标签 GCC 下的文章

也谈C语言标识符的NAMESPACE

P.J Plauger的"The Standard C Library"一书的Chapter0的章后练习中有这样的一道题:编写一个包含如下一行语句的正确的程序:
x:      ((struct x*)x)->x=x(5);
并描述这行语句中x的5种截然不同的use,这里其实涉及到这么一个知识或者说概念:C语言的命名空间(namespace),在"C语言参考手册"中还被称作: overloading class。

这里namespace,并非C++中的那个keyword "namespace",这里的namespace更多是编译器为了识别不同范围下的标识符而进行的划分,而不是提供给应用程序员的类似c++中的那个namespace facility。再次注意:C的namespace不是一个关键字。

简单分析一下这行语句:x:      ((struct x*)x)->x=x(5);
这里有5个x,第一印象:这样的语句能编译过去么?那既然P.J Plauger提出了这样的问题,那么自然有solution。
从左到右顺序:
第一个x — 毋庸置疑,这是一个标号(label) ;
第二个x — 这里的x显然是一个struct tag(结构体标志);
第三个x — 这里的x 无法确定其具体身份,可能是一指针类型,也可能就是一个整型;
第四个x — x前面有->,显然这个x是某结构体的一个成员变量;
第五个x — x(5)让人"浮想联翩",第一印象是函数调用,细致一想还可能是一个宏哦(你肯定会说不可能,呵呵,别着急,慢慢来)

到底如何增加一些语法元素能让这一行能顺利通过编译,并执行后得到合理结果呢?我们不妨先来温习一下C标准中对C的"命名空间"的诠释。

在"C语言参考手册"中有如此说明,标准C将其Namespace分成了五种,分别是:
1) 预处理器宏名
2) 语句标号
3) 结构、枚举、联合结构的标志
4) 成员名
5) 其他名称 包括变量名、函数名、typedef名称和枚举常量

有了以上的说明,我们有了第一种方案:
上面说了,语句x:      ((struct x*)x)->x=x(5)中有三个x都是可以确定的,不确定的是第三个x和最后一个x。我们先考虑让最后一个x为一个函数。

考虑到最后一个名称空间的说明,一旦最后一个x为函数的话,第三个x就不能为变量名、typedef名称和枚举常量了。如果x是对象宏(不带参数的宏),显然也不合理;那么我们先将x实现为函数看看:
struct x { //for the 2nd x
        int x;  //for the 4th x
};

int x(int a) { //for the 3rd and 5th x
        return a;
}

int main() {
x:      ((struct x*)x)->x=x(5);
}
这个在gcc(sunos or mingw on windows下)下编译能顺利通过。但是执行一下编译出的程序,会出现致命错误。初略分析一下也不奇怪。函数x的地址是在代码段,那块内存区域是只读且受保护的,尝试强制赋值显然os是不允许的。

第一种方案虽然能通过编译,但是执行结果不合理。我们来做第二种尝试:试着将最后一个x实现为一个函数宏(带参数的宏)。
struct x { //for the 2nd x
        int x;  //for the 4th x
};

struct x ax;

#define x(a)  (a);

int main() {
        int x = (int)(&ax);
x:      ((struct x*)x)->x=x(5);  
        printf("%d\n", ((struct x*)x)->x); //output: 5
}
这回,我们得到了正确的且合理的solution了。在P.J Plauger的"The Standard C Library"一书中还有一张关于C语言命名空间的图,记起来更形象。

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。

如发现本站页面被黑,比如:挂载广告、挖矿等恶意代码,请朋友们及时联系我。十分感谢! Go语言第一课 Go语言精进之路1 Go语言精进之路2 Go语言编程指南
商务合作请联系bigwhite.cn AT aliyun.com

欢迎使用邮件订阅我的博客

输入邮箱订阅本站,只要有新文章发布,就会第一时间发送邮件通知你哦!

这里是 Tony Bai的个人Blog,欢迎访问、订阅和留言! 订阅Feed请点击上面图片

如果您觉得这里的文章对您有帮助,请扫描上方二维码进行捐赠 ,加油后的Tony Bai将会为您呈现更多精彩的文章,谢谢!

如果您希望通过微信捐赠,请用微信客户端扫描下方赞赏码:

如果您希望通过比特币或以太币捐赠,可以扫描下方二维码:

比特币:

以太币:

如果您喜欢通过微信浏览本站内容,可以扫描下方二维码,订阅本站官方微信订阅号“iamtonybai”;点击二维码,可直达本人官方微博主页^_^:
本站Powered by Digital Ocean VPS。
选择Digital Ocean VPS主机,即可获得10美元现金充值,可 免费使用两个月哟! 著名主机提供商Linode 10$优惠码:linode10,在 这里注册即可免费获 得。阿里云推荐码: 1WFZ0V立享9折!


View Tony Bai's profile on LinkedIn
DigitalOcean Referral Badge

文章

评论

  • 正在加载...

分类

标签

归档



View My Stats