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Linux程序设计——用getopt处理命令行参数

Linux下很多程序甚至那些具有图形用户界面(graphical user interface,GUI)的程序,都能接受和处理命令行选项。对于某些程序,这是与用户进行交互的主要手段。具有可靠的复杂命令行参数处理机制,会使得您的应用程序更好、更有用。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

命令行程序设计的首要任务是解析命令行参数,GUI派的程序员很少关心这个。这里,对参数采用了一种比较通俗的定义:命令行上除命令名之外的字符串。参数由多项构成,项与项之间用空白符彼此隔开。
参数进一步分为选项操作数。选项用于修改程序的默认行为或为程序提供信息,比较老的约定是以短划线开头。选项后可以跟随一些参数,称为选项参数。剩下的就是操作数了。

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:

#include <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:

#include <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:

#include <stdio.h>
#include <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:

#include <stdio.h>
#include <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:

  1. 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。
  2. 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:

#include <stdio.h>
#include <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。
GNU getopt()第三个特点是optstring中的选项字符后面接两个冒号,就允许该选项有可选的选项参数。在选项参数不存在的情况下,GNU getopt()返回选项字符并将optarg设置为NULL。

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:

#include <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

这是选项名,前面没有短横线。譬如"help"、"verbose"之类。

int has_arg

描述了选项是否有选项参数。如果有,是哪种类型的参数,此时,它的值一定是下表中的一个。
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

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。

int val

这个值是发现了长选项时的返回值,或者flag不 是NULL时载入*flag中的值。典型情况下,若flag不是NULL,那么val是个真/假值,譬如1或0;另一方面,如果flag是NULL,那么 val通常是字符常量,若长选项与短选项一致,那么该字符常量应该与optstring中出现的这个选项的参数相同。

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:


#include <stdio.h>
#include <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:

#include <stdio.h>
#include <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。

posted on 2010-09-04 17:58 flyonok 阅读(5054) 评论(2)  编辑 收藏 引用 所属分类: linux

评论

# re: Linux程序设计——用getopt处理命令行参数 2013-09-05 10:18 harly.he


POSIX:选项参数不可选。
GNU:选项参数是可选的(只对短选项有效)。
这两点怎么理解?谢谢  回复  更多评论   

# re: Linux程序设计——用getopt处理命令行参数 2013-09-05 14:45 flyonok

http://hi.baidu.com/xiao1dian/item/7bcba9456a7b8d2010ee1eed  回复  更多评论   


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