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【转】深入浅出VA函数(还是串行参数好点,毕竟安全性才是第一重要)  

2009-08-03 17:03:27|  分类: 程序理论 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文主要介绍可变参数的函数使用,然后分析它的原理,程序员自己如何对它们实现和封装,最后是可能会出现的问题和避免措施。   
    
          VA   函数(variable   argument   function),参数个数可变函数,又称可变参数函数。C/C++编程中,系统提供给编程人员的va函数很少。*printf()/*scanf()   系列函数,用于输入输出时格式化字符串;exec*()系列函数,用于在程序中执行外部文件(main(int   argc,   char*   argv[]算不算呢,与其说main()也是一个可变参数函数,倒不如说它是exec*()经过封装后的具备特殊功能和意义的函数,至少在原理这一级上有很多相似之处)。由于参数个数的不确定,使va函数具有很大的灵活性,易用性,对没有使用过可变参数函数的编程人员很有诱惑力;那么,该如何编写自己的   va函数,va函数的运用时机、编译实现又是如何。作者借本文谈谈自己关于va函数的一些浅见。  
   
  一、   从printf()开始  
  从大家都很熟悉的格式化字符串函数开始介绍可变参数函数。  
   
  原型:int   printf(const   char   *   format,   ...);  
   
  参数format表示如何来格式字符串的指令,...  
   
  表示可选参数,调用时传递给"..."的参数可有可无,根据实际情况而定。  
   
  系统提供了vprintf系列格式化字符串的函数,用于编程人员封装自己的I/O函数。  
   
  int   vprintf   /   vscanf(const   char   *   format,   va_list   ap);   //   从标准输入/输出格式化字符串  
  int   vfprintf   /   vfsacanf(FILE   *   stream,   const   char   *   format,   va_list   ap);   //   从文件流  
  int   vsprintf   /   vsscanf(char   *   s,   const   char   *   format,   va_list   ap);   //   从字符串  
   
  //   例1:格式化到一个文件流,可用于日志文件   
        
  FILE   *logfile;int   WriteLog(const   char   *   format,   ...){va_list   arg_ptr;va_start(arg_ptr,   format);int   nWrittenBytes   =   vfprintf(logfile,   format,   arg_ptr);va_end(arg_ptr);return   nWrittenBytes;}...//   调用时,与使用printf()没有区别。WriteLog("%04d-%02d-%02d   %02d:%02d:%02d     %s/%04d   logged   out.",   nYear,   nMonth,   nDay,   nHour,   nMinute,   szUserName,   nUserID);  
     
   
  同理,也可以从文件中执行格式化输入;或者对标准输入输出,字符串执行格式化。  
   
  在上面的例1中,WriteLog()函数可以接受参数个数可变的输入,本质上,它的实现需要vprintf()的支持。如何真正实现属于自己的可变参数函数,包括控制每一个传入的可选参数。  

 

二、   va函数的定义和va宏  
  C   语言支持va函数,作为C语言的扩展--C++同样支持va函数,但在C++中并不推荐使用,C++引入的多态性同样可以实现参数个数可变的函数。不过,   C++的重载功能毕竟只能是有限多个可以预见的参数个数。比较而言,C中的va函数则可以定义无穷多个相当于C++的重载函数,这方面C++是无能为力的。va函数的优势表现在使用的方便性和易用性上,可以使代码更简洁。C编译器为了统一在不同的硬件架构、硬件平台上的实现,和增加代码的可移植性,提供了一系列宏来屏蔽硬件环境不同带来的差异。  
   
  ANSI   C标准下,va的宏定义在stdarg.h中,它们有:va_list,va_start(),va_arg(),va_end()。    
   
  //   例2:求任意个自然数的平方和:  
   
   
  int   SqSum(int   n1,   ...){va_list   arg_ptr;int   nSqSum   =   0,   n   =   n1;va_start(arg_ptr,   n1);while   (n   >   0){         nSqSum   +=   (n   *   n);         n   =   va_arg(arg_ptr,   int);}va_end(arg_ptr);return   nSqSum;}//   调用时int   nSqSum   =   SqSum(7,   2,   7,   11,   -1);  
     
   
  可变参数函数的原型声明格式为:  
   
  type   VAFunction(type   arg1,   type   arg2,   ...   );  
   
  参数可以分为两部分:个数确定的固定参数和个数可变的可选参数。函数至少需要一个固定参数,固定参数的声明和普通函数一样;可选参数由于个数不确定,声明时用"..."表示。固定参数和可选参数公同构成一个函数的参数列表。  
   
  借助上面这个简单的例2,来看看各个va_xxx的作用。  
  va_list   arg_ptr:定义一个指向个数可变的参数列表指针;  
   
  va_start(arg_ptr,   argN):使参数列表指针arg_ptr指向函数参数列表中的第一个可选参数,说明:argN是位于第一个可选参数之前的固定参数,(或者说,最后一个固定参数;...之前的一个参数),函数参数列表中参数在内存中的顺序与函数声明时的顺序是一致的。如果有一va函数的声明是void   va_test(char   a,   char   b,   char   c,   ...),则它的固定参数依次是a,b,c,最后一个固定参数argN为c,因此就是va_start(arg_ptr,   c)。  
   
  va_arg(arg_ptr,   type):返回参数列表中指针arg_ptr所指的参数,返回类型为type,并使指针arg_ptr指向参数列表中下一个参数。  
   
  va_copy(dest,   src):dest,src的类型都是va_list,va_copy()用于复制参数列表指针,将dest初始化为src。  
   
  va_end   (arg_ptr):清空参数列表,并置参数指针arg_ptr无效。说明:指针arg_ptr被置无效后,可以通过调用va_start()、va_copy()恢复arg_ptr。每次调用va_start()   /   va_copy()后,必须得有相应的va_end()与之匹配。参数指针可以在参数列表中随意地来回移动,但必须在va_start()   ...   va_end()之内。  
二、   va函数的定义和va宏  
  C   语言支持va函数,作为C语言的扩展--C++同样支持va函数,但在C++中并不推荐使用,C++引入的多态性同样可以实现参数个数可变的函数。不过,   C++的重载功能毕竟只能是有限多个可以预见的参数个数。比较而言,C中的va函数则可以定义无穷多个相当于C++的重载函数,这方面C++是无能为力的。va函数的优势表现在使用的方便性和易用性上,可以使代码更简洁。C编译器为了统一在不同的硬件架构、硬件平台上的实现,和增加代码的可移植性,提供了一系列宏来屏蔽硬件环境不同带来的差异。  
   
  ANSI   C标准下,va的宏定义在stdarg.h中,它们有:va_list,va_start(),va_arg(),va_end()。    
   
  //   例2:求任意个自然数的平方和:  
   
   
  int   SqSum(int   n1,   ...){va_list   arg_ptr;int   nSqSum   =   0,   n   =   n1;va_start(arg_ptr,   n1);while   (n   >   0){         nSqSum   +=   (n   *   n);         n   =   va_arg(arg_ptr,   int);}va_end(arg_ptr);return   nSqSum;}//   调用时int   nSqSum   =   SqSum(7,   2,   7,   11,   -1);  
     
   
  可变参数函数的原型声明格式为:  
   
  type   VAFunction(type   arg1,   type   arg2,   ...   );  
   
  参数可以分为两部分:个数确定的固定参数和个数可变的可选参数。函数至少需要一个固定参数,固定参数的声明和普通函数一样;可选参数由于个数不确定,声明时用"..."表示。固定参数和可选参数公同构成一个函数的参数列表。  
   
  借助上面这个简单的例2,来看看各个va_xxx的作用。  
  va_list   arg_ptr:定义一个指向个数可变的参数列表指针;  
   
  va_start(arg_ptr,   argN):使参数列表指针arg_ptr指向函数参数列表中的第一个可选参数,说明:argN是位于第一个可选参数之前的固定参数,(或者说,最后一个固定参数;...之前的一个参数),函数参数列表中参数在内存中的顺序与函数声明时的顺序是一致的。如果有一va函数的声明是void   va_test(char   a,   char   b,   char   c,   ...),则它的固定参数依次是a,b,c,最后一个固定参数argN为c,因此就是va_start(arg_ptr,   c)。  
   
  va_arg(arg_ptr,   type):返回参数列表中指针arg_ptr所指的参数,返回类型为type,并使指针arg_ptr指向参数列表中下一个参数。  
   
  va_copy(dest,   src):dest,src的类型都是va_list,va_copy()用于复制参数列表指针,将dest初始化为src。  
   
  va_end   (arg_ptr):清空参数列表,并置参数指针arg_ptr无效。说明:指针arg_ptr被置无效后,可以通过调用va_start()、va_copy()恢复arg_ptr。每次调用va_start()   /   va_copy()后,必须得有相应的va_end()与之匹配。参数指针可以在参数列表中随意地来回移动,但必须在va_start()   ...   va_end()之内。  

 

三、   编译器如何实现va  
  例2中调用SqSum(7,   2,   7,   11,   -1)来求7,   2,   7,   11的平方和,-1是结束标志。  
   
  简单地说,va函数的实现就是对参数指针的使用和控制。  
   
   
  typedef   char   *     va_list;     //   x86平台下va_list的定义  
     
   
  函数的固定参数部分,可以直接从函数定义时的参数名获得;对于可选参数部分,先将指针指向第一个可选参数,然后依次后移指针,根据与结束标志的比较来判断是否已经获得全部参数。因此,va函数中结束标志必须事先约定好,否则,指针会指向无效的内存地址,导致出错。  
   
  这里,移动指针使其指向下一个参数,那么移动指针时的偏移量是多少呢,没有具体答案,因为这里涉及到内存对齐(alignment)问题,内存对齐跟具体使用的硬件平台有密切关系,比如大家熟知的32位x86平台规定所有的变量地址必须是4的倍数(sizeof(int)   =   4)。va机制中用宏_INTSIZEOF(n)来解决这个问题,没有这些宏,va的可移植性无从谈起。  
   
  首先介绍宏_INTSIZEOF(n),它求出变量占用内存空间的大小,是va的实现的基础。  
   
   
  #define   _INTSIZEOF(n)     ((sizeof(n)+sizeof(int)-1)&~(sizeof(int)   -   1)   )    
     
   
  #define   va_start(ap,v)   (   ap   =   (va_list)&v   +   _INTSIZEOF(v)   )                     //第一个可选参数地址#define   va_arg(ap,t)   (   *(t   *)((ap   +=   _INTSIZEOF(t))   -   _INTSIZEOF(t))   )   //下一个参数地址#define   va_end(ap)       (   ap   =   (va_list)0   )                                                       //   将指针置为无效  
     
   
  下表是针对函数int   TestFunc(int   n1,   int   n2,   int   n3,   ...)   参数传递时的内存堆栈情况。(C编译器默认的参数传递方式是__cdecl。)  
   
  对该函数的调用为int   result   =   TestFunc(a,   b,   c,   d.   e);   其中e为结束标志。  
   
   
   
   
  从上图中可以很清楚地看出va_xxx宏如此编写的原因。  
   
  1.   va_start。为了得到第一个可选参数的地址,我们有三种办法可以做到:  
   
  A)   =   &n3   +   _INTSIZEOF(n3)  
  //   最后一个固定参数的地址   +   该参数占用内存的大小  
   
  B)   =   &n2   +   _INTSIZEOF(n3)   +   _INTSIZEOF(n2)  
  //   中间某个固定参数的地址   +   该参数之后所有固定参数占用的内存大小之和  
   
  C)   =   &n1   +   _INTSIZEOF(n3)   +   _INTSIZEOF(n2)   +   _INTSIZEOF(n1)  
  //   第一个固定参数的地址   +   所有固定参数占用的内存大小之和  
   
  从编译器实现角度来看,方法B),方法C)为了求出地址,编译器还需知道有多少个固定参数,以及它们的大小,没有把问题分解到最简单,所以不是很聪明的途径,不予采纳;相对来说,方法A)中运算的两个值则完全可以确定。va_start()正是采用A)方法,接受最后一个固定参数。调用va_start   ()的结果总是使指针指向下一个参数的地址,并把它作为第一个可选参数。在含多个固定参数的函数中,调用va_start()时,如果不是用最后一个固定参数,对于编译器来说,可选参数的个数已经增加,将给程序带来一些意想不到的错误。(当然如果你认为自己对指针已经知根知底,游刃有余,那么,怎么用就随你,你甚至可以用它完成一些很优秀(高效)的代码,但是,这样会大大降低代码的可读性。)  
   
  注意:宏va_start是对参数的地址进行操作的,要求参数地址必须是有效的。一些地址无效的类型不能当作固定参数类型。比如:寄存器类型,它的地址不是有效的内存地址值;数组和函数也不允许,他们的长度是个问题。因此,这些类型时不能作为va函数的参数的。  
   
  2.   va_arg身兼二职:返回当前参数,并使参数指针指向下一个参数。  
   
  初看va_arg宏定义很别扭,如果把它拆成两个语句,可以很清楚地看出它完成的两个职责。  
   
   
  #define   va_arg(ap,t)       (   *(t   *)((ap   +=   _INTSIZEOF(t))   -   _INTSIZEOF(t))   )   //下一个参数地址//   将(   *(t   *)((ap   +=   _INTSIZEOF(t))   -   _INTSIZEOF(t))   )拆成:/*   指针ap指向下一个参数的地址   */1. ap   +=   _INTSIZEOF(t);                 //   当前,ap已经指向下一个参数了/*   ap减去当前参数的大小得到当前参数的地址,再强制类型转换后返回它的值   */2. return   *(t   *)(   ap   -   _INTSIZEOF(t))    
     
   
  回想到printf/scanf系列函数的%d   %s之类的格式化指令,我们不难理解这些它们的用途了-   明示参数强制转换的类型。  
   
  (注:printf/scanf没有使用va_xxx来实现,但原理是一致的。)  
   
  3.va_end很简单,仅仅是把指针作废而已。  
   
  #define   va_end(ap)   (ap   =   (va_list)0)   //   x86平台  
   
  四、   简洁、灵活,也有危险  
  从va的实现可以看出,指针的合理运用,把C语言简洁、灵活的特性表现得淋漓尽致,叫人不得不佩服C的强大和高效。不可否认的是,给编程人员太多自由空间必然使程序的安全性降低。va中,为了得到所有传递给函数的参数,需要用va_arg依次遍历。其中存在两个隐患:  
   
  1)如何确定参数的类型。   va_arg在类型检查方面与其说非常灵活,不如说是很不负责,因为是强制类型转换,va_arg都把当前指针所指向的内容强制转换到指定类型;  
   
  2)结束标志。如果没有结束标志的判断,va将按默认类型依次返回内存中的内容,直到访问到非法内存而出错退出。例2中SqSum()求的是自然数的平方和,所以我把负数和0作为它的结束标志。例如scanf把接收到的回车符作为结束标志,大家熟知的printf()对字符串的处理用'\0'作为结束标志,无法想象C中的字符串如果没有'\0',   代码将会是怎样一番情景,估计那时最流行的可能是字符数组,或者是malloc/free。  
   
  允许对内存的随意访问,会留给不怀好意者留下攻击的可能。当处理cracker精心设计好的一串字符串后,程序将跳转到一些恶意代码区域执行,以使cracker达到其攻击目的。(常见的exploit攻击)所以,必需禁止对内存的随意访问和严格控制内存访问边界。  
   
  五、   Unix   System   V兼容方式的va声明  
  上面介绍可变参数函数的声明是采用ANSI标准的,Unix   System   V兼容方式的声明有一点点区别,它增加了两个宏:va_alist,va_dcl。而且它们不是定义在stdarg.h中,而是varargs.h中。   stdarg.h是ANSI标准的;varargs.h仅仅是为了能与以前的程序保持兼容而出现的,现在的编程中不推荐使用。  
   
  va_alist:函数声明/定义时出现在函数头,用以接受参数列表。  
   
  va_dcl:对va_alist的声明,其后无需跟分号";"  
   
  va_start的定义也不相同。因为System   V可变参数函数声明不区分固定参数和可选参数,直接对参数列表操作。所以va_start()不是va_start(ap,v),而是简化为va_start(ap)。其中,ap是va_list型的参数指针。  
   
  Unix   System   V兼容方式下函数的声明形式:  
   
  type   VAFunction(va_alist)va_dcl     //   这里无需分号{         //   函数体内同ANSI标准}  
  //   例3:猜测execl的实现(Unix   System   V兼容方式),摘自SUS   V2  
   
   
  #include   <varargs.h>#define   MAXARGS         100/   *   execl(file,   arg1,   arg2,   ...,   (char   *)0);   */execl(va_alist)va_dcl{         va_list   ap;         char   *file;         char   *args[MAXARGS];         int   argno   =   0;         va_start(ap);         file   =   va_arg(ap,   char   *);         while   ((args[argno++]   =   va_arg(ap,   char   *))   !=   (char   *)0)                 ;         va_end(ap);         return   execv(file,   args);}  
     
   
  六、   扩展与思考  
  个数可变参数在声明时只需"..."即可;但是,我们在接受这些参数时不能"..."。va函数实现的关键就是如何得到参数列表中可选参数,包括参数的值和类型。以上的所有实现都是基于来自stdarg.h的va_xxx的宏定义。   <思考>能不能不借助于va_xxx,自己实现VA呢?,我想到的方法是汇编。在C中,我们当然就用C的嵌入汇编来实现,这应该是可以做得到的。至于能做到什么程度,稳定性和效率怎么样,主要要看你对内存和指针的控制了。  
   
  参考资料    
   
  IEEE和OpenGroup联合开发的Single   Unix   specification   Ver3,    
  Linux   man手册,    
  x86汇编,还有一些安全编码方面的资料。

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