为什么 return 和 exit() 都在 main() 中工作

介绍

在 C 编程中，有两种方法可以从 main 函数终止程序：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
}

为什么两种方法都能正确终止程序，尽管它们看起来完全不同？
在本文中，我们将通过了解 C 程序如何实际启动和终止来解开这个谜团。
请注意，本文重点讨论 GNU/Linux 环境中的实现，特别是使用 glibc。

exit() 的工作原理

首先，我们来看看 exit 函数是如何工作的，以了解程序终止机制。
exit 函数是一个标准库函数，可以正确终止程序。
在内部，_exit 函数，由 exit 调用，在 glibc 中实现如下：

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

#ifdef ABORT_INSTRUCTION
      ABORT_INSTRUCTION;
#endif
    }
}

查看此实现，我们可以看到 _exit 函数接收退出状态作为其参数，并调用 exit_group（系统调用号 231）。

此系统调用执行以下操作：

1. 向内核发送程序终止通知
2. 内核执行清理操作：
   • 释放进程使用的资源
   • 更新进程表
   • 执行额外的清理程序

通过这些操作，程序正常终止。

那么，为什么从 main() 返回也会正确终止程序？

C程序的隐藏入口点

要理解这一点，我们需要知道一个重要的事实：C 程序实际上并不是从 main 开始的。

让我们检查链接器（ld）的默认设置以查看实际的入口点：

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

如该输出所示，C 程序的实际入口点是 _start 函数。 main 在 _start 之后调用。
_start函数是在标准库中实现的，在glibc中，它看起来像这样：

_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函数有两个主要作用：

1. 初始化程序执行所需的堆栈帧
2. 为主函数设置命令行参数（argc、argv）

这些初始化完成后，会调用 __libc_start_main。
该函数负责调用main函数。

现在，让我们详细看看 __libc_start_main 是如何工作的。

__libc_start_main 如何使返回工作

__libc_start_call_main，由__libc_start_main调用，实现如下：

_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);
}

在这个实现中，需要关注的关键部分如下：

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

这里，重要的一点是main函数是如何执行的，以及它的返回值是如何处理的：

1. 执行main函数并将其返回值存储在result中
2. 使用 main 的返回值作为退出的参数

通过这个机制：

• 在 main 中使用 return 时 → 返回值被传递给 __libc_start_main，然后将其传递给 exit
• 在main中直接调用exit() → 程序立即终止

无论哪种情况，最终都会调用 exit，以确保程序正确终止。

结论

C 程序具有以下机制：

1. 程序从_start开始
2. _start 为 main 的执行做准备
3. main通过__libc_start_main执行
4. 接收main的返回值并将其用作退出的参数

通过这个机制：

• 即使在main中使用return，返回值也会自动传递给exit
• 结果，return 和 exit() 都正确终止了程序

注意，这个机制不限于GNU/Linux；其他操作系统（如 Windows 和 macOS）和不同的 C 标准库中也存在类似的实现。

以上是为什么 return 和 exit() 都在 main() 中工作的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章！