命令行环境 命令行环境命令行参数C 语言程序可以从命令行接收参数。$ ./foo hello world上面示例中，程序foo接收了两个命令行参数hello和world。程序内部怎么拿到命令行参数呢？C 语言会把命令行输入的内容，放在一个数组里面。main()函数的参数可以接收到这个数组。#include <stdio.h> int main(int argc, char* argv[]) { for (int i = 0; i < argc; i++) { printf("arg %d: %s\n", i, argv[i]); } }上面示例中，main()函数有两个参数argc（argument count）和argv（argument variable）。这两个参数的名字可以任意取，但是一般来说，约定俗成就是使用这两个词。第一个参数argc是命令行参数的数量，由于程序名也被计算在内，所以严格地说argc是参数数量 + 1。第二个参数argv是一个数组，保存了所有的命令行输入，它的每个成员是一个字符串指针。以./foo hello world为例，argc是3，表示命令行输入有三个组成部分：./foo、hello、world。数组argv用来获取这些输入，argv[0]是程序名./foo，argv[1]是hello，argv[2]是world。一般来说，argv[1]到argv[argc - 1]依次是命令行的所有参数。argv[argc]则是一个空指针 NULL。由于字符串指针可以看成是字符数组，所以下面两种写法是等价的。// 写法一 int main(int argc, char* argv[]) // 写法二 int main(int argc, char** argv)另一方面，每个命令行参数既可以写成数组形式argv[i]，也可以写成指针形式*(argv + i)。利用argc，可以限定函数只能有多少个参数。#include <stdio.h> int main(int argc, char** argv) { if (argc != 3) { printf("usage: mult x y\n"); return 1; } printf("%d\n", atoi(argv[1]) * atoi(argv[2])); return 0; }上面示例中，argc不等于3就会报错，这样就限定了程序必须有两个参数，才能运行。另外，argv数组的最后一个成员是 NULL 指针（argv[argc] == NULL）。所以，参数的遍历也可以写成下面这样。for (char** p = argv; *p != NULL; p++) { printf("arg: %s\n", *p); }上面示例中，指针p依次移动，指向argv的每个成员，一旦移到空指针 NULL，就表示遍历结束。由于argv的地址是固定的，不能执行自增运算（argv++），所以必须通过一个中间变量p，完成遍历操作。退出状态C 语言规定，如果main()函数没有return语句，那么结束运行的时候，默认会添加一句return 0，即返回整数0。这就是为什么main()语句通常约定返回一个整数值，并且返回整数0表示程序运行成功。如果返回非零值，就表示程序运行出了问题。Bash 的环境变量$?可以用来读取上一个命令的返回值，从而知道是否运行成功。$ ./foo hello world $ echo $? 0上面示例中，echo $?用来打印环境变量$?的值，该值为0，就表示上一条命令运行成功，否则就是运行失败。注意，只有main()会默认添加return 0，其他函数都没有这个机制。环境变量C 语言提供了getenv()函数（原型在stdlib.h）用来读取命令行环境变量。#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main(void) { char* val = getenv("HOME"); if (val == NULL) { printf("Cannot find the HOME environment variable\n"); return 1; } printf("Value: %s\n", val); return 0; }上面示例中，getenv("HOME")用来获取命令行的环境变量$HOME，如果这个变量为空（NULL），则程序报错返回。

多文件项目 多文件项目简介一个软件项目往往包含多个源码文件，编译时需要将这些文件一起编译，生成一个可执行文件。假定一个项目有两个源码文件foo.c和bar.c，其中foo.c是主文件，bar.c是库文件。所谓“主文件”，就是包含了main()函数的项目入口文件，里面会引用库文件定义的各种函数。// File foo.c #include <stdio.h> int main(void) { printf("%d\n", add(2, 3)); // 5! }上面代码中，主文件foo.c调用了函数add()，这个函数是在库文件bar.c里面定义的。// File bar.c int add(int x, int y) { return x + y; }现在，将这两个文件一起编译。$ gcc -o foo foo.c bar.c # 更省事的写法 $ gcc -o foo *.c上面命令中，gcc 的-o参数指定生成的二进制可执行文件的文件名，本例是foo。这个命令运行后，编译器会发出警告，原因是在编译foo.c的过程中，编译器发现一个不认识的函数add()，foo.c里面没有这个函数的原型或者定义。因此，最好修改一下foo.c，在文件头部加入add()的原型。// File foo.c #include <stdio.h> int add(int, int); int main(void) { printf("%d\n", add(2, 3)); // 5! }现在再编译就没有警告了。你可能马上就会想到，如果有多个文件都使用这个函数add()，那么每个文件都需要加入函数原型。一旦需要修改函数add()（比如改变参数的数量），就会非常麻烦，需要每个文件逐一改动。所以，通常的做法是新建一个专门的头文件bar.h，放置所有在bar.c里面定义的函数的原型。// File bar.h int add(int, int);然后使用include命令，在用到这个函数的源码文件里面加载这个头文件bar.h。// File foo.c #include <stdio.h> #include "bar.h" int main(void) { printf("%d\n", add(2, 3)); // 5! }上面代码中，#include "bar.h"表示加入头文件bar.h。这个文件没有放在尖括号里面，表示它是用户提供的；它没有写路径，就表示与当前源码文件在同一个目录。然后，最好在bar.c里面也加载这个头文件，这样可以让编译器验证，函数原型与函数定义是否一致。// File bar.c #include "bar.h" int add(int a, int b) { return a + b; }现在重新编译，就可以顺利得到二进制可执行文件。$ gcc -o foo foo.c bar.c重复加载头文件里面还可以加载其他头文件，因此有可能产生重复加载。比如，a.h和b.h都加载了c.h，然后foo.c同时加载了a.h和b.h，这意味着foo.c会编译两次c.h。最好避免这种重复加载，虽然多次定义同一个函数原型并不会报错，但是有些语句重复使用会报错，比如多次重复定义同一个 Struct 数据结构。解决重复加载的常见方法是，在头文件里面设置一个专门的宏，加载时一旦发现这个宏存在，就不再继续加载当前文件了。// File bar.h #ifndef BAR_H #define BAR_H int add(int, int); #endif上面示例中，头文件bar.h使用#ifndef和#endif设置了一个条件判断。每当加载这个头文件时，就会执行这个判断，查看有没有设置过宏BAR_H。如果设置过了，表明这个头文件已经加载过了，就不再重复加载了，反之就先设置一下这个宏，然后加载函数原型。extern 说明符当前文件还可以使用其他文件定义的变量，这时要使用extern说明符，在当前文件中声明，这个变量是其他文件定义的。extern int myVar;上面示例中，extern说明符告诉编译器，变量myvar是其他脚本文件声明的，不需要在这里为它分配内存空间。由于不需要分配内存空间，所以extern声明数组时，不需要给出数组长度。extern int a[];这种共享变量的声明，可以直接写在源码文件里面，也可以放在头文件中，通过#include指令加载。static 说明符正常情况下，当前文件内部的全局变量，可以被其他文件使用。有时候，不希望发生这种情况，而是希望某个变量只局限在当前文件内部使用，不要被其他文件引用。这时可以在声明变量的时候，使用static关键字，使得该变量变成当前文件的私有变量。static int foo = 3;上面示例中，变量foo只能在当前文件里面使用，其他文件不能引用。编译策略多个源码文件的项目，编译时需要所有文件一起编译。哪怕只是修改了一行，也需要从头编译，非常耗费时间。为了节省时间，通常的做法是将编译拆分成两个步骤。第一步，使用 GCC 的-c参数，将每个源码文件单独编译为对象文件（object file）。第二步，将所有对象文件链接在一起，合并生成一个二进制可执行文件。$ gcc -c foo.c # 生成 foo.o $ gcc -c bar.c # 生成 bar.o # 更省事的写法 $ gcc -c *.c上面命令为源码文件foo.c和bar.c，分别生成对象文件foo.o和bar.o。对象文件不是可执行文件，只是编译过程中的一个阶段性产物，文件名与源码文件相同，但是后缀名变成了.o。得到所有的对象文件以后，再次使用gcc命令，将它们通过链接，合并生成一个可执行文件。$ gcc -o foo foo.o bar.o # 更省事的写法 $ gcc -o foo *.o以后，修改了哪一个源文件，就将这个文件重新编译成对象文件，其他文件不用重新编译，可以继续使用原来的对象文件，最后再将所有对象文件重新链接一次就可以了。由于链接的耗时大大短于编译，这样做就节省了大量时间。make 命令大型项目的编译，如果全部手动完成，是非常麻烦的，容易出错。一般会使用专门的自动化编译工具，比如 make。make 是一个命令行工具，使用时会自动在当前目录下搜索配置文件 makefile（也可以写成 Makefile）。该文件定义了所有的编译规则，每个编译规则对应一个编译产物。为了得到这个编译产物，它需要知道两件事。依赖项（生成该编译产物，需要用到哪些文件）生成命令（生成该编译产物的命令）比如，对象文件foo.o是一个编译产物，它的依赖项是foo.c，生成命令是gcc -c foo.c。对应的编译规则如下：foo.o: foo.c gcc -c foo.c上面示例中，编译规则由两行组成。第一行首先是编译产物，冒号后面是它的依赖项，第二行则是生成命令。注意，第二行的缩进必须使用 Tab 键，如果使用空格键会报错。完整的配置文件 makefile 由多个编译规则组成，可能是下面的样子。foo: foo.o bar.o gcc -o foo foo.o bar.o foo.o: bar.h foo.c gcc -c foo.c bar.o: bar.h bar.c gcc -c bar.c上面是 makefile 的一个示例文件。它包含三个编译规则，对应三个编译产物（foo.o、bar.o和foo），每个编译规则之间使用空行分隔。有了 makefile，编译时，只要在 make 命令后面指定编译目标（编译产物的名字），就会自动调用对应的编译规则。$ make foo.o # or $ make bar.o # or $ make foo上面示例中，make 命令会根据不同的命令，生成不同的编译产物。如果省略了编译目标，make命令会执行第一条编译规则，构建相应的产物。$ make上面示例中，make后面没有编译目标，所以会执行 makefile 的第一条编译规则，本例是make foo。由于用户期望执行make后得到最终的可执行文件，所以建议总是把最终可执行文件的编译规则，放在 makefile 文件的第一条。makefile 本身对编译规则没有顺序要求。make 命令的强大之处在于，它不是每次执行命令，都会进行编译，而是会检查是否有必要重新编译。具体方法是，通过检查每个源码文件的时间戳，确定在上次编译之后，哪些文件发生过变动。然后，重新编译那些受到影响的编译产物（即编译产物直接或间接依赖于那些发生变动的源码文件），不受影响的编译产物，就不会重新编译。举例来说，上次编译之后，修改了foo.c，没有修改bar.c和bar.h。于是，重新运行make foo命令时，Make 就会发现bar.c和bar.h没有变动过，因此不用重新编译bar.o，只需要重新编译foo.o。有了新的foo.o以后，再跟bar.o一起，重新编译成新的可执行文件foo。Make 这样设计的最大好处，就是自动处理编译过程，只重新编译变动过的文件，因此大大节省了时间。

变量说明符 变量说明符C 语言允许声明变量的时候，加上一些特定的说明符（specifier），为编译器提供变量行为的额外信息。它的主要作用是帮助编译器优化代码，有时会对程序行为产生影响。constconst说明符表示变量是只读的，不得被修改。const double PI = 3.14159; PI = 3; // 报错上面示例里面的const，表示变量PI的值不应改变。如果改变的话，编译器会报错。对于数组，const表示数组成员不能修改。const int arr[] = {1, 2, 3, 4}; arr[0] = 5; // 报错上面示例中，const使得数组arr的成员无法修改。对于指针变量，const有两种写法，含义是不一样的。如果const在*前面，表示指针指向的值不可修改。// const 表示指向的值 *x 不能修改 int const * x // 或者 const int * x下面示例中，对x指向的值进行修改导致报错。int p = 1 const int* x = &p; (*x)++; // 报错如果const在*后面，表示指针包含的地址不可修改。// const 表示地址 x 不能修改 int* const x下面示例中，对x进行修改导致报错。int p = 1 int* const x = &p; x++; // 报错这两者可以结合起来。const char* const x;上面示例中，指针变量x指向一个字符串。两个const意味着，x包含的内存地址以及x指向的字符串，都不能修改。const的一个用途，就是防止函数体内修改函数参数。如果某个参数在函数体内不会被修改，可以在函数声明时，对该参数添加const说明符。这样的话，使用这个函数的人看到原型里面的const，就知道调用函数前后，参数数组保持不变。void find(const int* arr, int n);上面示例中，函数find的参数数组arr有const说明符，就说明该数组在函数内部将保持不变。有一种情况需要注意，如果一个指针变量指向const变量，那么该指针变量也不应该被修改。const int i = 1; int* j = &i; *j = 2; // 报错上面示例中，j是一个指针变量，指向变量i，即j和i指向同一个地址。j本身没有const说明符，但是i有。这种情况下，j指向的值也不能被修改。staticstatic说明符对于全局变量和局部变量有不同的含义。（1）用于局部变量（位于块作用域内部）。static用于函数内部声明的局部变量时，表示该变量的值会在函数每次执行后得到保留，下次执行时不会进行初始化，就类似于一个只用于函数内部的全局变量。由于不必每次执行函数时，都对该变量进行初始化，这样可以提高函数的执行速度，详见《函数》一章。（2）用于全局变量（位于块作用域外部）。static用于函数外部声明的全局变量时，表示该变量只用于当前文件，其他源码文件不可以引用该变量，即该变量不会被链接（link）。static修饰的变量，初始化时，值不能等于变量，必须是常量。int n = 10; static m = n; // 报错上面示例中，变量m有static修饰，它的值如果等于变量n，就会报错，必须等于常量。只在当前文件里面使用的函数，也可以声明为static，表明该函数只在当前文件使用，其他文件可以定义同名函数。static int g(int i);autoauto说明符表示该变量的存储，由编译器自主分配内存空间，且只存在于定义时所在的作用域，退出作用域时会自动释放。由于只要不是extern的变量（外部变量），都是由编译器自主分配内存空间的，这属于默认行为，所以该说明符没有实际作用，一般都省略不写。auto int a; // 等同于 int a;externextern说明符表示，该变量在其他文件里面声明，没有必要在当前文件里面为它分配空间。通常用来表示，该变量是多个文件共享的。extern int a;上面代码中，a是extern变量，表示该变量在其他文件里面定义和初始化，当前文件不必为它分配存储空间。但是，变量声明时，同时进行初始化，extern就会无效。// extern 无效 extern int i = 0; // 等同于 int i = 0;上面代码中，extern对变量初始化的声明是无效的。这是为了防止多个extern对同一个变量进行多次初始化。函数内部使用extern声明变量，就相当于该变量是静态存储，每次执行时都要从外部获取它的值。函数本身默认是extern，即该函数可以被外部文件共享，通常省略extern不写。如果只希望函数在当前文件可用，那就需要在函数前面加上static。extern int f(int i); // 等同于 int f(int i);registerregister说明符向编译器表示，该变量是经常使用的，应该提供最快的读取速度，所以应该放进寄存器。但是，编译器可以忽略这个说明符，不一定按照这个指示行事。register int a;上面示例中，register提示编译器，变量a会经常用到，要为它提供最快的读取速度。register只对声明在代码块内部的变量有效。设为register的变量，不能获取它的地址。register int a; int *p = &a; // 编译器报错上面示例中，&a会报错，因为变量a可能放在寄存器里面，无法获取内存地址。如果数组设为register，也不能获取整个数组或任一个数组成员的地址。register int a[] = {11, 22, 33, 44, 55}; int p = a; // 报错 int a = *(a + 2); // 报错历史上，CPU 内部的缓存，称为寄存器（register）。与内存相比，寄存器的访问速度快得多，所以使用它们可以提高速度。但是它们不在内存之中，所以没有内存地址，这就是为什么不能获取指向它们的指针地址。现代编译器已经有巨大的进步，会尽可能优化代码，按照自己的规则决定怎么利用好寄存器，取得最佳的执行速度，所以可能会忽视代码里面的register说明符，不保证一定会把这些变量放到寄存器。volatilevolatile说明符表示所声明的变量，可能会预想不到地发生变化（即其他程序可能会更改它的值），不受当前程序控制，因此编译器不要对这类变量进行优化，每次使用时都应该查询一下它的值。硬件设备的编程中，这个说明符很常用。volatile int foo; volatile int* bar;volatile的目的是阻止编译器对变量行为进行优化，请看下面的例子。int foo = x; // 其他语句，假设没有改变 x 的值 int bar = x;上面代码中，由于变量foo和bar都等于x，而且x的值也没有发生变化，所以编译器可能会把x放入缓存，直接从缓存读取值（而不是从 x 的原始内存位置读取），然后对foo和bar进行赋值。如果x被设定为volatile，编译器就不会把它放入缓存，每次都从原始位置去取x的值，因为在两次读取之间，其他程序可能会改变x。restrictrestrict说明符允许编译器优化某些代码。它只能用于指针，表明该指针是访问数据的唯一方式。int* restrict pt = (int*) malloc(10 * sizeof(int));上面示例中，restrict表示变量pt是访问 malloc 所分配内存的唯一方式。下面例子的变量foo，就不能使用restrict修饰符。int foo[10]; int* bar = foo;上面示例中，变量foo指向的内存，可以用foo访问，也可以用bar访问，因此就不能将foo设为 restrict。如果编译器知道某块内存只能用一个方式访问，可能可以更好地优化代码，因为不用担心其他地方会修改值。restrict用于函数参数时，表示参数的内存地址之间没有重叠。void swap(int* restrict a, int* restrict b) { int t; t = *a; *a = *b; *b = t; }上面示例中，函数参数声明里的restrict表示，参数a和参数b的内存地址没有重叠。