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：

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

1. /* main.c */
2. <...>
3.  
4. void usage(char *progname, int opt);
5. 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:
            

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