Mdr-C-Tutorial

12.2 可变参数 ​

可变参数函数在调用时可以接收个数不定的实参，典型例子是 printf。读取这些实参要用到 <stdarg.h> 中的 va_list、va_start、va_arg、va_end（以及 va_copy）。

1. 约束与设计要点 ​

与 ... 对应的实参不携带类型信息，函数本身无法得知调用方实际传入了多少个实参，也无法得知每个实参的类型。因此调用方和函数之间必须事先约定，例如用第一个形参给出实参的个数，或者像 printf 那样用格式字符串描述每个实参的类型。

2. 一个安全的最小模式 ​

c
#include <stdarg.h>
#include <stddef.h>

long long sum_ints(size_t count, ...) {
    va_list ap;
    long long total = 0;

    va_start(ap, count);
    for (size_t i = 0; i < count; ++i) {
        total += va_arg(ap, int);
    }
    va_end(ap);

    return total;
}

这里约定：第一个实参 count 给出其后 int 实参的个数。例如 sum_ints(3, 1, 2, 3) 的结果是 6。

3. 默认实参提升 ​

在可变参数部分，float 会提升为 double，较窄整数类型会提升为 int 或 unsigned int。因此 va_arg 取值类型必须与提升后类型一致，否则行为未定义。

4. va_copy 的使用场景 ​

当同一组可变实参需要被遍历不止一次时，应使用 va_copy 复制实参游标。直接重复读取同一个 va_list 会导致未定义行为。

c
#include <stdarg.h>

int consume_twice(int n, ...) {
    va_list ap;
    va_list ap2;

    va_start(ap, n);
    va_copy(ap2, ap);

    /* 第一次读取 ap ... */
    /* 第二次读取 ap2 ... */

    va_end(ap2);
    va_end(ap);
    return 0;
}

5. 前向转发模式 ​

可变参数函数常写成两层：外层函数接收 ...，用 va_start 得到 va_list，再交给接受 va_list 形参的内层函数处理。标准库成对提供了这两种形式，例如 printf 与 vprintf、fprintf 与 vfprintf。这样，格式解析等逻辑只需要在内层实现一次。

6. 习题 ​

6.1 巩固 ​

#11207
⚡2⏳2

第 2 节的 sum_ints 定义如下：

c
long long sum_ints(size_t count, ...);

依次执行下面四个调用：

c
printf("%lld\n", sum_ints(3, 1, 2, 3));
printf("%lld\n", sum_ints(2, (char)3, (short)5));
printf("%lld\n", sum_ints(0));
printf("%lld\n", sum_ints(2, 1.5, 2));

(1) 写出前三个调用的输出。

(2) 第二个调用里实参写的是 char 和 short，va_arg 却按 int 读取。解释它为什么仍能得到正确结果，这属于第 3 节说的哪一种情况；若把 char 换成 long 实参、仍按 int 读，还能得到正确结果吗？

(3) 第四个调用的第一个可变实参是 double，函数却按 int 读取，编译器对这次调用没有任何诊断。运行它，记录结果。再在 sum_ints 里把每次 va_arg 取到的值打印出来，对照实际实参，说明读到的整数并不是 3.5 转换来的。结果因此既不可预测，也不能指望在不同实现上有相同表现。最后说明：标准为什么把类型不匹配定为未定义行为，而不是规定一个转换结果。

(4) 若把 count 写成 4 而只传三个整数，问题出在哪里，函数内部能检查出来吗？由此归纳第 1 节所说的「调用方和函数之间必须事先约定」：约定一旦写错，函数自己有没有办法发现。

#11208
⚡3⏳3

下面的函数想求一组实参的平均值：

c
#include <stdarg.h>
#include <stddef.h>

double mean(size_t count, ...) {
    va_list ap;
    double total = 0.0;

    va_start(ap, count);
    for (size_t i = 0; i < count; ++i) {
        total += va_arg(ap, float);
    }
    va_end(ap);

    return total / (double)count;
}

要求：

  1. 用 gcc -std=c17 -Wall -Wextra 编译，贴出警告全文，并解释「if this code is reached, the program will abort」指哪一步。

  2. 运行 mean(3, 1.5f, 2.5f, 3.5f)，记录实际结果。若程序直接终止，说明这与第 3 节「va_arg 取值类型必须与提升后类型一致」的关系。

  3. 改正函数，并约定 count 为 0 时返回 0.0。用下面三组调用验收：

    c
    printf("%.2f\n", mean(3, 1.5f, 2.5f, 3.5));
printf("%.2f\n", mean(4, 1.0, 2.0, 2.0, 1.0));
printf("%.2f\n", mean(0));

    期望输出依次为 2.50、1.50、0.00。

  4. 调用方写 1.5f 与写 1.5，在改正后的函数里结果是否相同？从默认实参提升的角度回答。

6.2 编程 ​

#11209
⚡4⏳3

写一个统计函数，要求同一组实参遍历两遍：第一遍求总和与最大值，第二遍按原顺序打印每个值。

c
#include <stddef.h>

void report_ints(size_t count, ...);

要求：

  1. 用 va_start 启动一次，用 va_copy 复制出游标，两遍各用一个 va_list，结束时两个都要 va_end。

  2. 输出格式：sum=<总和> max=<最大值> values:，随后每个值前加一个空格。count 为 0 时只输出 sum=0 values:，不打印 max。

  3. 用下面三次调用验收：

    c
    report_ints(4, 3, -1, 7, 2);
report_ints(0);
report_ints(1, 5);

    期望输出：

    text
    sum=11 max=7 values: 3 -1 7 2
sum=0 values:
sum=5 max=5 values: 5

  4. 把 va_copy(ap2, ap) 换成 ap2 = ap，重新编译运行。在你的实现上可能照样编译通过、结果也正确，也可能直接报错。查 va_list 在这台机器上的定义（例如看 <stdarg.h>），解释两种可能的后果：va_list 是指针类型时，赋值只是复制游标；是数组类型时，赋值本身就不合法。第 4 节因此要求用 va_copy 而不是赋值。

  5. 再把第二遍改成 va_start(ap, count) 重新开始，说明它与 va_copy 两种做法各自的代价。

#11210
⚡4⏳3

实现一套带级别的日志接口，采用第 5 节的两层结构：

c
#include <stdarg.h>
#include <stdio.h>

void vlog_line(FILE *out, const char *level, const char *fmt, va_list ap);
void log_line(FILE *out, const char *level, const char *fmt, ...);

要求：

  1. vlog_line 先输出 [级别] ，再用 vfprintf 输出格式化内容，最后补一个换行；log_line 只负责 va_start、转调和 va_end。

  2. 用下面三次调用验收：

    c
    log_line(stdout, "INFO", "server started, port=%d", 8080);
log_line(stdout, "WARN", "queue %s is %d%% full", "rx", 80);
log_line(stdout, "ERROR", "open %s failed: %d", "config.ini", 2);

    期望输出：

    text
    [INFO] server started, port=8080
[WARN] queue rx is 80% full
[ERROR] open config.ini failed: 2

  3. 写下 log_line(stdout, "WARN", "%d", 3.5);，用 -Wall -Wextra 编译。为什么编译器一声不响？运行输出是什么？说明普通可变参数函数与 printf 在格式检查上的差别。

  4. 把格式串改为 "%s %d" 并只传一个 "x"。运行结果可能是打印一个无意义的值，也可能直接崩溃。据此说明：格式串与实参不匹配时，函数内部有没有办法自行发现？printf 家族为什么也无法检查。

  5. 选做：给两个函数加上 GCC 的格式属性：

    c
    void log_line(FILE *out, const char *level, const char *fmt, ...)
    __attribute__((format(printf, 3, 4)));

void vlog_line(FILE *out, const char *level, const char *fmt, va_list ap)
    __attribute__((format(printf, 3, 0)));

    重新编译第 3、4 两问的调用，贴出诊断。说明两个属性里的数字各指什么，以及为什么 va_list 版本的最后一个数字写 0。

6.3 综合与挑战 ​

#11211
⚡5⏳4

实现一个把若干字符串用分隔符连接起来的函数：

c
#include <stddef.h>

char *join_strings(const char *sep, const char *first, ...);

约定：可变部分以空指针结尾，first 为 NULL 时表示没有任何字符串。

要求：

  1. 第一遍只计算总长度：first 与各段字符串的长度之和，加上段数减一乘以 sep 的长度，再加终止空字符。第二遍才写入。

  2. 只申请一次存储，大小恰好等于所需字节数；申请失败返回 NULL。

  3. 两遍遍历用 va_copy 或两次 va_start，不得读越过结尾的空指针。

  4. first 为 NULL 时返回一个内容为空字符串的动态数组，调用方用 free 释放。

  5. 用下面两段验收：

    c
    char *s = join_strings(", ", "alpha", "beta", "gamma", NULL);
printf("%s\n", s);
free(s);

char *e = join_strings(", ", NULL);
printf("[%s]\n", e);
free(e);

    期望输出：

    text
    alpha, beta, gamma
[]

  6. 若把第一遍改成用 strlen 逐个拼接（边拼边 realloc），最坏情况要做多少次重新分配？从这一角度说明「先算长度、再申请」的意义。

  7. 调用方忘记写结尾的空指针时，函数会一直读下去，直到碰到一个恰好为 0 的字。在第一遍计数里加一个段数上限（例如 1000 段），超过就返回 NULL，说明这个上限把什么错误变成了可观察的返回值，以及它不能替代调用方对结尾空指针的约定。