命令列引數（Command-Line Arguments）

程式與外界溝通最古老、最普遍的介面就是命令列引數。Unix 哲學中「小工具 + 管線」的組合能力， 正建立在每個程式都能透過 argc/argv 接收參數之上。本單元對應 K&R §5.10， 從 echo 範例出發，實作簡易版 grep，並補充現代選項解析（getopt）與環境變數（getenv）。

學習目標

• 理解 argc/argv 的記憶體結構與慣例（argv[0]、argv[argc] == NULL）
• 能以指標運算走訪引數（K&R 風格 while (--argc > 0)）
• 實作接受「選項旗標 + 位置參數」的程式（如 grep -n -v pattern）
• 會使用 POSIX getopt 解析 -x、-o value 形式的選項
• 會用 getenv 讀取環境變數，理解環境變數與引數的差別

對照章節 / 參考來源

• K&R §5.10 Command-line Arguments（echo 與 pattern-finding 程式）
• C11 標準 §5.1.2.2.1（main 的兩種簽名與 argv 的保證）
• POSIX：man 3 getopt、man 3 getenv
• POSIX Utility Syntax Guidelines（選項設計慣例）

觀念講解

1. argc / argv 的結構

作業系統啟動程式時，把命令列切成字串陣列交給 main：

int main(int argc, char *argv[])

• argc（argument count）：引數個數，至少為 1（含程式名稱本身）。
• argv（argument vector）：字串指標陣列；argv[0] 慣例上是程式名稱， argv[argc] 標準保證是 NULL。

執行 ./prog -n hello 時的記憶體圖：

argc = 3
argv ──> [ptr0] ──> "./prog\0"
         [ptr1] ──> "-n\0"
         [ptr2] ──> "hello\0"
         [NULL]

argv 的型別是 char **（指標的指標），與 char *argv[] 在參數位置等價。 標準允許程式修改 argv 指向的字串內容（getopt 就會重排它）。

2. 走訪引數的兩種風格

/* 索引風格：直觀 */
for (int i = 1; i < argc; i++)
    printf("%s\n", argv[i]);

/* K&R 指標風格：echo 範例的寫法 */
while (--argc > 0)
    printf("%s%s", *++argv, argc > 1 ? " " : "");

*++argv：先把 argv 往後移一格（跳過程式名），再取出該指標。 這種寫法緊湊但要小心副作用的順序，面試與讀舊碼時常見。

3. K&R 的 pattern-finding（簡易 grep）

K&R §5.10 把 §4.1 的「找出含有指定模式的行」改造成從命令列讀取模式：

while (getline(line, MAXLINE) > 0)
    if (strstr(line, pattern) != NULL) {
        printf("%s", line);
        found++;
    }

再加上兩個選項：-x（反相：印出「不含」模式的行）與 -n（印行號）。 選項解析的骨架是雙層迴圈——外層走引數、內層走一個引數內的多個旗標字母 （支援 -nx 合併寫法）：

while (--argc > 0 && (*++argv)[0] == '-')
    while ((c = *++argv[0]) != '\0')
        switch (c) {
        case 'x': except = 1; break;
        case 'n': number = 1; break;
        default:  /* 未知選項 */ ;
        }

注意 (*++argv)[0] 與 *++argv[0] 的不同：前者移動「引數陣列的游標」， 後者移動「目前字串內的游標」——正是上一單元複雜宣告的實戰。

4. POSIX getopt

手寫解析容易漏掉邊角（合併旗標、-o value 與 -ovalue、-- 終止符）。 POSIX 的 getopt 幫你處理這些慣例：

#include <unistd.h>
int opt;
while ((opt = getopt(argc, argv, "nvf:")) != -1) {
    switch (opt) {
    case 'n': line_numbers = 1; break;
    case 'v': invert = 1;       break;
    case 'f': filename = optarg; break;   /* f: 表示需要參數 */
    case '?': /* 未知選項，getopt 已印錯誤訊息 */ break;
    }
}
/* optind 是第一個「非選項」引數的索引 */

optstring 中字母後面的 : 表示該選項需要參數，參數會放在全域變數 optarg。 解析結束後 optind 之後才是位置參數。長選項（--verbose）需用 GNU getopt_long。

5. 環境變數 getenv

環境變數是另一條「由外向內」傳遞設定的通道，適合放不常變動的組態 （如 HOME、PATH、LANG）：

const char *home = getenv("HOME");
if (home == NULL)
    home = "/tmp";      /* 查不到時務必有預設值 */

引數 vs 環境變數的取捨：一次性、針對單次執行的用引數； 跨多個程式共享、屬於「執行環境」性質的用環境變數。

範例程式

檔案	內容	編譯 / 執行
01_echo_args.c	argc/argv 結構解剖、索引與 K&R 指標兩種走訪風格	cc -std=c11 -Wall -Wextra -o out 01_echo_args.c && ./out foo bar
02_minigrep.c	簡易 grep：-x/-n 手寫旗標解析；自建 /tmp 測試檔示範	cc -std=c11 -Wall -Wextra -o out 02_minigrep.c && ./out
03_getopt_env.c	getopt 解析 -n/-v/-f file、getenv 讀環境變數	cc -std=c11 -Wall -Wextra -o out 03_getopt_env.c && ./out

三個程式在「不給任何引數」時都會用內建的示範資料自我展示； 你也可以自行加上引數觀察行為變化（例如 ./out -n -x main）。

常見錯誤與陷阱

1. 假設 argc >= 2 而直接使用 argv[1]：使用者沒給引數時 argv[1] 是 NULL， 對它做 strcmp 直接 segfault。永遠先檢查 argc。
2. 把 argv[0] 當成「第一個引數」：argv[0] 是程式名稱，實際引數從 argv[1] 開始。 注意某些環境下 argv[0] 可能是完整路徑，也可能只是名字。
3. 混淆 (*++argv)[0] 與 *++argv[0]：後綴 [] 優先權高於前綴 * 與 ++， *++argv[0] 解析為 *++(argv[0])，移動的是字串內部游標。
4. getopt 之後仍從 argv[1] 讀位置參數：解析後應該從 argv[optind] 開始， 而且 getopt 可能已經重排過 argv。
5. 修改 getenv 回傳的字串：標準規定不可修改，且後續呼叫可能覆寫同一塊緩衝， 需要保留就 strdup 一份。

練習題

1. 【易】寫一個 args_dump 程式，逐行印出 argc、每個 argv[i] 的索引、內容與長度。
2. 【易】實作 sum 程式：把所有引數當整數相加（用 strtol）， 遇到非數字引數時印出警告並跳過。
3. 【中】為 02_minigrep.c 加上 -c 選項：只印出匹配行數，不印內容（模仿 grep -c）。
4. 【中】用 getopt 寫一個 head 複製品：支援 -n N（預設 10）， 從自建的 /tmp 測試檔讀取並印出前 N 行。
5. 【難】實作 mini_env：不帶引數時印出 environ 中所有環境變數； 帶 NAME=value 形式引數時設定後執行後續命令（提示：extern char **environ、setenv、execvp）。
6. 【難】手寫支援長選項的解析器：接受 --number、--invert、--file=NAME， 並支援 -- 之後全部視為位置參數。

補充：選項設計的實務慣例

設計自己的命令列工具時，遵循 POSIX / GNU 慣例可以讓使用者「猜得到」用法：

• 短選項一個字母（-n）、可合併（-nx）；長選項雙破折號（--number）。
• 需要值的選項同時支援 -f file 與 -f=file／--file=name 兩種寫法。
• -- 之後的引數一律視為位置參數（即使長得像選項）， 這是操作「檔名以 - 開頭」的唯一安全方法：rm -- -rf。
• 無引數執行時：過濾器類工具應讀 stdin（如 grep、sort）， 其他工具印出簡短 usage 並以非零碼離開。
• 離開碼慣例：0 成功、1 一般錯誤、2 用法錯誤（grep 則以 1 表示無匹配）。
• 訊息去向：正常輸出走 stdout（可被管線接走）， 錯誤與診斷一律走 stderr（fprintf(stderr, ...)）。

延伸閱讀

• K&R §5.10；§4.1（pattern matching 的原始版本）
• man 3 getopt、man 3 getopt_long（GNU 擴充）
• POSIX.1-2017 XBD §12 Utility Conventions（選項語法慣例的官方定義）
• 《The Art of Unix Programming》(E. S. Raymond) 第 10 章：命令列介面設計
• musl libc 的 getopt.c 原始碼（不到百行，適合閱讀）