2008年五月月 发布的文章

一分之差

说来真是遗憾,这不上周五参加了驾驶员考试的理论测试,十分"点背"的是我居然以一分之差没有通过。

今天驾校的一位中年男老师打来电话,问我是否参加十天之内安排的补考?令我惊奇的是他还对我鼓励了一番:"我相信你一定能过",我也应承着:有你这句话我一定过。虽说教练这句话可能不完全是为我着想,但心里还是莫名的感受到一丝激励。毕竟是为了自己学么。

其实除了工作忙没时间看题库之外,我觉得最大原因还是我的态度有问题–"不重视",总有一种"侥幸"的心理。就在上周五,也就是考试那天的上午(下午16:00开考), 我试着做光盘里的题库,结果做了100道,错了11道。事实也是惊人的相似,下午的考试,我得到的分数也恰好是89分,一分之差,让我有机会人生第一次需要参加所谓的"补考",从来没参加过什么补考之类的考试,这次我算是栽了。

考试没过,心情自然是很郁闷的,而且那天是周五,弄得我周末两天也是郁郁寡欢。

其实一名合格的驾驶员是应该牢牢掌握驾驶理论知识的,而且很多知识都是交通法范畴,懂法其实是提高了自我保护的能力,一旦遇到如题中的情况,法律就是我们手中的一把利剑。另外掌握必要的交通法、驾驶和救护常识也会大大降低以后车祸发生率以及车祸给你带来的伤害程度。既然都是好处,那就好好复习吧,何乐而不为呢!

也谈C语言变长参数

很多技术人员都有在"技术细节"上"钻牛角尖"的"癖好",对此很多人褒贬不一;无论怎样,我也是属于这类人。C语言的变长参数在平时做开发时很少会在自己设计的接口中用到,但我们最常用的接口printf就是使用的变长参数接口,在感受到printf强大的魅力的同时,是否想挖据一下到底printf是如何实现的呢?这里我们一起来挖掘一下C语言变长参数的奥秘。

先考虑这样一个问题:如果我们不使用C标准库(libc)中提供的Facilities,我们自己是否可以实现拥有变长参数的函数呢?我们不妨试试。

一步一步进入正题,我们先看看固定参数列表函数,
void fixed_args_func(int a, double b, char *c) {
        printf("a = 0x%p\n", &a);
        printf("b = 0x%p\n", &b);
        printf("c = 0x%p\n", &c);
}
对于固定参数列表的函数,每个参数的名称、类型都是直接可见的,他们的地址也都是可以直接得到的,比如:通过&a我们可以得到a的地址,并通过函数原型声明了解到a是int类型的; 通过&b我们可以得到b的地址,并通过函数原型声明了解到b是double类型的; 通过&c我们可以得到c的地址,并通过函数原型声明了解到c是char*类型的。

但是对于变长参数的函数,我们就没有这么顺利了。还好,按照C标准的说明,支持变长参数的函数在原型声明中,必须有至少一个最左固定参数(这一点与传统C有区别,传统C允许不带任何固定参数的纯变长参数函数),这样我们可以得到其中固定参数的地址,但是依然无法从声明中得到其他变长参数的地址,比如:
void var_args_func(const char * fmt, … ) {
    … …
}
这里我们只能得到fmt这固定参数的地址,仅从函数原型我们是无法确定"…"中有几个参数、参数都是什么类型的,自然也就无法确定其位置了。那么如何可以做到呢?在大脑中回想一下函数传参的过程,无论"…"中有多少个参数、每个参数是什么类型的,它们都和固定参数的传参过程是一样的,简单来讲都是栈操作,而栈这个东西对我们是开放的。这样一来,一旦我们知道某函数帧的栈上的一个固定参数的位置,我们完全有可能推导出其他变长参数的位置,顺着这个思路,我们继续往下走,通过一个例子来诠释一下:(这里要说明的是:函数参数进栈以及参数空间地址分配都是"实现相关"的,不同平台、不同编译器都可能不同,所以下面的例子仅在IA-32,Windows XP, MinGW gcc v3.4.2下成立)

我们先用上面的那个fixed_args_func函数确定一下这个平台下的入栈顺序。

int main() {
    fixed_args_func(17, 5.40, "hello world");
    return 0;
}
a = 0x0022FF50
b = 0x0022FF54
c = 0x0022FF5C

从这个结果来看,显然参数是从右到左,逐一压入栈中的(栈的延伸方向是从高地址到低地址,栈底的占领着最高内存地址,先入栈的参数,其地理位置也就最高了)。我们基本可以得出这样一个结论:
 c.addr = b.addr + x_sizeof(b);  /*注意:  x_sizeof != sizeof,后话再说 */
 b.addr = a.addr + x_sizeof(a);

有了以上的"等式",我们似乎可以推导出 void var_args_func(const char * fmt, … ) 函数中,可变参数的位置了。起码第一个可变参数的位置应该是:first_vararg.addr = fmt.addr + x_sizeof(fmt);  根据这一结论我们试着实现一个支持可变参数的函数:

void var_args_func(const char * fmt, … ) {
    char    *ap;

    ap = ((char*)&fmt) + sizeof(fmt);
    printf("%d\n", *(int*)ap);  
        
    ap =  ap + sizeof(int);
    printf("%d\n", *(int*)ap);

    ap =  ap + sizeof(int);
    printf("%s\n", *((char**)ap));
}

int main(){
    var_args_func("%d %d %s\n", 4, 5, "hello world");
}

输出结果:
4
5
hello world

var_args_func只是为了演示,并未根据fmt消息中的格式字符串来判断变参的个数和类型,而是直接在实现中写死了,如果你把这个程序拿到solaris 9下,运行后,一定得不到正确的结果,为什么呢,后续再说。先来解释一下这个程序。我们用ap获取第一个变参的地址,我们知道第一个变参是4,一个int型,所以我们用(int*)ap以告诉编译器,以ap为首地址的那块内存我们要将之视为一个整型来使用,*(int*)ap获得该参数的值;接下来的变参是5,又一个int型,其地址是ap + sizeof(第一个变参),也就是ap + sizeof(int),同样我们使用*(int*)ap获得该参数的值;最后的一个参数是一个字符串,也就是char*,与前两个int型参数不同的是,经过ap + sizeof(int)后,ap指向栈上一个char*类型的内存块(我们暂且称之tmp_ptr, char *tmp_ptr)的首地址,即ap -> &tmp_ptr,而我们要输出的不是printf("%s\n", ap),而是printf("%s\n", tmp_ptr); printf("%s\n", ap)是意图将ap所指的内存块作为字符串输出了,但是ap -> &tmp_ptr,tmp_ptr所占据的4个字节显然不是字符串,而是一个地址。如何让&tmp_ptr是char **类型的,我们将ap进行强制转换(char**)ap &tmp_ptr,这样我们访问tmp_ptr只需要在(char**)ap前面加上一个*即可,即printf("%s\n",  *(char**)ap);

前面说过,如果将var_args_func放到solaris上,一定是得不到正确结果的?为什么呢?由于内存对齐。编译器在栈上压入参数时,不是一个紧挨着另一个的,编译器会根据变参的类型将其放到满足类型对齐的地址上的,这样栈上参数之间实际上可能会是有空隙的。上述例子中,我是根据反编译后的汇编码得到的参数间隔,还好都是4,然后在代码中写死了。

为了满足代码的可移植性,C标准库在stdarg.h中提供了诸多Facilities以供实现变长长度参数时使用。这里也列出一个简单的例子,看看利用标准库是如何支持变长参数的:
#include

void std_vararg_func(const char *fmt, … ) {
        va_list ap;
        va_start(ap, fmt);

        printf("%d\n", va_arg(ap, int));
        printf("%f\n", va_arg(ap, double));
        printf("%s\n", va_arg(ap, char*));

        va_end(ap);
}

int main() {
        std_vararg_func("%d %f %s\n", 4, 5.4, "hello world");
}
输出:
4
5.400000
hello world

对比一下 std_vararg_func和var_args_func的实现,va_list似乎就是char*, va_start似乎就是 ((char*)&fmt) + sizeof(fmt),va_arg似乎就是得到下一个参数的首地址。没错,多数平台下stdarg.h中va_list, va_start和var_arg的实现就是类似这样的。一般stdarg.h会包含很多宏,看起来比较复杂。在有的系统中stdarg.h的实现依赖some special functions built into the the compilation system to handle variable argument lists and stack allocations,多数其他系统的实现与下面很相似:(Visual C++ 6.0的实现较为清晰,因为windows上的应用程序只需要在windows平台间做移植即可,没有必要考虑太多的平台情况)。

Microsoft Visual Studio\VC98\Include\stdarg.h中,
typedef char *  va_list;

#define _INTSIZEOF(n)   ( (sizeof(n) + sizeof(int) – 1) & ~(sizeof(int) – 1) )
#define va_start(ap,v)  ( ap = (va_list)&v + _INTSIZEOF(v) )
#define va_arg(ap,t)    ( *(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) – _INTSIZEOF(t)) )
#define va_end(ap)      ( ap = (va_list)0 )

这里有两个地方需要深入挖掘一下:
1、#define _INTSIZEOF(n)   ( (sizeof(n) + sizeof(int) – 1) & ~(sizeof(int) – 1) )
我们这里简化一下这个宏:
#define _INTSIZEOF(n)  ((sizeof(n) + x) & ~(x))
x = sizeof(int) – 1 = 3 = 0000 0000 0000 0011(b)
~x = 1111 1111 1111 1100(b)

当一个数 & (-x)时,得到的值始终是sizeof(int)的倍数,也就是说_INTSIZEOF(n)的功能是将n圆整到sizeof(int)的倍数上去。sizeof(n) >= 1, sizeof(n)+sizeof(int)-1经过圆整后,一定会是>=4的整数;在其他系统平台上,圆整的目标值有的是4,有的则是8,视具体系统而定。

2、#define va_arg(ap,t)    ( *(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) – _INTSIZEOF(t)) )
其实有了var_args_func的实现,这里也就不难理解了。不过这里有一个trick,很多人一开始肯定对先加上_INTSIZEOF(t),又减去_INTSIZEOF(t)很不理解,其实这里是一点就透的:整个表达式((ap += _INTSIZEOF(t)) – _INTSIZEOF(t)) 返回的值其实和最初的ap所指向的地址是一致的,关键就是在整个表达式被evaluated后,ap却指向了下一个参数的地址了,就这么简单。

P.J.Plauger的"The standard C library"一书的第10章节中也有对stdarg实现的分析,那个版本虽然比较老,但我想应该是现有版本的一个雏形。

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