Linux程序设计——用getopt处理命令行参数
getopt()是一个专门设计来减轻命令行处理负担的库函数。
1、命令行参数
2、POSIX约定
| POSIX表示可移植操作系统接口：Portable Operating System Interface，电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）最初开发 POSIX 标准，是为了提高 UNIX 环境下应用程序的可移植性。然而，POSIX 并不局限于 UNIX。许多其它的操作系统，例如 DEC OpenVMS 和 Microsoft Windows NT，都支持 POSIX 标准。 |
下面是POSIX标准中关于程序名、参数的约定：
- 程序名不宜少于2个字符且不多于9个字符；
- 程序名应只包含小写字母和阿拉伯数字；
- 选项名应该是单字符活单数字，且以短横‘-‘为前綴；
- 多个不需要选项参数的选项，可以合并。（譬如：foo -a -b -c ---->foo -abc）
- 选项与其参数之间用空白符隔开；
- 选项参数不可选。
- 若选项参数有多值，要将其并为一个字串传进来。譬如：myprog -u "arnold,joe,jane"。这种情况下，需要自己解决这些参数的分离问题。
- 选项应该在操作数出现之前出现。
- 特殊参数‘--'指明所有参数都结束了，其后任何参数都认为是操作数。
- 选项如何排列没有什么关系，但对互相排斥的选项，如果一个选项的操作结果覆盖其他选项的操作结果时，最后一个选项起作用；如果选项重复，则顺序处理。
- 允许操作数的顺序影响程序行为，但需要作文档说明。
- 读写指定文件的程序应该将单个参数'-'作为有意义的标准输入或输出来对待。
3、GNU长选项
GNU鼓励程序员使用--help、--verbose等形式的长选项。这些选项不仅不与POSIX约定冲突，而且容易记忆，另外也提供了在所有GNU工具之间保持一致性的机会。GNU长选项有自己的约定：- 对于已经遵循POSIX约定的GNU程序，每个短选项都有一个对应的长选项。
- 额外针对GNU的长选项不需要对应的短选项，仅仅推荐要有。
- 长选项可以缩写成保持惟一性的最短的字串。
- 选项参数与长选项之间或通过空白字符活通过一个'='来分隔。
- 选项参数是可选的（只对短选项有效）。
- 长选项允许以一个短横线为前缀。
4、基本的命令行处理技术
C程序通过argc和argv参数访问它的命令行参数。argc是整型数，表示参数的个数（包括命令名）。main()函数的定义方式有两种，区别仅在于argv如何定义：
| int main(int argc, char *argv[]) { …… } |
int main(int argc, char **argv) { …… } |
当 C 运行时库的程序启动代码调用 main() 时，已经对命令行进行了处理。argc 参数包含参数的计数值，而argv 包含指向这些参数的指针数组。argv[0]是程序名。
一个很简单的命令行处理技术的例子是echo程序，它可以将参数输出到标准设备上，用空格符隔开，最后换行。若命令行第一个参数为-n，那么就不会换行。
清单1：
| ＃i nclude <stdio.h> int main(int argc, char **argv) { int i, nflg; nflg = 0; if(argc > 1 && argv[1][0] == '-' && argv[1][1] == 'n'){ nflg++; argc--; argv++; } for(i=1; i<argc; i++){ fputs(argv[i], stdout); if(i < argc-1) putchar(' '); } if(nflg == 0) putchar('/n'); return 0; } |
echo程序中，对于命令行参数的解析是手动实现的。很久以前，Unix支持小组为了简化对于命令行参数的解析，开发了getopt()函数，同时提供了几个外部变量，使得编写遵守POSIX的代码变得更加容易了。
5、命令行参数解析函数 —— getopt()
getopt()函数声明如下：
| ＃i nclude <unistd.h> int getopt(int argc, char * const argv[], const char *optstring); extern char *optarg; extern int optind, opterr, optopt; |
该函数的argc和argv参数通常直接从main()的参数直接传递而来。optstring是选项字母组成的字串。如果该字串里的任一字符后面有冒号，那么这个选项就要求有选项参数。
当给定getopt()命令参数的数量 (argc)、指向这些参数的数组 (argv) 和选项字串 (optstring) 后，getopt() 将返回第一个选项，并设置一些全局变量。使用相同的参数再次调用该函数时，它将返回下一个选项，并设置相应的全局变量。如果不再有可识别的选项，将返回 -1，此任务就完成了。
getopt() 所设置的全局变量包括：
char *optarg——当前选项参数字串（如果有）。int optind——argv的当前索引值。当getopt()在while循环中使用时，循环结束后，剩下的字串视为操作数，在argv[optind]至argv[argc-1]中可以找到。- int opterr——这个变量非零时，getopt()函数为“无效选项”和“缺少参数选项，并输出其错误信息。
int optopt——当发现无效选项字符之时，getopt()函数或返回'?'字符，或返回':'字符，并且optopt包含了所发现的无效选项字符。
以下面的程序为例：
选项：
- -n —— 显示“我的名字”。
- -g —— 显示“我女朋友的名字”。
- -l —— 带参数的选项.
清单2：
| ＃i nclude <stdio.h> ＃i nclude <unistd.h> int main (int argc, char **argv) { int oc; /*选项字符 */ char *b_opt_arg; /*选项参数字串 */ while((oc = getopt(argc, argv, "ngl:")) != -1) { switch(oc) { case 'n': printf("My name is Lyong./n"); break; case 'g': printf("Her name is Xxiong./n"); break; case 'l': b_opt_arg = optarg; printf("Our love is %s/n", optarg); break; } } return 0; } |
运行结果：
| $ ./opt_parse_demo -n My name is Lyong. $ ./opt_parse_demo -g Her name is Xxiong. $ ./opt_parse_demo -l forever Our love is forever $ ./opt_parse_demo -ngl forever My name is Lyong. Her name is Xxiong. Our love is forever |
6、改变getopt()对错误命令行参数信息的输出行为
不正确的调用程序在所难免，这种错误要么是命令行选项无效，要么是缺少选项参数。正常情况下，getopt()会为这两种情况输出自己的出错信息，并且返回'?'。为了验证此事，可以修改一下上面的清单2中的代码。
清单3：
| ＃i nclude <stdio.h> ＃i nclude <unistd.h> int main (int argc, char **argv) { int oc; /*选项字符 */ char *b_opt_arg; /*选项参数字串 */ while((oc = getopt(argc, argv, "ngl:")) != -1) { switch(oc) { case 'n': printf("My name is Lyong./n"); break; case 'g': printf("Her name is Xxiong./n"); break; case 'l': b_opt_arg = optarg; printf("Our love is %s/n", optarg); break; case '?': printf("arguments error!/n"); break; } } return 0; } |
输入一个错误的命令行，结果如下：
| $ ./opt_parse_demo -l ./opt_parse_demo: option requires an argument -- l arguments error! |
如果不希望输出任何错误信息，或更希望输出自定义的错误信息。可以采用以下两种方法来更改getopt()函数的出错信息输出行为：
- 在调用getopt()之前，将opterr设置为0，这样就可以在getopt()函数发现错误的时候强制它不输出任何消息。
- 如果optstring参数的第一个字符是冒号，那么getopt()函数就会保持沉默，并根据错误情况返回不同字符，如下：
- “无效选项” —— getopt()返回'?'，并且optopt包含了无效选项字符（这是正常的行为）。
- “缺少选项参数” —— getopt()返回':'，如果optstring的第一个字符不是冒号，那么getopt()返回'?'，这会使得这种情况不能与无效选项的情况区分开。
清单4：
| ＃i nclude <stdio.h> ＃i nclude <unistd.h> int main (int argc, char **argv) { int oc; /*选项字符 */ char ec; /*无效的选项字符*/ char *b_opt_arg; /*选项参数字串 */ while((oc = getopt(argc, argv, ":ngl:")) != -1) { switch(oc) { case 'n': printf("My name is Lyong./n"); break; case 'g': printf("Her name is Xxiong./n"); break; case 'l': b_opt_arg = optarg; printf("Our love is %s/n", optarg); break; case '?': ec = (char)optopt; printf("无效的选项字符 /' %c /'!/n", ec); break; case ':': printf("缺少选项参数！/n"); break; } } return 0; } |
测试结果：
| $ ./opt_parse_demo -a 无效的选项字符 ' a '! $ ./opt_parse_demo -l 缺少选项参数！ |
7、GNU提供的getopt()函数的特点
上面所设计的getopt()函数是UNIX支持小组提供的，其执行时一碰到不以'-'开始的命令行参数就停止寻找选项。而GNU提供的getopt()函数与之不同，它会扫描整个命令行来寻找选项。当调用GNU getopt()函数并处理命令行参数的时候，它重新排列argv中的元素，这样当重排结束时，所有选项都被移动到前面并且那些继续检查argv[optind]至argv[argc-1]中剩余参数的代码仍正常工作，但在任何情况下，碰到特殊参数'--'就结束对选项的扫描。
可以输入一个乱序的命令行，查看opt_parse_demo的输出：
| $ ./opt_parse_demo -l forever a b c d -g -n Our love is forever Her name is Xxiong. My name is Lyong. |
GNU getopt()第二个特点是可以在optstring中使用特殊的首字符改变getopt()的默认行为：
- optstring[0] = '+'，这样就与UNIX支持小组提供的getopt()很相近了。
- optstring[0] = '-'，会在optarg中得到命令行中的每个参数。
- 以上两种情况下，':'可以作为第二个字符使用。
8、GNU长选项命令行解析
20 世纪 90 年代，UNIX 应用程序开始支持长选项，即一对短横线、一个描述性选项名称，还可以包含一个使用等号连接到选项的参数。
GNU提供了getopt-long()和getopt-long-only()函数支持长选项的命令行解析，其中，后者的长选项字串是以一个短横线开始的，而非一对短横线。
getopt_long() 是同时支持长选项和短选项的 getopt() 版本。下面是它们的声明：
| ＃i nclude <getopt.h> int getopt_long(int argc, char * const argv[], const char *optstring, const struct option *longopts, int *longindex); int getopt_long_only(int argc, char * const argv[],const char *optstring,const struct option *longopts, int *longindex); |
getopt_long()的前三个参数与上面的getopt()相同，第4个参数是指向option结构的数组，option结构被称为“长选项表”。longindex参数如果没有设置为NULL，那么它就指向一个变量，这个变量会被赋值为寻找到的长选项在longopts中的索引值，这可以用于错误诊断。
option结构在getopt.h中的声明如下：
| struct option{ const char *name; int has_arg; int *flag; int val; }; |
对结构中的各元素解释如下：
const char *name
int has_arg
| 符号常量 | 数值 | 含义 |
| no_argument | 0 | 选项没有参数 |
| required_argument | 1 | 选项需要参数 |
| optional_argument | 2 | 选项参数可选 |
int *flag
int val
每个长选项在长选项表中都有一个单独条目，该条目里需要填入正确的数值。数组中最后的元素的值应该全是0。数组不需要排序，getopt_long()会进行线性搜索。但是，根据长名字来排序会使程序员读起来更容易。
以上所说的flag和val的用法看上去有点混乱，但它们很有实用价值，因此有必要搞透彻了。
大部分时候，程序员会根据getopt_long()发现的选项，在选项处理过程中要设置一些标记变量，譬如在使用getopt()时，经常做出如下的程序格式：
| int do_name, do_gf_name, do_love; /*标记变量*/ char *b_opt_arg; while((c = getopt(argc, argv, ":ngl:")) != -1) { switch (c){ case 'n': do_name = 1; case 'g': do_gf_name = 1; break; break; case 'l': b_opt_arg = optarg; …… } } |
当flag不为NULL时，getopt_long*()会为你设置标记变量。也就是说上面的代码中，关于选项'n'、'l'的处理，只是设置一些标记，如果flag不为NULL,时，getopt_long()可以自动为各选项所对应的标记变量设置标记，这样就能够将上面的switch语句中的两种种情况减少到了一种。下面给出一个长选项表以及相应处理代码的例子。
清单5：
| ＃i nclude <stdio.h> ＃i nclude <getopt.h> int do_name, do_gf_name; char *l_opt_arg; struct option longopts[] = { { "name", no_argument, &do_name, 1 }, { "gf_name", no_argument, &do_gf_name, 1 }, { "love", required_argument, NULL, 'l' }, { 0, 0, 0, 0}, }; int main(int argc, char *argv[]) { int c; while((c = getopt_long(argc, argv, ":l:", longopts, NULL)) != -1){ switch (c){ case 'l': l_opt_arg = optarg; printf("Our love is %s!/n", l_opt_arg); break; case 0: printf("getopt_long()设置变量 : do_name = %d/n", do_name); printf("getopt_long()设置变量 : do_gf_name = %d/n", do_gf_name); break; } } return 0; } |
在进行测试之前，再来回顾一下有关option结构中的指针flag的说明吧。
| 如果这个指针为NULL，那么getopt_long()返回该结构val字段中的数值。如果该指针不为NULL，getopt_long()会使得它所指向的变量中填入val字段中的数值，并且getopt_long()返回0。如果flag不是NULL，但未发现长选项，那么它所指向的变量的数值不变。 |
下面测试一下：
| $ ./long_opt_demo --name getopt_long()设置变量 : do_name = 1 getopt_long()设置变量 : do_gf_name = 0 $ ./long_opt_demo --gf_name getopt_long()设置变量 : do_name = 0 getopt_long()设置变量 : do_gf_name = 1 $ ./long_opt_demo --love forever Our love is forever! $ ./long_opt_demo -l forever Our love is forever! |
测试过后，应该有所感触了。关于flag和val的讨论到此为止。下面总结一下get_long()的各种返回值的含义：
| 返回值 | 含 义 |
| 0 | getopt_long()设置一个标志，它的值与option结构中的val字段的值一样 |
| 1 | 每碰到一个命令行参数，optarg都会记录它 |
| '?' | 无效选项 |
| ':' | 缺少选项参数 |
| 'x' | 选项字符'x' |
| -1 | 选项解析结束 |
从实用的角度来说，我们更期望每个长选项都对应一个短选项，这种情况下，在option结构中，只要将flag设置为NULL，并将val设置为长选项所对应的短选项字符即可。譬如上面清单5中的程序，修改如下。
清单6：
| ＃i nclude <stdio.h> ＃i nclude <getopt.h> int do_name, do_gf_name; char *l_opt_arg; struct option longopts[] = { { "name", no_argument, NULL, 'n' }, { "gf_name", no_argument, NULL, 'g' }, { "love", required_argument, NULL, 'l' }, { 0, 0, 0, 0}, }; int main(int argc, char *argv[]) { int c; while((c = getopt_long(argc, argv, ":l:", longopts, NULL)) != -1){ switch (c){ case 'n': printf("My name is LYR./n"); break; case 'g': printf("Her name is BX./n"); break; case 'l': l_opt_arg = optarg; printf("Our love is %s!/n", l_opt_arg); break; } } return 0; } |
测试结果如下：
| $ ./long_opt_demo --name --gf_name --love forever My name is LYR. Her name is BX. Our love is forever! $ ./long_opt_demo -ng -l forever My name is LYR. Her name is BX. Our love is forever! |
9、在LINUX之外的系统平台上使用GNU getopt()或getopt_long()
只要从GNU程序或GNU C Library(GLIBC)的CVS档案文件中copy源文件即可（http://sourceware.org/glibc/）。所需源文件是getopt.h、getopt.c和getoptl.c，将这些文件包含在你的项目中。另外，你的项目中最好也将COPYING.LIB文件包含进去，因为 GNU LGPL（GNU 程序库公共许可证）的内容全部包括在命名为COPYING.LIB 的文件中。10、结论
程序需要能够快速处理各个选项和参数，且要求不会浪费开发人员的太多时间。在这一点上，无论是GUI(图形用户交互）程序还是CUI（命令行交互）程序，都是其首要任务，其区别仅在于实现方式的不同。GUI通过菜单、对话框之类的图形控件来完成交互，而CUI使用了纯文本的交互方式。在程序开发中，许多测试程序用CUI来完成是首选方案。getopt() 函数是一个标准库调用，可允许您使用直接的 while/switch 语句方便地逐个处理命令行参数和检测选项（带或不带附加的参数）。与其类似的 getopt_long() 允许在几乎不进行额外工作的情况下处理更具描述性的长选项，这非常受开发人员的欢迎。
参考资料
- 使用getopt()进行命令行处理 Chris Herborth ([email protected]).
- Linux Programming by Example Arnold Robbins.