學習如何構造一個 C 文件並編寫一個 C main 函數來成功地處理命令行參數。
我知道，現在孩子們用 Python 和 JavaScript 編寫他們的瘋狂“應用程序”。但是不要這么快就否定 C 語言 —— 它能夠提供很多東西，並且簡潔。
如果你需要速度，用 C 語言編寫可能就是你的答案。如果你正在尋找穩定的職業或者想學習如何捕獲空指針解引用，C 語言也可能是你的答案！在本文中，我將解釋如何構造一個 C 文件並編寫一個 C main 函數來成功地處理命令行參數。
我：一個頑固的 sd程序員。
你：一個有編輯器、C 編譯器，並有時間打發的人。
讓我們開工吧。
一個無聊但正確的 C 程序
C 程序以 main() 函數開頭，通常保存在名為 main.c 的文件中。
/* main.c */
int main(int argc, char *argv[]) {
}
這個程序可以編譯但不干任何事。
$ gcc main.c
$ ./a.out -o foo -vv
$
正確但無聊。
main 函數是唯一的。
main() 函數是開始執行時所執行的程序的第一個函數，但不是第一個執行的函數。第一個函數是 _start()，它通常由 C 運行庫提供，在編譯程序時自動鏈入。此細節高度依賴於操作系統和編譯器工具鏈，所以我假裝沒有提到它。
main() 函數有兩個參數，通常稱為 argc 和 argv，並返回一個有符號整數。大多數 Unix 環境都希望程序在成功時返回 0（零），失敗時返回 -1（負一）。
參數向量 argv 是調用你的程序的命令行的標記化表示形式。在上面的例子中，argv 將是以下字符串的列表：
argv = [ "/path/to/a.out", "-o", "foo", "-vv" ];
參數向量在其第一個索引 argv[0] 中確保至少會有一個字符串，這是執行程序的完整路徑。
main.c 文件的剖析
當我從頭開始編寫 main.c 時，它的結構通常如下：
/* main.c */
/* 0 版權/許可證 */
/* 1 包含 */
/* 2 定義 */
/* 3 外部聲明 */
/* 4 類型定義 */
/* 5 全局變量聲明 */
/* 6 函數原型 */
int main(int argc, char *argv[]) {
/* 7 命令行解析 */
}
/* 8 函數聲明 */
下面我將討論這些編號的各個部分，除了編號為 0 的那部分。如果你必須把版權或許可文本放在源代碼中，那就放在那里。
另一件我不想討論的事情是注釋。
“評論謊言。”
- 一個憤世嫉俗但聰明又好看的程序員。
與其使用注釋，不如使用有意義的函數名和變量名。
鑒於程序員固有的惰性，一旦添加了注釋，維護負擔就會增加一倍。如果更改或重構代碼，則需要更新或擴充注釋。隨着時間的推移，代碼會變得面目全非，與注釋所描述的內容完全不同。
如果你必須寫注釋，不要寫關於代碼正在做什么，相反，寫下代碼為什么要這樣寫。寫一些你將要在五年后讀到的注釋，那時你已經將這段代碼忘得一干二凈。世界的命運取決於你。不要有壓力。
1、包含
我添加到 main.c 文件的第一個東西是包含文件，它們為程序提供大量標准 C 標准庫函數和變量。C 標准庫做了很多事情。瀏覽 /usr/include 中的頭文件，你可以了解到它們可以做些什么。
#include 字符串是 C 預處理程序（cpp）指令，它會將引用的文件完整地包含在當前文件中。C 中的頭文件通常以 .h 擴展名命名，且不應包含任何可執行代碼。
它只有宏、定義、類型定義、外部變量和函數原型。字符串 <header.h> 告訴 cpp 在系統定義的頭文件路徑中查找名為 header.h的文件，它通常在 /usr/include 目錄中。
/* main.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <libgen.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <getopt.h>
#include <sys/types.h>
這是我默認會全局包含的最小包含集合，它將引入：
2、定義
/* main.c */
<...>
#define OPTSTR "vi:o:f:h"
#define USAGE_FMT "%s [-v] [-f hexflag] [-i inputfile] [-o outputfile] [-h]"
#define ERR_FOPEN_INPUT "fopen(input, r)"
#define ERR_FOPEN_OUTPUT "fopen(output, w)"
#define ERR_DO_THE_NEEDFUL "do_the_needful blew up"
#define DEFAULT_PROGNAME "george"
這在現在沒有多大意義，但 OPTSTR 定義我這里會說明一下，它是程序推薦的命令行開關。參考 getopt(3) man 頁面，了解 OPTSTR 將如何影響 getopt() 的行為。
USAGE_FMT 定義了一個 printf() 風格的格式字符串，它用在 usage() 函數中。
我還喜歡將字符串常量放在文件的 #define 這一部分。如果需要，把它們收集在一起可以更容易地修正拼寫、重用消息和國際化消息。
最后，在命名 #define 時全部使用大寫字母，以區別變量和函數名。如果需要，可以將單詞放連在一起或使用下划線分隔，只要確保它們都是大寫的就行。
3、外部聲明
/* main.c */
<...>
extern int errno;
extern char *optarg;
extern int opterr, optind;
extern 聲明將該名稱帶入當前編譯單元的命名空間（即 “文件”），並允許程序訪問該變量。這里我們引入了三個整數變量和一個字符指針的定義。opt 前綴的幾個變量是由 getopt() 函數使用的，C 標准庫使用 errno 作為帶外通信通道來傳達函數可能的失敗原因。
4、類型定義
/* main.c */
<...>
typedef struct {
int verbose;
uint32_t flags;
FILE *input;
FILE *output;
} options_t;
在外部聲明之后，我喜歡為結構、聯合和枚舉聲明 typedef。命名一個 typedef 是一種傳統習慣。
我非常喜歡使用 _t 后綴來表示該名稱是一種類型。在這個例子中，我將 options_t 聲明為一個包含 4 個成員的 struct。
C 是一種空格無關的編程語言，因此我使用空格將字段名排列在同一列中。我只是喜歡它看起來的樣子。對於指針聲明，我在名稱前面加上星號，以明確它是一個指針。
5、全局變量聲明
/* main.c */
<...>
int dumb_global_variable = -11;
全局變量是一個壞主意，你永遠不應該使用它們。但如果你必須使用全局變量，請在這里聲明，並確保給它們一個默認值。說真的，不要使用全局變量。
6、函數原型
/* main.c */
<...>
void usage(char *progname, int opt);
int do_the_needful(options_t *options);
在編寫函數時，將它們添加到 main() 函數之后而不是之前，在這里放函數原型。早期的 C 編譯器使用單遍策略，這意味着你在程序中使用的每個符號（變量或函數名稱）必須在使用之前聲明。
現代編譯器幾乎都是多遍編譯器，它們在生成代碼之前構建一個完整的符號表，因此並不嚴格要求使用函數原型。但是，有時你無法選擇代碼要使用的編譯器，所以請編寫函數原型並繼續這樣做下去。
當然，我總是包含一個 usage() 函數，當 main() 函數不理解你從命令行傳入的內容時，它會調用這個函數。
7、命令行解析
/* main.c */
<...>
int main(int argc, char *argv[]) {
int opt;
options_t options = { 0, 0x0, stdin, stdout };
opterr = 0;
while ((opt = getopt(argc, argv, OPTSTR)) != EOF)
switch(opt) {
case 'i':
if (!(options.input = fopen(optarg, "r")) ){
perror(ERR_FOPEN_INPUT);
exit(EXIT_FAILURE);
/* NOTREACHED */
}
break;
case 'o':
if (!(options.output = fopen(optarg, "w")) ){
perror(ERR_FOPEN_OUTPUT);
exit(EXIT_FAILURE);
/* NOTREACHED */
}
break;
case 'f':
options.flags = (uint32_t )strtoul(optarg, NULL, 16);
break;
case 'v':
options.verbose += 1;
break;
case 'h':
default:
usage(basename(argv[0]), opt);
/* NOTREACHED */
break;
}
if (do_the_needful(&options) != EXIT_SUCCESS) {
perror(ERR_DO_THE_NEEDFUL);
exit(EXIT_FAILURE);
/* NOTREACHED */
}
return EXIT_SUCCESS;
}
好吧，代碼有點多。這個 main() 函數的目的是收集用戶提供的參數，執行最基本的輸入驗證，然后將收集到的參數傳遞給使用它們的函數。這個示例聲明一個使用默認值初始化的 options 變量，並解析命令行，根據需要更新 options。
main() 函數的核心是一個 while 循環，它使用 getopt() 來遍歷 argv，尋找命令行選項及其參數（如果有的話）。文件前面定義的 OPTSTR 是驅動 getopt() 行為的模板。opt 變量接受 getopt() 找到的任何命令行選項的字符值，程序對檢測命令行選項的響應發生在 switch 語句中。
如果你注意到了可能會問，為什么 opt 被聲明為 32 位 int，但是預期是 8 位 char？事實上 getopt() 返回一個 int，當它到達 argv 末尾時取負值，我會使用 EOF（文件末尾標記）匹配。char 是有符號的，但我喜歡將變量匹配到它們的函數返回值。
當檢測到一個已知的命令行選項時，會發生特定的行為。在 OPTSTR 中指定一個以冒號結尾的參數，這些選項可以有一個參數。
當一個選項有一個參數時，argv 中的下一個字符串可以通過外部定義的變量 optarg 提供給程序。我使用 optarg 來打開文件進行讀寫，或者將命令行參數從字符串轉換為整數值。
這里有幾個關於代碼風格的要點：
♜ 將 opterr 初始化為 0，禁止 getopt 觸發 ?。
♜ 在 main() 的中間使用 exit(EXIT_FAILURE); 或 exit(EXIT_SUCCESS);。
♜ /* NOTREACHED */ 是我喜歡的一個 lint 指令。
♜ 在返回 int 類型的函數末尾使用 return EXIT_SUCCESS;。
♜ 顯示強制轉換隱式類型。
這個程序的命令行格式，經過編譯如下所示：
$ ./a.out -h
a.out [-v] [-f hexflag] [-i inputfile] [-o outputfile] [-h]
事實上，在編譯后 usage() 就會向 stderr 發出這樣的內容。
8、函數聲明
/* main.c */
<...>
void usage(char *progname, int opt) {
fprintf(stderr, USAGE_FMT, progname?progname:DEFAULT_PROGNAME);
exit(EXIT_FAILURE);
/* NOTREACHED */
}
int do_the_needful(options_t *options) {
if (!options) {
errno = EINVAL;
return EXIT_FAILURE;
}
if (!options->input || !options->output) {
errno = ENOENT;
return EXIT_FAILURE;
}
/* XXX do needful stuff */
return EXIT_SUCCESS;
}
函數幾乎總是以某種方式驗證它們的輸入。如果完全驗證代價很大，那么嘗試執行一次並將驗證后的數據視為不可變。usage() 函數使用 fprintf() 調用中的條件賦值驗證 progname 參數。接下來 usage() 函數就退出了，所以我不會費心設置 errno，也不用操心是否使用正確的程序名。
在這里，我要避免的最大錯誤是解引用 NULL 指針。這將導致操作系統向我的進程發送一個名為 SYSSEGV 的特殊信號，導致不可避免的死亡。用戶最不希望看到的是由 SYSSEGV 而導致的崩潰。最好是捕獲 NULL 指針以發出更合適的錯誤消息並優雅地關閉程序。
有些人抱怨在函數體中有多個 return 語句，他們喋喋不休地說些“控制流的連續性”之類的東西。老實說，如果函數中間出現錯誤，那就應該返回這個錯誤條件。寫一大堆嵌套的 if 語句只有一個 return 絕不是一個“好主意”™。
最后，如果你編寫的函數接受四個以上的參數，請考慮將它們綁定到一個結構中，並傳遞一個指向該結構的指針。
這使得函數簽名更簡單，更容易記住，並且在以后調用時不會出錯。它還可以使調用函數速度稍微快一些，因為需要復制到函數堆棧中的東西更少。在實踐中，只有在函數被調用數百萬或數十億次時，才會考慮這個問題。如果認為這沒有意義，那也無所謂。
等等，你不是說沒有注釋嗎！？！！
在 do_the_needful() 函數中，我寫了一種特殊類型的注釋，它被是作為占位符設計的，而不是為了說明代碼：
/* XXX do needful stuff */
當你寫到這里時，有時你不想停下來編寫一些特別復雜的代碼，你會之后再寫，而不是現在。
那就是我留給自己再次回來的地方。我插入一個帶有 XXX 前綴的注釋和一個描述需要做什么的簡短注釋。
之后，當我有更多時間的時候，我會在源代碼中尋找 XXX。使用什么前綴並不重要，只要確保它不太可能在另一個上下文環境（如函數名或變量）中出現在你代碼庫里。
把它們組合在一起
好吧，當你編譯這個程序后，它仍然幾乎沒有任何作用。但是現在你有了一個堅實的骨架來構建你自己的命令行解析 C 程序。
/* main.c - the complete listing */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <libgen.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <getopt.h>
#define OPTSTR "vi:o:f:h"
#define USAGE_FMT "%s [-v] [-f hexflag] [-i inputfile] [-o outputfile] [-h]"
#define ERR_FOPEN_INPUT "fopen(input, r)"
#define ERR_FOPEN_OUTPUT "fopen(output, w)"
#define ERR_DO_THE_NEEDFUL "do_the_needful blew up"
#define DEFAULT_PROGNAME "george"
extern int errno;
extern char *optarg;
extern int opterr, optind;
typedef struct {
int verbose;
uint32_t flags;
FILE *input;
FILE *output;
} options_t;
int dumb_global_variable = -11;
void usage(char *progname, int opt);
int do_the_needful(options_t *options);
int main(int argc, char *argv[]) {
int opt;
options_t options = { 0, 0x0, stdin, stdout };
opterr = 0;
while ((opt = getopt(argc, argv, OPTSTR)) != EOF)
switch(opt) {
case 'i':
if (!(options.input = fopen(optarg, "r")) ){
perror(ERR_FOPEN_INPUT);
exit(EXIT_FAILURE);
/* NOTREACHED */
}
break;
case 'o':
if (!(options.output = fopen(optarg, "w")) ){
perror(ERR_FOPEN_OUTPUT);
exit(EXIT_FAILURE);
/* NOTREACHED */
}
break;
case 'f':
options.flags = (uint32_t )strtoul(optarg, NULL, 16);
break;
case 'v':
options.verbose += 1;
break;
case 'h':
default:
usage(basename(argv[0]), opt);
/* NOTREACHED */
break;
}
if (do_the_needful(&options) != EXIT_SUCCESS) {
perror(ERR_DO_THE_NEEDFUL);
exit(EXIT_FAILURE);
/* NOTREACHED */
}
return EXIT_SUCCESS;
}
void usage(char *progname, int opt) {
fprintf(stderr, USAGE_FMT, progname?progname:DEFAULT_PROGNAME);
exit(EXIT_FAILURE);
/* NOTREACHED */
}
int do_the_needful(options_t *options) {
if (!options) {
errno = EINVAL;
return EXIT_FAILURE;
}
if (!options->input || !options->output) {
errno = ENOENT;
return EXIT_FAILURE;
}
/* XXX do needful stuff */
return EXIT_SUCCESS;
}
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