【LeafC】C語言之宏魔法2：NARG

追本溯源

這期主題是NARG宏，它被用于計(jì)算宏的變長參數(shù)的個數(shù)。所以這篇文章我想從C語言的變長參數(shù)聊起，先說說C語言變長參數(shù)應(yīng)用，以及函數(shù)和宏的變長參數(shù)的原理，這樣在介紹NARG時，我們不僅能夠知道它是如何實(shí)現(xiàn)的，還能更好地學(xué)以致用。

| 函數(shù)的變長參數(shù)

變長參數(shù)看起來很高級，但當(dāng)C語言初學(xué)者第一次敲下Hello World時，就已經(jīng)在不知不覺中使用了這個重要的特性。

printf("Hello World");

printf函數(shù)是一個帶變長參數(shù)的函數(shù)，它的定義如下：

static char buffer[BUFF_SIZE];
int printf(const char *fmt, ...)
{
    va_list args;
    int n;
    va_start(args, fmt);
    n = vsprintf(buffer, fmt, args);
    va_end(args);
    // OUTPUT TO DEVICE
    return n;
}

讓我們逐行解析這個函數(shù)：

1. ...：變長參數(shù)形參
2. va_list args：定義一個指向形參列表的指針
3. va_start(args, fmt)：根據(jù)fmt形參獲取函數(shù)棧幀中可變參數(shù)列表的地址，并初始化args

當(dāng)調(diào)用printf函數(shù)時，其函數(shù)棧幀中包含形參列表，完整函數(shù)棧幀如下：
局部變量【棧頂】
形參1
...
形參n
函數(shù)返回地址
相關(guān)寄存器備份
函數(shù)返回值【棧底】

4. vsprintf：將args變長參數(shù)列表按照fmt字符串中的規(guī)則解析，并將結(jié)果填到buffer中，返回值為填入buffer的字節(jié)數(shù)

拓展知識：
vsprintf也可以使用安全函數(shù)vsnprintf，后者多一個表示buffer大小的參數(shù)。
在嵌入式環(huán)境中，通常在OUTPUT TO DEVICE位置會將buffer中數(shù)據(jù)輸出到串口或者其他輸出設(shè)備；在帶文件系統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，vsprintf函數(shù)會被vfprintf取代，數(shù)據(jù)輸出結(jié)果不填入buffer，而是填入stdout標(biāo)準(zhǔn)輸出流中（如命令行程序打印到屏幕上）

5. va_end(args)：將args置為NULL

細(xì)心的讀者可能會提出疑問，printf函數(shù)使用變長參數(shù)時，為何不需要知道變長參數(shù)的個數(shù)呢？

其實(shí)C語言中函數(shù)的變長參數(shù)個數(shù)是需要通過入?yún)魅氲?，函?shù)的棧幀中也確實(shí)不會自動生成變長參數(shù)個數(shù)的信息，只不過printf函數(shù)的入?yún)?span style="color: #ff9900;">fmt中已間接包含了變長參數(shù)個數(shù)信息，即有多少個%。

如果要實(shí)現(xiàn)一個不定長參數(shù)的my_sum求和函數(shù)，那就只能多加一個代表變長參數(shù)個數(shù)的入?yún)⒘耍?/p>

// 約束：變長入?yún)閕nt類型
int my_sum(int num, ...)
{
    va_list args;
    int sum = 0;
    va_start(args, num);
    while (num--) {
        sum += va_arg(args, int);
    }
    va_end(args);
    return sum;
}

// 調(diào)用
int sum = my_sum(3, 1, 2, 3); // sum = 6

但是，有沒有辦法優(yōu)化這個my_sum函數(shù)，讓程序在編譯時計(jì)算變長參數(shù)個數(shù)，而非手動填寫呢？

| 宏的變長參數(shù)

與函數(shù)的變長參數(shù)不同的是，宏只作用在預(yù)編譯階段，即對宏的變長參數(shù)的操作在代碼運(yùn)行之前，不會造成運(yùn)行時開銷。

下面是使用NARG宏優(yōu)化后的my_sum函數(shù)：

#define ARG_N(_0, _1, _2, _3, _4, _5, ...) _5
#define NARG(...) ARG_N(__VA_ARGS__, 5, 4, 3, 2, 1, 0)
#define MY_SUM(...) my_sum(NARG(__VA_ARGS__), ...)
// 調(diào)用
int sum = MY_SUM(1, 2, 3); // sum = 6

我們來逐行解析MY_SUM的實(shí)現(xiàn)：

1. ARG_N：定義一個含N+1個固定參數(shù)以及最后一個為變長參數(shù)的宏，其值為最后一個固定參數(shù)_N（這里N取5，最大支持計(jì)算5個參數(shù)數(shù)量）
2. NARG：利用ARG_N值為最后一個固定參數(shù)的特性，將變長參數(shù)放參數(shù)列表開頭，后續(xù)參數(shù)為從N到0遞減，巧妙地讓變長參數(shù)個數(shù)與ARG_N宏的值相等
3. MY_SUM：利用NARG在預(yù)編譯時計(jì)算出參數(shù)個數(shù)，填入my_sum函數(shù)第一個參數(shù)

宏的變長參數(shù)在使用時有2種方式：
1、__VA_ARGS__：可以不搭配固定參數(shù)使用，但變長參數(shù)個數(shù)需大于0
2、##__VA_ARGS__：必須搭配至少一個固定參數(shù)使用，且變長參數(shù)個數(shù)可為0

以下為__VA_ARGS__和##__VA_ARGS__合法和非法的使用方式：

#define MACRO1(...) func(__VA_ARGS__)
#define MACRO2(arg, ...) func(__VA_ARGS__)
#define MACRO3(arg, ...) func(##__VA_ARGS__)
// 合法
MACRO1(1)
MACRO2(1,2)
MACRO3(1)
MACRO3(1,2)
// 非法
MACRO1()
MACRO2(1)

實(shí)際應(yīng)用

開源項(xiàng)目googletest中的googlemock就使用了NARG，以及除此之外的超多宏魔法，這是由于其需要對外部輸入做很多的編譯時合法性檢查。在后續(xù)的宏魔法系列文章中，可能會再次引用googlemock中的實(shí)現(xiàn)思路。

更進(jìn)一步

上述MY_SUM宏通過調(diào)用my_sum這個帶變長參數(shù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了不定個數(shù)數(shù)字求和。假如MY_SUM宏的參數(shù)均為常量，有沒辦法繼續(xù)優(yōu)化，使程序完全在編譯時計(jì)算呢？

#define SUM1(a1) (a1)
#define SUM2(a1, a2) (SUM1(a1) + (a2))
#define SUM3(a1, a2, a3) (SUM2(a1, a2) + (a3))
#define SUM4(a1, a2, a3, a4) (SUM3(a1, a2, a3) + (a4))

#define SUM_N(_1, _2, _3, _4, NAME, ...) NAME
#define MY_SUM(...) SUM_N(__VA_ARGS__, SUM4, SUM3, SUM2, SUM1)(__VA_ARGS__)

// 調(diào)用
int sum = MY_SUM(1, 2, 3); // sum = 6

以上MY_SUM實(shí)現(xiàn)原理留給讀者思考，其原理與NARG宏如出一轍。

原理：
將一個前為固定參數(shù)，后為變長參數(shù)的前定后變宏，傳入一個前為變長參數(shù)，后為固定參數(shù)的前變后定參數(shù)列表，利用前定后變宏固定參數(shù)位置不變的性質(zhì)，按照規(guī)則排列好前變后定參數(shù)列表，完成參數(shù)列表的選擇。