可変引数とは - 2023年度システムプログラミング

可変引数とは

C言語では，可変長の引数を扱うために， … を使った構文が用意されています．例えば，

int myprintf(char *fmt, ...)

第2以降の引数の個数は不定で，0個でも構いません．代表的な使用例としては， printf があります．

可変引数を宣言した関数の中身は，どのようにして実装されているのでしょうか．以下の疑問があります．

呼び出された関数内で，引数をどう参照すればいいのか．第1引数は，変数名(上記の例では fmt) で参照できるが，第2以降の引数を名前で参照することができない．
そもそも，何個の引数を伴って呼ばれたかをどう判断するのか．また，それぞれの引数の型をどうやって知ればよいのか．

第2以降の引数のアクセス

C言語で記述された， hanoi() を gcc でアセンブラに変換した物の冒頭部分を思い出してください．

1: _hanoi:
2:         subu    $sp,$sp,24
3:         sw      $ra,20($sp)
4:         sw      $fp,16($sp)
5:         move    $fp,$sp
6:         sw      $a0,24($fp)
7:         sw      $a1,28($fp)
8:         sw      $a2,32($fp)
9:         sw      $a3,36($fp)

関数冒頭の 6〜9行目のコードによって，引数はスタックに順序正しく整列されていることは，以前述べました．つまり，関数が呼出された時点のスタックは下記の通りです．

$sp	offset	内容	備考
新$sp→	-24	-	未使用
	-20	-	未使用
	-16	-	未使用
	-12	-	未使用
	-08	$fp	フレームポインタ
	-04	$ra	戻りアドレス
旧$sp→	+00	$a0	第1引数
	+04	$a1	第2引数
	+08	$a2	第3引数
	+12	$a3	第4引数
	+16	??	呼出側で使用(あれば第5引数)
	+20	??	呼出側で使用(あれば第6引数)
	+24	??	呼出側で使用(あれば第7引数)
	:	??	呼出側で使用(あれば第8引数)

この図から，第2引数は，アドレス = (旧$sp +04) からの 4バイトに格納されている事が分かります．

つまり，C言語で myprintf(char *fmt, …) を記述して，第2引数以降の値を得ようとすると， (旧$sp + 04) の値を C言語から取得できなければなりません．しかし，C言語から直接 $sp の値を得ることはできません．

そこで，旧$sp には第1引数(上の例では fmt) が格納されていることを利用します．

旧$sp -> 第1の引数のアドレス -> &fmt

となることから，

第2引数のアドレス -> &fmt から 4バイト先

として求めることができます．

ポインタの型とサイズ

ここまでで，

第2引数のアドレス -> &fmt から 4バイト先

となることは分かりました．話をもう少し一般化しましょう．

ここから先の議論で気をつけて欲しいのは，上の記述は，あくまでも「アドレス」の話だということです．C言語では， &fmt は「ポインタ」として扱われるので，正確には「アドレス」とは違います．この違いを考慮して，C言語で記述するなら，

第2引数のアドレス = ((char*)&fmt) + ((sizeof(fmt) + 3) / 4) * 4

となります．

C言語で (あるポインタ) + 1 が実際の「アドレス」としていくつ増えるかは，ポインタが指す型によって違いましたね．つまり， p が 5000 のとき， p の型が int* の場合は， p + 1 は 5004 です．もっと一般的に書くと， p + 1 は 5000 + sizeof(int) となるのです．

一方， p が 5000 で， p の型が char* の場合は p + 1 は 5001 です．もっと一般的に書くと， p + 1 は 5000 + sizeof(char) です．

この仕組みのおかげで， *(p+1) とした場合に p の型に基づいて，適切なアドレスから正しい値を取り出すことができるのです． (前期のプログラミング演習の内容です)

char* という型は， p + 1 がそのままアドレス上で1増えます．そのため， (char*)&fmt とキャストすることで，値をアドレスと同じように( +1 がそのままアドレスの +1 に相当する) 操作できます．

そうしておいて，第2引数は， ((sizeof(fmt) + 3) / 4) * 4 バイト分先にあるので，上記の式になるのです．単なる sizeof(fmt) ではないのは， MIPS の gcc では引数の sizeof が 3 以下の場合は，4の倍数に切り上げる (プロモートする)ようにメモリを使って引数を配置するので，それを考慮して，((x + 3) / 4 * 4) という操作をしているからです．

このようにして得た

第2引数のアドレス = ((char*)&fmt) + ((sizeof(fmt) + 3) / 4) * 4

を利用することで，第2引数の値を a2 に得ることができます:

p2 = ((char*)&fmt) + ((sizeof(fmt) + 3) / 4) * 4;
a2 = *(int*)p2;

p2 は char* 型であるので，実際に中身を取り出す場合は，第2引数の型のポインタにキャストしておく必要があります．つまり第2引数が int の場合は， a2 を int 型として上記のようになるわけです．

同様に，

第3引数は p3 = p2 + (sizeof(第2引数の型) + 3) / 4) * 4
          a3 = *(第3引数のポインタ型)p3;

となるでしょう．

ちなみに，上記を簡単に記述するためのマクロが va_list, va_arg です． (man va_arg 参照)．今回は， va_list, va_arg の動きを知るために，これらのマクロは使用しないで実装してみてください．

引数の数と型

printf の場合，引数の数とそれぞれの型は，第1引数の中にヒントがあります．

printf("%s is %c", name, v)

第1引数の中にある % の数から残りの引数の数が分かりますね．また， % に続くそれぞれの s や c といった文字から対応する引数の型も分かります．つまり， fmt 中の文字列を走査することで分かります．それは，以下のようなプログラムになるでしょう．

 1: while (*fmt){
 2:   if (*fmt == '%'){
 3:     fmt++;
 4:     switch (*fmt){
 5:     case 'd':
 6:       %d の処理;
 7:       break;
 8:     case 's':
 9:       %s の処理;
10:       break;
11:     }
12:   } else {
13:     そのまま *fmt の1文字を表示;
14:   }
15:   fmt++;
16: }

%2d などの桁数指定を考慮する場合は，もう少し複雑な制御が必要でしょう．