深入理解C语言的函数参数

1、一个简单的函数

int Add(int x, int y)
{return x + y;
}int main()
{printf("%d", Add(2, 3, 4, 5, 6));return 0;
}

        这一段足够简单的代码，闭眼都能知道运行结果会在屏幕上打印 5 。那编译器是怎么处理后面的 4、5、6 ？

        我们再看看这个函数。

void MyTest(int a, int b, int c, int d)
{printf("%d", a);
}

         似乎参数 b、c、d 的设定是多余的。不论这三个参数传入什么值，都不影响结果。那上述的 Add 函数是不是也能看作后续 4、5、6 对应的参数没有用到，所以没有表现出任何现象？

        带着这个问题，再看一个函数：

void MyTest_2(int num)
{int* ptr = &num;for (int i = 0; i <= num; i++){printf("%d ", *ptr);ptr++;}
}

        是不是有点懵？对形参取地址是个什么操作？还要对形参的指针进行移动再打印出来又是什么鬼？预感上，大概率会报非法访问。

        那不妨，我们在 main 函数里调用一下？

MyTest_2(0);
MyTest_2(1);
MyTest_2(10);

        然而结果是：

        虽然返回了一堆不明所以的值，但返回代码 0 说明程序压根就没有报错。而参数 0 、 1 、 10 都被完整打印出来了，简直是毁三观。

        知道你很急，但是你先别急，再在 main 函数中试试这个足以让人懵逼的例子：

MyTest_2(5, 100, 20, 35, 40, 114514);

        结果更毁三观了： 

        什么玩意？明明 MyTest 创建时只设定了一个参数，为什么传入六个参数能全部打印出来？是不是说明，一开始的 Add 调用，后面的 4、5、6 也一并进行了传参，只是没有在函数内部进行使用？

        要弄懂这个问题，首先得了解编译器对函数调用时的参数是怎么处理，传参过程又是怎么样的。

2、函数传参过程

2.1、栈帧建立之前

        调用函数时，系统会在内存中创建对应函数的栈帧。关于栈帧建立及销毁这部分内容可以看这一篇开头部分：函数栈帧简述。

        而在进行栈帧建立之前，程序还会执行一系列的操作。以这段代码为例，直接在汇编中看看 ret 赋值时的 Add 调用，汇编指令到底做了什么：

int Add(int x, int y)
{return x + y;
}int main()
{int ret = Add(0xAB, 0xCD, 0xEF, 0xAA, 0xDD);return 0;
}

        当前栈帧是 main 函数，根据以上汇编指令，在调用 Add 函数之前，程序将 0xAB、0xCD、0xEF、0xAA、 0xDD 这五个参数逆序放入 main 函数栈顶（ ESP 是栈顶寄存器）。

         这一步实际上就是函数传参。通过这一步得出结论，不论函数在创建时定义了多少个形参，甚至不定义形参，只要在调用时，函数名后的括号内写入参数，就一定会进行传参。

2.2、参数调用

        上述两句汇编代码首先是将 ebp+8 位置的值存入 eax 寄存器，再让 eax 寄存器中的值 +=  ebp+12 位置的值。而 ebp+8 的地址与 ebp+12 的地址分别储存了 0xAB 和 0xCD 。

        至此就是一次完整的传参及参数调用。 

        也就是说，只需要知道第一个参数的地址，那么剩下的参数即使不在创建函数时定义，也可以通过第一个参数的地址进行访问。就此，最开始的 MyTest_2 函数产生的现象也就解释完毕。

3、可变参数列表

3.1、定义阐述

        严格来说 C 语言的函数参数数量并不是固定的，那么在应用上根据传入的各个参数类型及第一个参数的地址，对函数传入任意参数个数，只需要通过某种方式在函数内部进行调用，那么函数的灵活性和扩展性就大大提高了。

        很好， printf 也是这么想的。在使用 printf 时，第一个参数中有几个占位符，后续就带几个参数，各位对这规则应该已经形成肌肉记忆了。而对于之前的 MyTest_2 函数，唯一定义的参数便是后续传入有效参数的个数。而为了语义上更加直观，像这类可对后续参数进行操作的函数在创建时，一般会加上三个点。当然，也是为了语义，将变量名改为 argc （argument count）：

void MyTest_2(int argc, ...)
{int* ptr = &argc;for (int i = 0; i <= argc; i++){printf("%d ", *ptr);ptr++;}
}

        如以上函数中用其中某个参数确定后续参数的个数，那么这一系列参数就叫可变参数列表。

3.2、初步实现

        虽然在 MyTest_2 中已经初步实现了带可变参数列表的函数创建，但这个函数好像没什么用。所以这里再举一个例子，求若干浮点数的和：

double Sum(int argc, ...)
{double sum = 0.;//创建可变参数列表的头部指针，将指针指向列表第一个元素double* ptr = (double*)(&argc + 1);//遍历可变参数列表，求和for (int i = 1; i <= argc; i++){sum += *ptr;//指针指向下一个参数ptr++;}return sum;
}

        这代码貌似没问题，但传入的参数列表仅限于 double 类型，如果传入的参数是一个整型变量呢？由于内部只能通过指针访问，根本无法知晓外部传入的变量类型，而且编译器也不会对可变参数列表中的参数类型作检查。

        所以，如果列表的参数类型不一致，第一个参数除了附带参数的数量信息外，还应附带每个参数的类型。解决办法可以参照 printf 的第一个参数。在此之前，先了解一个点，函数在传参时，汇编指令会对参数进行类型提升和 4 字节对齐。也就是说，char、short 的类型会被提升为 int ，而 float 类型直接提升为 double 。

        修改后如下：

//format字符串只允许d或f，不区分大小写
double Sum(const char* format, ...)
{double sum = 0.;int count = strlen(format);//创建可变参数列表的头部指针，将指针指向列表第一个元素char* ptr = (char*)(&format) + sizeof(char*);for (int i = 0; i < count; i++){//遇到字符d或者D以整型处理if (format[i] == 'd' || format[i] == 'D'){sum += (double)*((int*)ptr);//指针指向下一个参数ptr += sizeof(int);}//遇到字符f或者F以双精度浮点型处理else if (format[i] == 'f' || format[i] == 'F'){sum += *((double*)ptr);//指针指向下一个参数ptr += sizeof(double);}}return sum;
}

        至此已经很接近 printf 的参数调用方式了。

3.3、可变参数列表宏

        调用 stdio.h 头文件便可以使用专用于处理可变参数列表的四个宏：

        va_list：用于创建读取可变参数列表的指针；

typedef char* va_list;

        __crt_va_start：将可变参数列表的指针指向列表第一个参数；

#define __crt_va_start_a(ap, v) ((void)(ap = (va_list)_ADDRESSOF(v) + _INTSIZEOF(v)))
#define __crt_va_start(ap, x) __crt_va_start_a(ap, x)

        __crt_va_arg：获取可变参数列表的指针当前指向的参数，并将指针指向下一个参数；

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

        __crt_va_end：用于销毁可变参数列表的指针。

#define __crt_va_end(ap) ((void)(ap = (va_list)0))

        此外对上述 _INTSIZEOF 和 _ADDRESSOF 也需要作了解：

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

        上述的 _INTSIZEOF 比较难以理解。它的运算结果是 4 字节对齐，这个公式有点巧妙，有兴趣可以自行理解。

        接下来先将上面的代码用这几个宏改造一下：

double Sum(const char* format, ...)
{double sum = 0.0;va_list ptr;__crt_va_start(ptr, format);for (int i = 0; i < strlen(format); i++){if (format[i] == 'd' || format[i] == 'D'){sum += __crt_va_arg(ptr, int);}else if (format[i] == 'f' || format[i] == 'F'){sum += __crt_va_arg(ptr, double);}}__crt_va_end(ptr);return sum;
}

        不过这几个宏不推荐使用，因为随着编译器的不同，很可能某些编译器并不支持这些宏，可移植性大大降低。这里主要是提供宏的思路，至于宏的实现也已经展示，各位完全可以根据这些宏通过纯 C 代码实现。