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文章目录
一、前言
1. 为什么写这篇文章
在上周六，我在公众号里发了一篇文章：C语言指针-从底层原理到花式技巧，用图文和代码帮你讲解透彻，以直白的语言、一目了然的图片来解释指针的底层逻辑，有一位小伙伴对文中的代码进行测试，发现一个比较奇怪的问题。我把发来的测试代码进行验证，思考好久也无法解释为什么会出现那么奇怪的打印结果。
为了整理思路，我到阳台抽根烟。晚上的风很大，一根烟我抽了一半，风抽了一半，可能风也有自己的烦恼。后来一想，烟是我买的，为什么让风来抽？于是我就开始抽风！不对，开始回房间继续抽代码，我就不信，这么简单的 printf 语句，怎么就搞不定？！
于是就有了这篇文章。
2. 你能得到什么收获
- 函数参数的传递机制；
- 可变参数的实现原理(va_list)；
- printf 函数的实现机制;
- 面对问题时的分析思路。
友情提醒：文章的前面大部分内容都是在记录思考问题、解决问题的思路，如果你对这个过程不感兴趣，可以直接跳到最后面的第四部分，用图片清晰的解释了可变参数的实现原理，看过一次之后，保管你能深刻记住。
3. 我的测试环境
3.1 操作系统
每个人的电脑环境都是不一样的，包括操作系统、编译器、编译器的版本，也许任何一个小差别都会导致一些奇奇怪怪的的现象。不过大部分人都是使用 Windows 系统下的 VS 集成开发环境，或者 Linux 下的 gcc 命令行窗口来测试。
我一般都是使用 Ubuntu16.04-64 系统来测试代码，本文中的所有代码都是在这个平台上测试的。如果你用 VS 开发环境中的 VC 编译器，可能在某些细节上与我的测试结果又出入，但是问题也不大，遇到问题再分析，毕竟解决问题也是提升自己能力的最快途径。
3.2 编译器
我使用的编译器是 Ubuntu16.04-64 系统自带的版本，显示如下：
另外，我安装的是 64 位系统，为了编译 32 位的可执行程序，我在编译指令中添加了 -m 选项，编译指令如下：
gcc -m32 main.c -o main
使用 file main 命令来查一下编译得到的可执行文件：
所以，在测试时如果输出结果与预期有一些出入，先检查一下编译器。C 语言本质上都是一些标准，每家的编译器都是标准的实现者，只要结果满足标准即可，至于实现的过程、代码执行的效率就各显神通了。
二、问题导入
1. 网友求助代码
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct
{
int age;
char name[8];
} Student;
int main()
{
Student s[3] = {
{1, "a"}, {2, "b"}, {3, "c"}};
Student *p = &(s[0]);
printf("%d, %d \n", *s, *p);
}
2. 期望结果
根据上篇文章的讨论，我们知道：
- s 是一个包含 3 个元素数组，每个元素的类型是结构体 Student;
- p 是一个指针，它指向变量s，也就是说指针 p 中保存的是变量 s 的地址，因为数组名就表示该数组的首地址。
既然 s 也是一个地址，它也代表了这个数组中第一个元素的首地址。第一个元素类型是结构体，结构体中第一个变量是 int 型，因此 s 所代表的那个位置是一个 int 型数据，对应到示例代码中就是数字 1。因此 printf 语句中希望直接把这个地址处的数据当做一个 int 型数据打印出来，期望的打印结果是：1, 1。
这样的分析过程好像是没有什么问题的。
3. 实际打印结果
我们来编译程序，输出警告信息：
警告信息说：printf 语句需要 int 型数据，但是传递了一个 Student 结构体类型，我们先不用理会这个警告，因为我们就是想通过指针来访问这个地址里的数据。
执行程序，看到实际打印结果是：1, 97，很遗憾，与我们的期望不一致！
三、分析问题的思路
1. 打印内存模型
可以从打印结果看，第一个输出的数字是 1，与预期符合；第二个输出 97，很明显是字符 ‘a’ 的 ASCII 码值，但是 p 怎么会指到 name 变量的地址里呢？
首先确认 3 个事情：
- 结构体 Student 占据的内存大小是多少？
- 数组 s 里的内存么模型是怎样的？
- s 与 指针变量 p 的值是否正确？
把代码改为如下：
Student s[3] = {
{1, "a"}, {2, "b"}, {3, "c"}};
Student *p = s;
printf("sizeof Student = %d \n\n", sizeof(Student));
printf("print each byte in s: ");
char *pTmp = p;
for (int i = 0; i < 3 * sizeof(Student); i++)
{
if (0 == i % sizeof(Student))
printf("\n");
printf("%x ", *(pTmp + i));
}
printf("\n\n");
printf("print value of s and p \n\n");
printf("s = 0x%x, p = 0x%x \n\n", s, p);
printf("%d, %d \n", *s, *p);
我们先画一下数组 s 预期的内存模型，如下：
编译、测试，打印结果如下：
从打印结果看：
- 结构体 Student 占据 12 个字节，符合预期。
- 数组 s 的内存模型也是符合预期的，一共占据 36 个字节。
- s 与 p 都代表一个地址，打印结果它俩相同，也是符合预期的。
那就见鬼了：既然 s 与 p 代表同一个内存地址，但是为什么用 *p 读取 int 型数据时，得到的却是字符 ‘a’ 的值呢？
2. 分开打印信息
既然第一个 *s 打印结果是正确的，那么就把这个两个数据分开来打印，测试代码如下：
Student s[3] = {
{1, "a"}, {2, "b"}, {3, "c"}};
Student *p = s;
printf("%d \n", *s);
printf("%d \n", *p);
编译、测试，打印结果如下：
打印结果符合预期！也就是说分成两条打印语句是可以正确读取到目标地址里的 int 型数据的，但是在一条语句里就不行！
其实此时，可以判断出大概是 printf 语句的原因了。从现象上看，似乎是 printf 语句在执行过程中打印第一个数字之后，影响到了指针 p 的值，但是具体是怎么影响的说不清楚，而且它是系统里的库函数，肯定不能改变 p 的值。
于是在 google 中搜索关键字：“glibc printf bug”，你还别说，真的搜索到很多相关资料，但是浏览了一下，没有与我们的测试代码类似的情况，还得继续思考。
3. 一步步分析问题本质原因
3.1 打印一个最简单的字符串
既然是因为在 printf 语句中打印 2 个数据才出现问题，那么我就把问题简化，用一个最简单的字符串来测试，代码如下：
char aa[] = "abcd";
char *pc = aa;
printf("%d, %d \n", *pc, *pc);
编译、执行，打印结果为：“97, 97”，非常正确！这就说明 printf 语句在执行时没有改变指针变量的指向地址。
3.2 打印一个结构体变量
既然在字符串上测试没有问题，那么问题就出在结构体类型上了。那就继续用结构体变量来测试，因为上面的测试代码是结构体变量的数组，现在我们把数组的影响去掉，只对单独的一个结构体变量进行测试：
Student s = {1, "a"};
printf("%d \n", s);
printf("%d, %d \n", s, s);
注意：这里的 s 是一个变量，不是数组了，所以打印时就不需要用 * 操作符了。编译、执行，输出结果：
输出结果与之前的错误一样，至此可以得出结论：问题的原因至少与数组是没有关系的！
现在测试的结构体中有 2 个变量：age 和 name，我们继续简化，只保留 int 型数据，这样更容易简化问题。
3.3 测试更简单的结构体变量
测试代码如下：
typedef struct _A
{
int a;
int b;
int c;
}A;
int main()
{
A a = {10, 20, 30};
printf("%d %d %d \n", a, a, a);
}
编译、执行，打印结果为：10 20 30，把 3 个成员变量的值都打印出来了，太诡异了！好像是在内存中，从第一个成员变量开始，自动递增然后获取 int 型数据。
于是我就把后面的两个参数 a 去掉，测试如下代码：
A a = {10, 20, 30};
printf("%d %d %d \n", a);
编译、执行，打印结果仍然为：10 20 30！这个时候我快疯掉了，主要是时间太晚了，我不太喜欢熬夜。
于是大脑开始偷懒，再次向 google 寻求帮助，还真的找到这个网页：https://stackoverflow.com/questions/26525394/use-printfs-to-print-a-struct-the-structs-first-variable-type-is-char。感兴趣的小伙伴可以打开浏览一下，其中有下面这两段话说明了重点：
一句话总结：用 printf 语句来打印结构体类型的变量，结果是 undefined behavior！什么是未定义行为，就是说发生任何状况都是可能的，这个就要看编译器的实现方式了。
看来，我已经找到问题的原因了：原来是因为我的知识不够扎实，不知道打印结构体变量是未定义行为。
补充一点心得：
- 我们在写程序的时候，因为脑袋中掌握的大部分知识都是正确的，因此编写的代码大部分也都是与预期符合的，不可能故意去写一些稀奇古怪的代码。就比如打印结构体信息，一般正常的思路都是把结构体里面的成员变量，按照对应的数据类型来打印输出。
- 但是偶尔也会犯低级错误，就像这次遇到的问题一样：直接打印一个结构体变量。因为发生错误了，所以才了解到原来直接打印结构体变量，是一个未定义行为。当然了，这也是一个获取知识的途径。
追查到这里，似乎可以结束了。但是我还是有点不死心，既然是未定义的行为，那么为什么每次打印输出的结果都错的这么一致呢？既然是由编译器的实现决定的，那么我使用的这个 gcc 版本内部是怎么来打印结构体变量的呢？
于是我继续往下查…
3.4 继续打印结构体变量
刚才的结构体 A 中的成员都是 int 型，每个 int 数据在内存中占据 4 个字节，所以刚才打印出的数据恰好是跨过 4 个字节。如果改成字符串型，打印时是否也会跨过4个字节，于是把测试代码改成下面这样：
typedef struct _B
{
int a;
char b[12];
}B;
int main()
{
B b = {10, "abcdefgh"};
printf("%d %c %c \n", b);
}
编译、执行，打印结果如下：
果然如此：字符 a 与数字 10 之间跨过 4 个直接，字符 e 与 a 之间也是跨过 4 个字节。那就说明 printf 语句在执行时可能是按照 int 型的数据大小(4个字节)为单位，来跨越内存空间，然后再按照百分号%后面的字符来读取内存地址里的数据。
那就来验证这个想法是否正确，测试代码如下：
Student s = {1, "aaa"};
char *pTmp = &s;
for (int i = 0;i < sizeof(Student); i++)
{
printf("%x ", *(pTmp + i));
}
printf("\n");
printf("%d, %x \n", s);
编译、执行，打印结果为：
输出结果确实如此：数字 1 之后的内存中存放的是 3 个字符 ‘a’，第二个打印数据格式是 %x，所以就按照整型数据来读取，于是得到十六进制的616161。
至此，我们也知道了 gcc 这个版本中，是如何来操作这个 “undefined behavior” 的。但是事情好像还没有结束，我们都知道：在调用系统中的 printf 语句时，传入的参数个数和类型不是固定的，那么 printf 中是如何来动态侦测参数的个数和类型的呢？
四、C语言中的可变参数
在 C 语言中实现可变参数需要用到这下面这几个数据类型和函数(其实是宏定义)：
- va_list
- va_start
- va_arg
- va_end
处理动态参数的过程是下面这 4 个步骤：
- 定义一个变量 va_list arg；
- 调用 va_start 来初始化 arg 变量，传入的第二个参数是可变参数(三个点)前面的那个变量；
- 使用 va_arg 函数提取可变参数：循环从 arg 中提取每一个变量，最后一个参数用来指定提取的数据类型。比如：如果格式化字符串是 %d，那么就从可变参数中提取一个 int 型的数据，如果格式化字符串是 %c，就从可变参数中提取一个 char 型数据；
- 数据处理结束后，使用 va_end 来释放 arg 变量。
文字表达起来好像有点抽象、复杂，先看一下下面的 3 个示例，然后再回头看一下上面这 4 个步骤，就容易理解了。
1. 利用可变参数的三个函数示例
示例1：参数类型是 int，但是参数个数不固定
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdarg.h>
void my_printf_int(int num,...)
{
int i, val;
va_list arg;
va_start(arg, num);
for(i = 0; i < num; i++)
{
val = va_arg(arg, int);
printf("%d ", val);
}
va_end(arg);
printf("\n");
}
int main()
{
int a = 1, b = 2, c = 3;
my_printf_int(3, a, b, c);
}
编译、执行，打印结果如下：
示例2：参数类型是 float，但是参数个数不固定
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdarg.h>
void my_printf_float (int n, ...)
{
int i;
double val;
va_list vl;
va_start(vl,n);
for (i = 0; i < n; i++)
{
val = va_arg(vl, double);
printf ("%.2f ",val);
}
va_end(vl);
printf ("\n");
}
int main()
{
float f1 = 3.14159, f2 = 2.71828, f3 = 1.41421;
my_printf_float (3, f1, f2, f3);
}
编译、执行，打印结果如下：
示例3：参数类型是 char*，但是参数个数不固定
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdarg.h>
void my_printf_string(char *first, ...)
{
char *str = first;
va_list arg;
va_start(arg, first);
do
{
printf("%s ", str);
str = va_arg(arg, char*);
} while (str != NULL );
va_end(arg);
printf("\n");
}
int main()
{
char *a = "aaa", *b = "bbb", *c = "ccc";
my_printf_string(a, b, c, NULL);
}
编译、执行，打印结果如下：
注意：以上这3个示例中，虽然传入的参数个数是不固定的，但是参数的类型都必须是一样的！
另外，处理函数中必须能够知道传入的参数有多少个，处理 int 和 float 的函数是通过第一个参数来判断的，处理 char* 的函数是通过最后一个可变参数NULL来判断的。
2. 可变参数的原理
2.1 可变参数的几个宏定义
typedef char * va_list;
#define va_start _crt_va_start
#define va_arg _crt_va_arg
#define va_end _crt_va_end
#define _crt_va_start(ap,v) ( ap = (va_list)_ADDRESSOF(v) + _INTSIZEOF(v) )
#define _crt_va_arg(ap,t) ( *(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)) )
#define _crt_va_end(ap) ( ap = (va_list)0 )
注意：va_list 就是一个 char* 型指针。
2.2 可变参数的处理过程
我们以刚才的示例 my_printf_int 函数为例，重新贴一下：
void my_printf_int(int num, ...) // step1
{
int i, val;
va_list arg;
va_start(arg, num); // step2
for(i = 0; i < num; i++)
{
val = va_arg(arg, int); // step3
printf("%d ", val);
}
va_end(arg); // step4
printf("\n");
}
int main()
{
int a = 1, b = 2, c = 3;
my_printf_int(3, a, b, c);
}
Step1: 函数调用时
C语言中函数调用时，参数是从右到左、逐个压入到栈中的，因此在进入 my_printf_int 的函数体中时，栈中的布局如下:
Step2: 执行 va_start
va_start(arg, num);
把上面这语句，带入下面这宏定义：
#define _crt_va_start(ap,v) ( ap = (va_list)_ADDRESSOF(v) + _INTSIZEOF(v) )
宏扩展之后得到：
arg = (char *)num + sizeof(num);
结合下面的图来分析一下：首先通过 _ADDRESSOF 得到 num 的地址 0x01020300，然后强转成 char* 类型，再然后加上 num 占据的字节数(4个字节)，得到地址 0x01020304，最后把这个地址赋值给 arg，因此 arg 这个指针就指向了栈中数字 1 的那个地址，也就是第一个参数，如下图所示：
Step3: 执行 va_arg
val = va_arg(arg, int);
把上面这语句，带入下面这宏定义：
#define _crt_va_arg(ap,t) ( *(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)) )
宏扩展之后得到：
val = ( *(int *)((arg += _INTSIZEOF(int)) - _INTSIZEOF(int)) )
结合下面的图来分析一下：先把 arg 自增 int 型数据的大小(4个字节)，使得 arg = 0x01020308；然后再把这个地址(0x01020308)减去4个字节，得到的地址(0x01020304)里的这个值，强转成 int 型，赋值给 val，如下图所示：
简单理解，其实也就是：得到当前 arg 指向的 int 数据，然后把 arg 指向位于高地址处的下一个参数位置。
va_arg 可以反复调用，直到获取栈中所有的函数传入的参数。
Step4: 执行 va_end
va_end(arg);
把上面这语句，带入下面这宏定义：
#define _crt_va_end(ap) ( ap = (va_list)0 )
宏扩展之后得到：
arg = (char *)0;
这就好理解了，直接把指针 arg 设置为空。因为栈中的所有动态参数被提取后，arg 的值为 0x01020310(最后一个参数的上一个地址)，如果不设置为 NULL 的话，下面使用的话就得到未知的结果，为了防止误操作，需要设置为NULL。
3. printf利用可变参数打印信息
理解了 C 语言中可变参数的处理机制，再来思考 printf 语句的实现机制就很好理解了。
3.1 GNU 中的 printf 代码
__printf (const char *format, ...)
{
va_list arg;
int done;
va_start (arg, format);
done = vfprintf (stdout, format, arg);
va_end (arg);
return done;
}
可见，系统库中的 printf 也是这样来处理动态参数的，vfprintf 函数最终会调用系统函数 sys_write，把数据输出到 stdout 设备上(显示器)。
vfprintf 函数代码看起来还是有点复杂，不过稍微分析一下就可以得到其中的大概实现思路：
- 逐个比对格式化字符串中的每一个字符；
- 如果是普通字符就直接输出；
- 如果是格式化字符，就根据指定的数据类型，从可变参数中读取数据，输出显示；
以上只是很粗略的思路，实现细节肯定复杂的多，需要考虑各种细节问题。下面是 2 个简单的示例：
void my_printf_format_v1(char *fmt, ...)
{
va_list arg;
int d;
char c, *s;
va_start(arg, fmt);
while (*fmt)
{
switch (*fmt) {
case 's':
s = va_arg(arg, char *);
printf("%s", s);
break;
case 'd':
d = va_arg(arg, int);
printf("%d", d);
break;
case 'c':
c = (char) va_arg(arg, int);
printf(" %c", c);
break;
default:
if ('%' != *fmt || ('s' != *(fmt + 1) && 'd' != *(fmt + 1) && 'c' != *(fmt + 1)))
printf("%c", *fmt);
break;
}
fmt++;
}
va_end(arg);
}
int main()
{
my_printf_format_v1("age = %d, name = %s, num = %d \n",
20, "zhangsan", 98);
}
编译、执行，输出结果：
完美！但是再测试下面代码(把格式化字符串最后面的 num 改成 score)：
my_printf_format_v1("age = %d, name = %s, score = %d \n",
20, "zhangsan", 98);
编译、执行，输出结果：
因为普通字符串 score 中的字符 s 被第一个 case 捕获到了，所以发生错误。稍微改进一下：
void my_printf_format_v2(char *fmt, ...)
{
va_list arg;
int d;
char c, lastC = '\0', *s;
va_start(arg, fmt);
while (*fmt)
{
switch (*fmt) {
case 's':
if ('%' == lastC)
{
s = va_arg(arg, char *);
printf("%s", s);
}
else
{
printf("%c", *fmt);
}
break;
case 'd':
if ('%' == lastC)
{
d = va_arg(arg, int);
printf("%d", d);
}
else
{
printf("%c", *fmt);
}
break;
case 'c':
if ('%' == lastC)
{
c = (char) va_arg(arg, int);
printf(" %c", c);
}
else
{
printf("%c", *fmt);
}
break;
default:
if ('%' != *fmt || ('s' != *(fmt + 1) && 'd' != *(fmt + 1) && 'c' != *(fmt + 1)))
printf("%c", *fmt);
break;
}
lastC = *fmt;
fmt++;
}
va_end(arg);
}
int main()
{
my_printf_format_v2("age = %d, name = %s, score = %d \n",
20, "zhangsan", 98);
}
编译、执行，打印结果：
五、总结
我们来复盘一下上面的分析过程，开头的第一个代码本意是测试关于指针的，结果到最后一直分析到 C 语言中的可变参数问题。可以看出，分析问题-定位问题-解决问题是一连串的思考过程，把这个过程走一遍之后，理解才会更深刻。
我还有另外一个感受：如果我没有写公众号，就不会写这篇文章；如果不写这篇文章，就不会研究的这么较真。也许在中间的某个步骤，我就会偷懒对自己说：理解到这个层次就差不多了，不用继续深究了。所以说以文章的形式来把自己的思考过程进行输出，是技术提升是非常有好处的，也强烈建议各位小伙伴尝试一下这么做。
而且，如果这些思考过程能得到你们的认可，那么我就会更有动力来总结、输出文章。因此，如果这篇总结对你能有一丝丝的帮助，请转发、分享给你的技术朋友，在此表示衷心的感谢！
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祝你好运！
作者：道哥(公众号: IOT物联网小镇)
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