為什麼 return 和 exit() 都在 main() 中運作

介紹

在 C 程式設計中，有兩種​​方法可以從 main 函數終止程式：使用 return 和使用 exit()。

int main() {
    printf("Hello, World!");
    return 0;    // Method 1: Normal termination
}

int main() {
    printf("Hello, World!");
    exit(0);     // Method 2：Normal termination
}

為什麼兩種方法都能正確終止程序，儘管它們看起來完全不同？
在本文中，我們將透過了解 C 程式如何實際啟動和終止來解開這個謎團。
請注意，本文將重點放在 GNU/Linux 環境中的實現，特別是使用 glibc。

exit() 的工作原理

首先，讓我們來看看 exit 函數是如何運作的，以了解程式終止機制。
exit 函數是一個標準函式庫函數，可以正確終止程式。
在內部，_exit 函數，由 exit 調用，在 glibc 中實作如下：

void
_exit (int status)
{
  while (1)
    {
      INLINE_SYSCALL (exit_group, 1, status);

#ifdef ABORT_INSTRUCTION
      ABORT_INSTRUCTION;
#endif
    }
}

查看此實現，我們可以看到 _exit 函數接收退出狀態作為其參數，並呼叫 exit_group（系統呼叫號碼 231）。

此系統呼叫執行下列操作：

1. 向核心發送程式終止通知
2. 核心執行清理操作：
   • 釋放程序使用的資源
   • 更新進程表
   • 執行額外的清理程序

透過這些操作，程式正常終止。

那麼，為什麼從 main() 回傳也會正確終止程式？

C程式的隱藏入口點

要理解這一點，我們需要知道一個重要的事實：C 程式其實不是從 main 開始的。

讓我們檢查連結器（ld）的預設設定以查看實際的入口點：

$ ld --verbose | grep "ENTRY"
ENTRY(_start)

如該輸出所示，C 程式的實際入口點是 _start 函數。 main 在 _start 之後呼叫。
_start函數是在標準庫中實現的，在glibc中，它看起來像這樣：

_start:
    # Initialize stack pointer
    xorl %ebp, %ebp
    popq %rsi        # Get argc
    movq %rsp, %rdx  # Get argv

    # Setup arguments for main
    pushq %rsi       # Push argc
    pushq %rdx       # Push argv

    # Call __libc_start_main
    call __libc_start_main

_start函數有兩個主要作用：

1. 初始化程式執行所需的堆疊幀
2. 為主函數設定命令列參數（argc、argv）

這些初始化完成後，會呼叫 __libc_start_main。
該函數負責呼叫main函數。

現在，讓我們詳細看看 __libc_start_main 是如何運作的。

__libc_start_main 如何使返回工作

__libc_start_call_main，由__libc_start_main調用，實作如下：

_Noreturn static void
__libc_start_call_main (int (*main) (int, char **, char ** MAIN_AUXVEC_DECL),
                        int argc, char **argv
#ifdef LIBC_START_MAIN_AUXVEC_ARG
                            , ElfW(auxv_t) *auxvec
#endif
                        )
{
  int result;

  /* Memory for the cancellation buffer.  */
  struct pthread_unwind_buf unwind_buf;

  int not_first_call;
  DIAG_PUSH_NEEDS_COMMENT;
#if __GNUC_PREREQ (7, 0)
  /* This call results in a -Wstringop-overflow warning because struct
     pthread_unwind_buf is smaller than jmp_buf.  setjmp and longjmp
     do not use anything beyond the common prefix (they never access
     the saved signal mask), so that is a false positive.  */
  DIAG_IGNORE_NEEDS_COMMENT (11, "-Wstringop-overflow=");
#endif
  not_first_call = setjmp ((struct __jmp_buf_tag *) unwind_buf.cancel_jmp_buf);
  DIAG_POP_NEEDS_COMMENT;
  if (__glibc_likely (! not_first_call))
    {
      struct pthread *self = THREAD_SELF;

      /* Store old info.  */
      unwind_buf.priv.data.prev = THREAD_GETMEM (self, cleanup_jmp_buf);
      unwind_buf.priv.data.cleanup = THREAD_GETMEM (self, cleanup);

      /* Store the new cleanup handler info.  */
      THREAD_SETMEM (self, cleanup_jmp_buf, &unwind_buf);

      /* Run the program.  */
      result = main (argc, argv, __environ MAIN_AUXVEC_PARAM);
    }
  else
    {
      /* Remove the thread-local data.  */
      __nptl_deallocate_tsd ();

      /* One less thread.  Decrement the counter.  If it is zero we
         terminate the entire process.  */
      result = 0;
      if (atomic_fetch_add_relaxed (&__nptl_nthreads, -1) != 1)
        /* Not much left to do but to exit the thread, not the process.  */
    while (1)
      INTERNAL_SYSCALL_CALL (exit, 0);
    }

  exit (result);
}

在這個實作中，需要關注的關鍵部分如下：

result = main (argc, argv, __environ MAIN_AUXVEC_PARAM);
exit(result);

這裡，重要的一點是main函數是如何執行的，以及它的回傳值是如何處理的：

1. 執行main函數並將其傳回值儲存在result中
2. 使用 main 的回傳值作為退出的參數

透過這個機制：

• 在 main 中使用 return 時 → 傳回值傳遞給 __libc_start_main，然後將其傳遞給 exit
• 在main直接呼叫exit() → 程式立即終止

無論哪種情況，最終都會呼叫 exit，以確保程式正確終止。

結論

C 程式有以下機制：

1. 程式從_start開始
2. _start 為 main 的執行做準備
3. main透過__libc_start_main執行
4. 接收main的回傳值並將其用作退出的參數

透過這個機制：

• 即使在main使用return，回傳值也會自動傳遞給exit
• 結果，return 和 exit() 都正確終止了程式

注意，這個機制不限於GNU/Linux；其他作業系統（如 Windows 和 macOS）和不同的 C 標準函式庫中也存在類似的實作。

以上是為什麼 return 和 exit() 都在 main() 中運作的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！