在进行Linux程序开发时，我们最常碰到的一个问题就是：如何设计命令行参数以及如何完成对命令行参数的解析呢？在本文，我们将对这个问题进行详细的阐述和案例分析。

一、库函数详解

当进行命令行参数解析时，主要涉及的库函数包括getopt，getopt_long以及getopt_long_only。其中，主要的参数包括optarg，optind，opterr以及optopt。

现举例说明：

$ myprog -a vv --add -b --file a.txt - -- -e c.txt

Linux中的命令行选项有两种类型，包括短选项和长选项。其中，短选项以'-'作为前导符，长选项以'--'作为前导符。

对于以上命令，可以解释如下：

1. a是短选项，带一个参数vv；
2. add是长选项，无参数；
3. b是短选项，无参数；
4. file是长选项，带一个参数a.txt；
5. -是参数，通常表示标准输入，stdin；
6. --是一个指示符，表明停止扫描参数，其后所有部分都是参数，而不是选项；
7. -e是参数；
8. c.txt是参数。

当执行命令行参数解析时，可以使用一些用于分析命令行参数的函数，它们的原型如下：

#include <unistd.h>

int getopt(int argc, char* const argv[], const char *optstring);
extern char *optarg;
extern int optind, opterr, optopt;

#define _GNU_SOURCE
#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);

对于用于分析短参数的getopt函数，其原型如下：

int getopt(int argc, char* const argv[], const char *optstring);

其中，argc表示命令行参数个数，argv表示命令行参数数组，optstring则表示如何分析命令行参数。

关于optstring，有如下几点说明：

1. 如果选项带参数，该选项后接冒号，比如"a:b"，则表示a带参数，而b不带参数；
2. 如果选项带可选参数，该选项后接两个冒号，比如"a::b"，则表示a可能有参数，也可能不带参数；
3. 如果optstring的起始字符为':'，则表示如果指明选项带参数，而实际命令行没有参数时，getopt返回':'而不是'?'（默认情况下返回'?'，和无法识别的参数返回一样）；
4. 如果optstring的起始字符为'+'，则表示一旦遇到一个无选项参数，马上停止扫描，随后的部分当作参数来解释；
5. 如果optstring的起始字符为'-'，则表示如果遇到无选项参数，则把它当作选项1（不是字符'1'）的参数。
6. 该函数每解析完一个选项，就返回该选项字符。
7. 如果选项带参数，则参数保存在optarg中。如果选项带可选参数，而实际无参数时，optarg为NULL。
8. 当遇到一个不在optstring指明的选项时，返回字符'?'。如果在optstring指明某选项带参数而实际没有参数时，返回字符'?'或者字符':'，则根据optstring的起始字符而定。这两种情况选项的实际值被保存在optopt中。
9. 当解析错误时，如果opterr为1则自动打印一条错误消息（默认），否则不打印。
10. 当解析完成时，函数返回-1。
11. 每当解析完一个argv，optind（选项索引）就会递增。如果遇到无选项参数，getopt默认会把该参数调后一位，再解析下一个参数。如果解析完成后还有无选项的参数，则optind指示的是第一个无选项参数在argv中的索引。

对于可以同时分析长选项和短选项的getopt_long函数，其原型如下：

int getopt_long(int argc, char * const argv[], const char *optstring, const struct option *longopts, int *longindex);

相较于getopt函数，它同时能够接收长选项。在接收长选项之前，必须定义一个option结构体数组longopts，用于存储希望解析的长选项信息。

对于option结构体，其定义如下：

struct option {
    const char *name;
    int has_arg;
    int *flag;
    int val;
};

对于结构体的每个成员，含义如下：

1. name表示长选项的名称。
2. has_arg表示该选项是否带参数，包括no_argument，required_argumen以及optional_argument。
3. flag表示长选项如何返回，如果flag为NULL，则getopt_long返回val。否则返回0，flag指向一个值为val的变量。如果该长选项没有发现，flag保持不变。
4. val表示长选项的返回值，或需要被加载到flag所指向的变量中。

另外，对于longopts数组，最后一个元素必须被全部填充为0，即{0, 0, 0, 0}。同时，getopt_long函数的最后一个参数longindex在函数返回时指向被搜索到的选项在longopts数组中的下标。longindex可以为NULL，表示不需要返回该值。

getopt_long_only类似于getopt_long，但是它把'-'开头的选项当作长选项来处理。如果该选项与长选项不匹配，而与短选项匹配，则可以作为短选项解析。在短选项找到的时候，getopt_long和getopt_long_only的表现和getopt一样。如果长选项找到了，如果flag为 NULL，返回val，否则返回0。错误情况的处理和getopt一样，只是返回'?'时还可能是别的情况引起的：选项含糊不明确或者无关参数。

二、举例说明

代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <getopt.h>

int main(int argc, char **argv) {
    int c;
    int digit_optind = 0;

    while (1) {
        int this_option_optind = optind ? optind : 1;
        int option_index = 0;

        static struct option long_options[] = {
            {"add",     required_argument, 0,  0 },
            {"append",  no_argument,       0,  0 },
            {"delete",  required_argument, 0,  0 },
            {"verbose", no_argument,       0,  0 },
            {"create",  required_argument, 0, 'c'},
            {"file",    required_argument, 0,  0 },
            {0,         0,                 0,  0 }
        };

        c = getopt_long(argc, argv, "a:bc:d:012",
                long_options, &option_index);
        if (c == -1) {
            printf("arguments parse work completed.\n");
            break;
        }

        switch (c) {
        case 0:
            printf("option %s", long_options[option_index].name);
            if (optarg) {
                printf(" with arg %s", optarg);
            }
            printf("\n");
            break;
        
        case '0':
        case '1':
        case '2':
            if (digit_optind != 0 && digit_optind != this_option_optind) {
                printf("digits occur in two different argv-element.\n");
            }
            digit_optind = this_option_optind;
            printf("option %c\n", c);
            break;

        case 'a':
            printf("option a with value '%s'\n", optarg);
            break;

        case 'b':
            printf("option b\n");
            break;

        case 'c':
            printf("option c with value '%s'\n", optarg);
            break;

        case 'd':
            printf("option d with value '%s'\n", optarg);
            break;

        case '?':
            break;

        default:
            printf("?? getopt returned character code 0%o ??\n", c);
        }
    }

    if (optind < argc) {
        printf("non-option ARGV-elements: ");
        while (optind < argc) {
            printf("%s ", argv[optind++]);
        printf("\n");
        }
    }
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

测试如下：

zjl@ubuntu:~/workset/cmdparse$ ./myprog -a vv --add -b --file a.txt --delete d
option a with value 'vv'
option add with arg -b
option file with arg a.txt
option delete with arg d
arguments parse work completed.