C++中的變長參數(shù)深入理解

更新時間：2016年10月19日 15:20:24 作者：kevonyang

變長參數(shù)的函數(shù)，即參數(shù)個數(shù)可變、參數(shù)類型不定的函數(shù)。設(shè)計一個參數(shù)個數(shù)可變、參數(shù)類型不定的函數(shù)是可能的，最常見的例子是printf函數(shù)、scanf函數(shù)和高級語言的Format函數(shù)。最近的一個項目中就遇到這么一個相關(guān)的問題，感興趣的朋友們下面來一起看看吧。

前言

在吸進的一個項目中為了使用共享內(nèi)存和自定義內(nèi)存池，我們自己定義了MemNew函數(shù)，且在函數(shù)內(nèi)部對于非pod類型自動執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)。在需要的地方調(diào)用自定義的MemNew函數(shù)。這樣就帶來一個問題，使用stl的類都有默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，以及復(fù)制構(gòu)造函數(shù)等。但使用共享內(nèi)存和內(nèi)存池的類可能沒有默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，而是定義了多個參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)，于是如何將參數(shù)傳入MemNew函數(shù)便成了問題。

一、變長參數(shù)函數(shù)

首先回顧一下較多使用的變長參數(shù)函數(shù)，最經(jīng)典的便是printf。

extern int printf(const char *format, ...);

以上是一個變長參數(shù)的函數(shù)聲明。我們自己定義一個測試函數(shù)：

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

int testparams(int count, ...)
{
 va_list args;
 va_start(args, count);
 for (int i = 0; i < count; ++i)
 {
  int arg = va_arg(args, int);
  printf("arg %d = %d", i, arg);
 }
 va_end(args);
 return 0;
}

int main()
{
 testparams(3, 10, 11, 12);
 return 0;
}

變長參數(shù)函數(shù)的解析，使用到三個宏va_start,va_arg 和va_end，再看va_list的定義 typedef char* va_list; 只是一個char指針。

這幾個宏如何解析傳入的參數(shù)呢？

函數(shù)的調(diào)用，是一個壓棧，保存，跳轉(zhuǎn)的過程。

簡單的流程描述如下：

1、把參數(shù)從右到左依次壓入棧；

2、調(diào)用call指令，把下一條要執(zhí)行的指令的地址作為返回地址入棧；（被調(diào)用函數(shù)執(zhí)行完后會回到該地址繼續(xù)執(zhí)行）

3、當(dāng)前的ebp（基址指針）入棧保存，然后把當(dāng)前esp（棧頂指針）賦給ebp作為新函數(shù)棧幀的基址；

4、執(zhí)行被調(diào)用函數(shù)，局部變量等入棧；

5、返回值放入eax，leave，ebp賦給esp，esp所存的地址賦給ebp；（這里可能需要拷貝臨時返回對象）
從返回地址開始繼續(xù)執(zhí)行；（把返回地址所存的地址給eip）

由于開始的時候從右至左把參數(shù)壓棧，va_start 傳入最左側(cè)的參數(shù)，往右的參數(shù)依次更早被壓入棧，因此地址依次遞增（棧頂?shù)刂纷钚。?code>va_arg傳入當(dāng)前需要獲得的參數(shù)的類型，便可以利用 sizeof 計算偏移量，依次獲取后面的參數(shù)值。

#define _INTSIZEOF(n)   ((sizeof(n) + sizeof(int) - 1) & ~(sizeof(int) - 1))

#define _ADDRESSOF(v) (&const_cast<char&>(reinterpret_cast<const volatile char&>(v)))

#define __crt_va_start_a(ap, v) ((void)(ap = (va_list)_ADDRESSOF(v) + _INTSIZEOF(v)))
#define __crt_va_arg(ap, t)  (*(t*)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)))
#define __crt_va_end(ap)  ((void)(ap = (va_list)0))

#define __crt_va_start(ap, x) ((void)(__vcrt_va_start_verify_argument_type<decltype(x)>(), __crt_va_start_a(ap, x)))

#define va_start __crt_va_start
#define va_arg __crt_va_arg
#define va_end __crt_va_end

上述宏定義中， _INTSIZEOF(n) 將地址的低2位指令，做內(nèi)存的4字節(jié)對齊。每次取參數(shù)時，調(diào)用__crt_va_arg(ap,t) ，返回t類型參數(shù)地址的值，同時將ap偏移到t之后。最后，調(diào)用_crt_va_end(ap)將ap置0.

變長參數(shù)的函數(shù)的使用及其原理看了宏定義是很好理解的。從上文可知，要使用變長參數(shù)函數(shù)的參數(shù)，我們必須知道傳入的每個參數(shù)的類型。printf中，有format字符串中的特殊字符組合來解析后面的參數(shù)類型。但是當(dāng)傳入類的構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)時，我們并不知道每個參數(shù)都是什么類型，雖然參數(shù)能夠依次傳入函數(shù)，但無法解析并獲取每個參數(shù)的數(shù)值。因此傳統(tǒng)的變長參數(shù)函數(shù)并不足以解決傳入任意構(gòu)造函數(shù)參數(shù)的問題。

二、變長參數(shù)模板

我們需要用到C++11的新特性，變長參數(shù)模板。

這里舉一個使用自定義內(nèi)存池的例子。定義一個內(nèi)存池類MemPool.h，以count個類型T為單元分配內(nèi)存，默認(rèn)分配一個對象。每當(dāng)內(nèi)存內(nèi)空閑內(nèi)存不夠，則一次申請MEMPOOL_NEW_SIZE個內(nèi)存對象。內(nèi)存池本身只負(fù)責(zé)內(nèi)存分配，不做初始化工作，因此不需要傳入任何參數(shù)，只需實例化模板分配相應(yīng)類型的內(nèi)存即可。

#ifndef UTIL_MEMPOOL_H
#define UTIL_MEMPOOL_H

#include <stdlib.h>

#define MEMPOOL_NEW_SIZE 8

template<typename T, size_t count = 1>
class MemPool
{
private:
 union MemObj {
  char _obj[1];
  MemObj* _freelink;
 };

public:
 static void* Allocate()
 {
  if (!_freelist) {
   refill();
  }
  MemObj* alloc_mem = _freelist;
  _freelist = _freelist->_freelink;
  ++_size;
  return (void*)alloc_mem;
 }

 static void DeAllocate(void* p)
 {
  MemObj* q = (MemObj*)p;
  q->_freelink = _freelist;
  _freelist = q;
  --_size;
 }

 static size_t TotalSize() {
  return _totalsize;
 }

 static size_t Size() {
  return _size;
 }
private:
 static void refill()
 {
  size_t size = sizeof(T) * count;
  char* new_mem = (char*)malloc(size * MEMPOOL_NEW_SIZE);
  for (int i = 0; i < MEMPOOL_NEW_SIZE; ++i) {
   MemObj* free_mem = (MemObj*)(new_mem + i * size);
   free_mem->_freelink = _freelist;
   _freelist = free_mem;
  }
  _totalsize += MEMPOOL_NEW_SIZE;
 }

 static MemObj* _freelist;
 static size_t _totalsize;
 static size_t _size;
};

template<typename T, size_t count>
typename MemPool<T, count>::MemObj* MemPool<T, count>::_freelist = NULL;

template<typename T, size_t count>
size_t MemPool<T, count>::_totalsize = 0;

template<typename T, size_t count>
size_t MemPool<T, count>::_size = 0;
#endif

接下來在沒有變長參數(shù)的情況下，實現(xiàn)通用MemNew和MemDelete函數(shù)模板。這里不對函數(shù)模板作詳細(xì)解釋，用函數(shù)模板我們可以對不同的類型實現(xiàn)同樣的內(nèi)存池分配操作。如下：

template<class T>
T *MemNew(size_t count)
{
 T *p = (T*)MemPool<T, count>::Allocate();
 if (p != NULL)
 {
  if (!std::is_pod<T>::value)
  {
   for (size_t i = 0; i < count; ++i)
   {
    new (&p[i]) T();
   }
  }
 }
 return p;
}

template<class T>
T *MemDelete(T *p, size_t count)
{
 if (p != NULL)
 {
  if (!std::is_pod<T>::value)
  {
   for (size_t i = 0; i < count; ++i)
   {
    p[i].~T();
   }
  }
  MemPool<T, count>::DeAllocate(p);
 }
}

上述實現(xiàn)中，使用placement new對申請的內(nèi)存進行構(gòu)造，使用了默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，當(dāng)申請內(nèi)存的類型不具備默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)時，placement new將報錯。對于pod類型，可以省去調(diào)用構(gòu)造函數(shù)的過程。

引入C++11變長模板參數(shù)后MemNew修改為如下

template<class T, class... Args>
T *MemNew(size_t count, Args&&... args)
{
 T *p = (T*)MemPool<T, count>::Allocate();
 if (p != NULL)
 {
  if (!std::is_pod<T>::value)
  {
   for (size_t i = 0; i < count; ++i)
   {
    new (&p[i]) T(std::forward<Args>(args)...);
   }
  }
 }
 return p;
}

以上函數(shù)定義包含了多個特性，后面我將一一解釋，其中class... Args 表示變長參數(shù)模板，函數(shù)參數(shù)中Args&& 為右值引用。std::forward<Args> 實現(xiàn)參數(shù)的完美轉(zhuǎn)發(fā)。這樣，無論傳入的類型具有什么樣的構(gòu)造函數(shù)，都能夠完美執(zhí)行

C++11中引入了變長參數(shù)模板的概念，來解決參數(shù)個數(shù)不確定的模板。

template<class... T> class Test {};
Test<> test0;
Test<int> test1;
Test<int,int> test2;
Test<int,int,long> test3;

template<class... T> void test(T... args);
test();
test<int>(0);
test<int,int,long>(0,0,0L);

以上分別是使用變長參數(shù)類模板和變長參數(shù)函數(shù)模板的例子。

2.1變長參數(shù)函數(shù)模板

T... args 為形參包，其中args是模式，形參包中可以有0到任意多個參數(shù)。調(diào)用函數(shù)時，可以傳任意多個實參。對于函數(shù)定義來說，該如何使用參數(shù)包呢？在上文的MemNew中，我們使用std::forward依次將參數(shù)包傳入構(gòu)造函數(shù)，并不關(guān)注每個參數(shù)具體是什么。如果需要，我們可以用sizeof...(args)操作獲取參數(shù)個數(shù)，也可以把參數(shù)包展開，對每個參數(shù)做更多的事。展開的方法有兩種，遞歸函數(shù)，逗號表達式。

遞歸函數(shù)方式展開，模板推導(dǎo)的時候，一層層遞歸展開，最后到?jīng)]有參數(shù)時用定義的一般函數(shù)終止。

void test()
{
}

template<class T, class... Args> 
void test(T first, Args... args)
{
 std::cout << typeid(T).name() << " " << first << std::endl;
 test(args...);
}

test<int, int, long>(0, 0, 0L);

output:
int 0
int 0
long 0

逗號表達式方式展開，利用數(shù)組的參數(shù)初始化列表和逗號表達式，逐一執(zhí)行print每個參數(shù)。

template<class T>
void print(T arg)
{
 std::cout << typeid(T).name() << " " << arg << std::endl;
}

template<class... Args>
void test(Args... args)
{
 int arr[] = { (print(args), 0)... };
}

test(0, 0, 0L);

output:
int 0
int 0
long 0

2.2變長參數(shù)類模板

變長參數(shù)類模板，一般情況下可以方便我們做一些編譯期計算?？梢酝ㄟ^偏特化和遞歸推導(dǎo)的方式依次展開模板參數(shù)。

template<class T, class... Types>
class Test
{
public:
 enum {
  value = Test<T>::value + Test<Types...>::value,
 };
};

template<class T>
class Test<T>
{
public:
 enum {
  value = sizeof(T),
 };
};

Test<int, int, long> test;
std::cout << test.value;

output: 12

2.3右值引用和完美轉(zhuǎn)發(fā)

對于變長參數(shù)函數(shù)模板，需要將形參包展開逐個處理的需求不多，更多的還是像本文的MemNew這樣的需求，最終整個傳入某個現(xiàn)有的函數(shù)。我們把重點放在參數(shù)的傳遞上。

要理解右值引用，需要先說清楚左值和右值。左值是內(nèi)存中有確定存儲地址的對象的表達式的值；右值則是非左值的表達式的值。const左值不可被賦值，臨時對象的右值可以被賦值。左值與右值的根本區(qū)別在于是否能用&運算符獲得內(nèi)存地址。

int i =0;//i 左值
int *p = &i;// i 左值
int& foo();
foo() = 42;// foo() 左值
int* p1 = &foo();// foo() 左值

int foo1();
int j = 0;
j = foo1();// foo 右值
int k = j + 1;// j + 1 右值
int *p2 = &foo1(); // 錯誤，無法取右值的地址
j = 1;// 1 右值

理解左值和右值之后，再來看引用，對左值的引用就是左值引用，對右值（純右值和臨終值）的引用就是右值引用。

如下函數(shù)foo，傳入int類型，返回int類型，這里傳入函數(shù)的參數(shù)0和返回值0都是右值(不能用&取得地址)。于是，未做優(yōu)化的情況下，傳入?yún)?shù)0的時候，我們需要把右值0拷貝給param，函數(shù)返回的時候需要將0拷貝給臨時對象，臨時對象再拷貝給res。當(dāng)然現(xiàn)在的編譯器都做了返回值優(yōu)化，返回對象是直接創(chuàng)建在返回后的左值上的，這里只用來舉個例子

int foo(int param)
{
 printf("%d", param);
 return 0;
}

int res = foo(0);

顯然，這里的拷貝都是多余的。可能我們會想要優(yōu)化，首先將參數(shù)int改為int& ，傳入左值引用，于是0無法傳入了，當(dāng)然我們可以改成const int& ，這樣終于省去了傳參的拷貝。

int foo(const int& param)
{
 printf("%d", param);
 return 0;
}

由于const int& 既可以是左值也可以是右值，傳入0或者int變量都能夠滿足。(但是似乎既然有左值引用的int&類型，就應(yīng)該有對應(yīng)的傳入右值引用的類型int&& )。另外，這里返回的右值0，似乎不通過拷貝就無法賦值給左值res 。

于是有了移動語義，把臨時對象的內(nèi)容直接移動給被賦值的左值對象(std::move)。和右值引用，X&&是到數(shù)據(jù)類型X的右值引用。

int result = 0;
int&& foo(int&& param)
{
 printf("%d", param);
 return std::move(result);
}

int&& res = foo(0);
int *pres = &res;

將foo改為右值引用參數(shù)和返回值，返回右值引用，免去拷貝。這里res是具名引用，運算符右側(cè)的右值引用作為左值，可以取地址。右值引用既有左值性質(zhì)，也有右值性質(zhì)。

上述例子還只存在于拷貝的性能問題。回到MemNew這樣的函數(shù)模板。

template<class T>
T* Test(T arg)
{
 return new T(arg);
}

template<class T>
T* Test(T& arg)
{
 return new T(arg);
}

template<class T>
T* Test(const T& arg)
{
 return new T(arg);
}

template<class T>
T* Test(T&& arg)
{
 return new T(std::forward<T>(arg));
}

上述的前三種方式傳參，第一種首先有拷貝消耗，其次有的參數(shù)就是需要修改的左值。第二種方式則無法傳常數(shù)等右值。第三種方式雖然左值右值都能傳，卻無法對傳入的參數(shù)進行修改。第四種方式使用右值引用，可以解決參數(shù)完美轉(zhuǎn)發(fā)的問題。

　　std::forward能夠根據(jù)實參的數(shù)據(jù)類型，返回相應(yīng)類型的左值和右值引用，將參數(shù)完整不動的傳遞下去。

　　解釋這個原理涉及到引用塌縮規(guī)則

　　 T& & ->T&

　　 T& &&->T&

T&& &->T&

　　 T&& &&->T&&

template< class T > struct remove_reference  {typedef T type;};
template< class T > struct remove_reference<T&> {typedef T type;};
template< class T > struct remove_reference<T&&> {typedef T type;};

template< class T > T&& forward( typename std::remove_reference<T>::type& t )
{
 return static_cast<T&&>(t);
}

template<class T>
typename std::remove_reference<T>::type&& move(T&& a) noexcept
{ 
 return static_cast<typename std::remove_reference<T>::type&&>(a);
}

對于函數(shù)模板

template<class T>
T* Test(T&& arg)
{
 return new T(std::forward<T>(arg));
}

當(dāng)傳入實參為X類型左值時，T為X&，最后的類型為X&。當(dāng)實參為X類型右值時，T為X，最后的類型為X&&。

x為左值時：

X x;
Test(x);

T為X&，實例化后

X& && std::forward(remove_reference<X&>::type& a) noexcept
{
 return static_cast<X& &&>(a);
}

X* Test(X& && arg)
{
 return new X(std::forward<X&>(arg)); 
}

// 塌陷后

X& std::forward(X& a)
{
 return static_cast<X&>(a);
}

X* Test(X& arg)
{
 return new X(std::forward<X&>(arg));
}

x為右值時：

X foo();
Test(foo());

T為X，實例化后

X&& std::forward(remove_reference<X>::type& a) noexcept
{
 return static_cast<X&&>(a);
}

X* Test(X&& arg)
{
 return new X(std::forward<X>(arg)); 
}

// 塌陷后

X&& std::forward(X& a)
{
 return static_cast<X&&>(a);
}

X* Test(X&& arg)
{
 return new X(std::forward<X>(arg));
}

可以看到最終實參總是被推導(dǎo)為和傳入時相同的類型引用。

至此，我們討論了變長參數(shù)模板，討論了右值引用和函數(shù)模板的完美轉(zhuǎn)發(fā)，完整的解釋了MemNew對任意多個參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)傳遞過程。利用變長參數(shù)函數(shù)模板，右值引用和std::forward ，可以完成參數(shù)的完美轉(zhuǎn)發(fā)。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家學(xué)習(xí)或者使用C++能有所幫助，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對腳本之家的支持。

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