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飞龙 · 更新于 2018-01-20 21:00:57

练习25:变参函数

在C语言中,你可以通过创建“变参函数”来创建你自己的printf或者scanf版本。这些函数使用stdarg.h头,它们可以让你为你的库创建更加便利的接口。它们对于创建特定类型的“构建”函数、格式化函数和任何用到可变参数的函数都非常实用。

理解“变参函数”对于C语言编程并不必要,我在编程生涯中也只有大约20次用到它。但是,理解变参函数如何工作有助于你对它的调试,并且让你更加了解计算机。

/** WARNING: This code is fresh and potentially isn't correct yet. */

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
#include "dbg.h"

#define MAX_DATA 100

int read_string(char **out_string, int max_buffer)
{
    *out_string = calloc(1, max_buffer + 1);
    check_mem(*out_string);

    char *result = fgets(*out_string, max_buffer, stdin);
    check(result != NULL, "Input error.");

    return 0;

error:
    if(*out_string) free(*out_string);
    *out_string = NULL;
    return -1;
}

int read_int(int *out_int)
{
    char *input = NULL;
    int rc = read_string(&input, MAX_DATA);
    check(rc == 0, "Failed to read number.");

    *out_int = atoi(input);

    free(input);
    return 0;

error:
    if(input) free(input);
    return -1;
}

int read_scan(const char *fmt, ...)
{
    int i = 0;
    int rc = 0;
    int *out_int = NULL;
    char *out_char = NULL;
    char **out_string = NULL;
    int max_buffer = 0;

    va_list argp;
    va_start(argp, fmt);

    for(i = 0; fmt[i] != '\0'; i++) {
        if(fmt[i] == '%') {
            i++;
            switch(fmt[i]) {
                case '\0':
                    sentinel("Invalid format, you ended with %%.");
                    break;

                case 'd':
                    out_int = va_arg(argp, int *);
                    rc = read_int(out_int);
                    check(rc == 0, "Failed to read int.");
                    break;

                case 'c':
                    out_char = va_arg(argp, char *);
                    *out_char = fgetc(stdin);
                    break;

                case 's':
                    max_buffer = va_arg(argp, int);
                    out_string = va_arg(argp, char **);
                    rc = read_string(out_string, max_buffer);
                    check(rc == 0, "Failed to read string.");
                    break;

                default:
                    sentinel("Invalid format.");
            }
        } else {
            fgetc(stdin);
        }

        check(!feof(stdin) && !ferror(stdin), "Input error.");
    }

    va_end(argp);
    return 0;

error:
    va_end(argp);
    return -1;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    char *first_name = NULL;
    char initial = ' ';
    char *last_name = NULL;
    int age = 0;

    printf("What's your first name? ");
    int rc = read_scan("%s", MAX_DATA, &first_name);
    check(rc == 0, "Failed first name.");

    printf("What's your initial? ");
    rc = read_scan("%c\n", &initial);
    check(rc == 0, "Failed initial.");

    printf("What's your last name? ");
    rc = read_scan("%s", MAX_DATA, &last_name);
    check(rc == 0, "Failed last name.");

    printf("How old are you? ");
    rc = read_scan("%d", &age);

    printf("---- RESULTS ----\n");
    printf("First Name: %s", first_name);
    printf("Initial: '%c'\n", initial);
    printf("Last Name: %s", last_name);
    printf("Age: %d\n", age);

    free(first_name);
    free(last_name);
    return 0;
error:
    return -1;
}

这个程序和上一个练习很像,除了我编写了自己的scanf风格函数,它以我自己的方式处理字符串。你应该对main函数很清楚了,以及read_stringread_int两个函数,因为它们并没有做什么新的东西。

这里的变参函数叫做read_scan,它使用了va_list数据结构执行和scanf相同的工作,并支持宏和函数。下面是它的工作原理:

  • 我将函数的最后一个参数设置为...,它向C表示这个函数在fmt参数之后接受任何数量的参数。我可以在它前面设置许多其它的参数,但是在它后面不能放置任何参数。
  • 在设置完一些参数时,我创建了va_list类型的变量,并且使用va_list来为其初始化。这配置了stdarg.h中的这一可以处理可变参数的组件。
  • 接着我使用了for循环,遍历fmt格式化字符串,并且处理了类似scanf的格式,但比它略简单。它里面只带有整数、字符和字符串。
  • 当我碰到占位符时,我使用了switch语句来确定需要做什么。
  • 现在,为了从va_list argp中获得遍历,我需要使用va_arg(argp, TYPE)宏,其中TYPE是我将要向参数传递的准确类型。这一设计的后果是你会非常盲目,所以如果你没有足够的变量传入,程序就会崩溃。
  • scanf的有趣的不同点是,当它碰到's'占位符时,我使用read_string来创建字符串。va_list argp栈需要接受两个函数:需要读取的最大尺寸,以及用于输出的字符串指针。read_string使用这些信息来执行实际工作。
  • 这使read_scanscan更加一致,因为你总是使用&提供变量的地址,并且合理地设置它们。
  • 最后,如果它碰到了不在格式中的字符,它仅仅会读取并跳过,而并不关心字符是什么,因为它只需要跳过。

你会看到什么

当你运行程序时,会得到与下面详细的结果:

$ make ex25
cc -Wall -g -DNDEBUG    ex25.c   -o ex25
$ ./ex25
What's your first name? Zed
What's your initial? A
What's your last name? Shaw
How old are you? 37
---- RESULTS ----
First Name: Zed
Initial: 'A'
Last Name: Shaw
Age: 37

如何使它崩溃

这个程序对缓冲区溢出更加健壮,但是和scanf一样,它不能够处理输入的格式错误。为了使它崩溃,试着修改代码,把首先传入用于'%s'格式的尺寸去掉。同时试着传入多于MAX_DATA的数据,之后找到在read_string中不使用calloc的方法,并且修改它的工作方式。最后还有个问题是fgets会吃掉换行符,所以试着使用fgetc修复它,要注意字符串结尾应为'\0'

附加题

  • 再三检查确保你明白了每个out_变量的作用。最重要的是out_string,并且它是指针的指针。所以,理清当你设置时获取到的是指针还是内容尤为重要。
  • 使用变参系统编写一个和printf相似的函数,重新编写main来使用它。
  • 像往常一样,阅读这些函数/宏的手册页,确保知道了它在你的平台做了什么,一些平台会使用宏而其它平台会使用函数,还有一些平台会让它们不起作用。这完全取决于你所用的编译器和平台。