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分类: C/C++

2008-04-15 18:54:59

   来源:IBM DW    作者:钟小兵

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


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) ) 



#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


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)) 


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。
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