如何写好 C main 函数

学习如何构造一个 C 文件并编写一个 C main 函数来成功地处理命令行参数。

我知道，现在孩子们用 Python 和 JavaScript 编写他们的疯狂“应用程序”。但是不要这么快就否定 C 语言 —— 它能够提供很多东西，并且简洁。如果你需要速度，用 C 语言编写可能就是你的答案。如果你正在寻找稳定的职业或者想学习如何捕获空指针解引用，C 语言也可能是你的答案！在本文中，我将解释如何构造一个 C 文件并编写一个 C main 函数来成功地处理命令行参数。

我：一个顽固的 Unix 系统程序员。

你：一个有编辑器、C 编译器，并有时间打发的人。

让我们开工吧。

一个无聊但正确的 C 程序

Parody O'Reilly book cover, "Hating Other People's Code"

C 程序以 main() 函数开头，通常保存在名为 main.c 的文件中。

/* main.c */
int main(int argc, char *argv[]) {

}

这个程序可以编译但不干任何事。

$ gcc main.c
$ ./a.out -o foo -vv
$

正确但无聊。

main 函数是唯一的。

main() 函数是开始执行时所执行的程序的第一个函数，但不是第一个执行的函数。第一个函数是 _start()，它通常由 C 运行库提供，在编译程序时自动链入。此细节高度依赖于操作系统和编译器工具链，所以我假装没有提到它。

main() 函数有两个参数，通常称为 argc 和 argv，并返回一个有符号整数。大多数 Unix 环境都希望程序在成功时返回 0（零），失败时返回 -1（负一）。

参数	名称	描述
`argc`	参数个数	参数向量的个数
`argv`	参数向量	字符指针数组

参数向量 argv 是调用你的程序的命令行的标记化表示形式。在上面的例子中，argv 将是以下字符串的列表：

argv = [ "/path/to/a.out", "-o", "foo", "-vv" ];

参数向量在其第一个索引 argv[0] 中确保至少会有一个字符串，这是执行程序的完整路径。

main.c 文件的剖析

当我从头开始编写 main.c 时，它的结构通常如下：

/* main.c */
/* 0 版权/许可证 */
/* 1 包含 */
/* 2 定义 */
/* 3 外部声明 */
/* 4 类型定义 */
/* 5 全局变量声明 */
/* 6 函数原型 */

int main(int argc, char *argv[]) {
/* 7 命令行解析 */
}

/* 8 函数声明 */

下面我将讨论这些编号的各个部分，除了编号为 0 的那部分。如果你必须把版权或许可文本放在源代码中，那就放在那里。

另一件我不想讨论的事情是注释。

“评论谎言。”
- 一个愤世嫉俗但聪明又好看的程序员。

与其使用注释，不如使用有意义的函数名和变量名。

鉴于程序员固有的惰性，一旦添加了注释，维护负担就会增加一倍。如果更改或重构代码，则需要更新或扩充注释。随着时间的推移，代码会变得面目全非，与注释所描述的内容完全不同。

如果你必须写注释，不要写关于代码正在做什么，相反，写下代码为什么要这样写。写一些你将要在五年后读到的注释，那时你已经将这段代码忘得一干二净。世界的命运取决于你。不要有压力。

1、包含

我添加到 main.c 文件的第一个东西是包含文件，它们为程序提供大量标准 C 标准库函数和变量。C 标准库做了很多事情。浏览 /usr/include 中的头文件，你可以了解到它们可以做些什么。

#include 字符串是 C 预处理程序（cpp）指令，它会将引用的文件完整地包含在当前文件中。C 中的头文件通常以 .h 扩展名命名，且不应包含任何可执行代码。它只有宏、定义、类型定义、外部变量和函数原型。字符串 <header.h> 告诉 cpp 在系统定义的头文件路径中查找名为 header.h 的文件，它通常在 /usr/include 目录中。

/* 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>

这是我默认会全局包含的最小包含集合，它将引入：

#include 文件	提供的东西
stdio	提供 `FILE`、`stdin`、`stdout`、`stderr` 和 `fprint()` 函数系列
stdlib	提供 `malloc()`、`calloc()` 和 `realloc()`
unistd	提供 `EXIT_FAILURE`、`EXIT_SUCCESS`
libgen	提供 `basename()` 函数
errno	定义外部 `errno` 变量及其可以接受的所有值
string	提供 `memcpy()`、`memset()` 和 `strlen()` 函数系列
getopt	提供外部 `optarg`、`opterr`、`optind` 和 `getopt()` 函数
sys/types	类型定义快捷方式，如 `uint32_t` 和 `uint64_t`

2、定义

/* 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"

这在现在没有多大意义，但 OPTSTR 定义我这里会说明一下，它是程序推荐的命令行开关。参考 getopt(3) man 页面，了解 OPTSTR 将如何影响 getopt() 的行为。

USAGE_FMT 定义了一个 printf() 风格的格式字符串，它用在 usage() 函数中。

我还喜欢将字符串常量放在文件的 #define 这一部分。如果需要，把它们收集在一起可以更容易地修正拼写、重用消息和国际化消息。

最后，在命名 #define 时全部使用大写字母，以区别变量和函数名。如果需要，可以将单词放连在一起或使用下划线分隔，只要确保它们都是大写的就行。

3、外部声明

/* main.c */
<...>

extern int errno;
extern char *optarg;
extern int opterr, optind;

extern 声明将该名称带入当前编译单元的命名空间（即 “文件”），并允许程序访问该变量。这里我们引入了三个整数变量和一个字符指针的定义。opt 前缀的几个变量是由 getopt() 函数使用的，C 标准库使用 errno 作为带外通信通道来传达函数可能的失败原因。

4、类型定义

/* main.c */
<...>

typedef struct {
  int           verbose;
  uint32_t      flags;
  FILE         *input;
  FILE         *output;
} options_t;

在外部声明之后，我喜欢为结构、联合和枚举声明 typedef。命名一个 typedef 是一种传统习惯。我非常喜欢使用 _t 后缀来表示该名称是一种类型。在这个例子中，我将 options_t 声明为一个包含 4 个成员的 struct。C 是一种空格无关的编程语言，因此我使用空格将字段名排列在同一列中。我只是喜欢它看起来的样子。对于指针声明，我在名称前面加上星号，以明确它是一个指针。

5、全局变量声明

/* main.c */
<...>

int dumb_global_variable = -11;

全局变量是一个坏主意，你永远不应该使用它们。但如果你必须使用全局变量，请在这里声明，并确保给它们一个默认值。说真的，不要使用全局变量。

6、函数原型

/* main.c */
<...>

void usage(char *progname, int opt);
int do_the_needful(options_t *options);

在编写函数时，将它们添加到 main() 函数之后而不是之前，在这里放函数原型。早期的 C 编译器使用单遍策略，这意味着你在程序中使用的每个符号（变量或函数名称）必须在使用之前声明。现代编译器几乎都是多遍编译器，它们在生成代码之前构建一个完整的符号表，因此并不严格要求使用函数原型。但是，有时你无法选择代码要使用的编译器，所以请编写函数原型并继续这样做下去。

当然，我总是包含一个 usage() 函数，当 main() 函数不理解你从命令行传入的内容时，它会调用这个函数。

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，代码有点多。这个 main() 函数的目的是收集用户提供的参数，执行最基本的输入验证，然后将收集到的参数传递给使用它们的函数。这个示例声明一个使用默认值初始化的 options 变量，并解析命令行，根据需要更新 options。

main() 函数的核心是一个 while 循环，它使用 getopt() 来遍历 argv，寻找命令行选项及其参数（如果有的话）。文件前面定义的 OPTSTR 是驱动 getopt() 行为的模板。opt 变量接受 getopt() 找到的任何命令行选项的字符值，程序对检测命令行选项的响应发生在 switch 语句中。

如果你注意到了可能会问，为什么 opt 被声明为 32 位 int，但是预期是 8 位 char？事实上 getopt() 返回一个 int，当它到达 argv 末尾时取负值，我会使用 EOF（文件末尾标记）匹配。char 是有符号的，但我喜欢将变量匹配到它们的函数返回值。

当检测到一个已知的命令行选项时，会发生特定的行为。在 OPTSTR 中指定一个以冒号结尾的参数，这些选项可以有一个参数。当一个选项有一个参数时，argv 中的下一个字符串可以通过外部定义的变量 optarg 提供给程序。我使用 optarg 来打开文件进行读写，或者将命令行参数从字符串转换为整数值。

这里有几个关于代码风格的要点：

将 opterr 初始化为 0，禁止 getopt 触发 ?。
在 main() 的中间使用 exit(EXIT_FAILURE); 或 exit(EXIT_SUCCESS);。
/* NOTREACHED */ 是我喜欢的一个 lint 指令。
在返回 int 类型的函数末尾使用 return EXIT_SUCCESS;。
显示强制转换隐式类型。

这个程序的命令行格式，经过编译如下所示：

$ ./a.out -h
a.out [-v] [-f hexflag] [-i inputfile] [-o outputfile] [-h]

事实上，在编译后 usage() 就会向 stderr 发出这样的内容。

8、函数声明

/* 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;
}

我最后编写的函数不是个样板函数。在本例中，函数 do_the_needful() 接受一个指向 options_t 结构的指针。我验证 options 指针不为 NULL，然后继续验证 input 和 output 结构成员。如果其中一个测试失败，返回 EXIT_FAILURE，并且通过将外部全局变量 errno 设置为常规错误代码，我可以告知调用者常规的错误原因。调用者可以使用便捷函数 perror() 来根据 errno 的值发出便于阅读的错误消息。

函数几乎总是以某种方式验证它们的输入。如果完全验证代价很大，那么尝试执行一次并将验证后的数据视为不可变。usage() 函数使用 fprintf() 调用中的条件赋值验证 progname 参数。接下来 usage() 函数就退出了，所以我不会费心设置 errno，也不用操心是否使用正确的程序名。

在这里，我要避免的最大错误是解引用 NULL 指针。这将导致操作系统向我的进程发送一个名为 SYSSEGV 的特殊信号，导致不可避免的死亡。用户最不希望看到的是由 SYSSEGV 而导致的崩溃。最好是捕获 NULL 指针以发出更合适的错误消息并优雅地关闭程序。

有些人抱怨在函数体中有多个 return 语句，他们喋喋不休地说些“控制流的连续性”之类的东西。老实说，如果函数中间出现错误，那就应该返回这个错误条件。写一大堆嵌套的 if 语句只有一个 return 绝不是一个“好主意”™。

最后，如果你编写的函数接受四个以上的参数，请考虑将它们绑定到一个结构中，并传递一个指向该结构的指针。这使得函数签名更简单，更容易记住，并且在以后调用时不会出错。它还可以使调用函数速度稍微快一些，因为需要复制到函数堆栈中的东西更少。在实践中，只有在函数被调用数百万或数十亿次时，才会考虑这个问题。如果认为这没有意义，那也无所谓。

等等，你不是说没有注释吗！？！！

在 do_the_needful() 函数中，我写了一种特殊类型的注释，它被是作为占位符设计的，而不是为了说明代码：

/* XXX do needful stuff */

当你写到这里时，有时你不想停下来编写一些特别复杂的代码，你会之后再写，而不是现在。那就是我留给自己再次回来的地方。我插入一个带有 XXX 前缀的注释和一个描述需要做什么的简短注释。之后，当我有更多时间的时候，我会在源代码中寻找 XXX。使用什么前缀并不重要，只要确保它不太可能在另一个上下文环境（如函数名或变量）中出现在你代码库里。

把它们组合在一起

好吧，当你编译这个程序后，它仍然几乎没有任何作用。但是现在你有了一个坚实的骨架来构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;
}

现在，你已经准备好编写更易于维护的 C 语言。如果你有任何问题或反馈，请在评论中分享。

via: https://opensource.com/article/19/5/how-write-good-c-main-function

作者：Erik O’Shaughnessy 选题：lujun9972 译者：MjSeven 校对：wxy

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