLFUNC)GetProcAddress(...)//这里修改了调用约定
result = func(1,2);//导致错误
由于调用者没有理解WINAPI的含义错误的增加了这个修饰，上述代码必然导致堆栈被破坏，MFC在编译时插入的checkesp函数将告诉你，堆栈被破坏了。
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2006-06-07 21:42 Leon 阅读(390) |
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