main() 是 C/C++ 程式執行的進入點，作業系統執行程式時，首先會執行 Runtime Library 內的函式進行必要的初始化，接著才呼叫 main() 轉移控制權，當 main() 返回時，再根據 main() 的返回值呼叫 exit() 結束程式。

main() 的標準函式原型 (Function Prototype)

第一種標準寫法，是不帶引數的：

#include <cstdlib>

int main()
{
  return EXIT_SUCCESS;
}

main() 的返回值代表程式的結束狀態。使用 cstdlib 是為了引入 EXIT_SUCCESS 這個 macro，回傳它或 0 代表程式成功執行，而相對的，回傳 EXIT_FAILURE 則代表由錯誤發生。C++ 標準並未定義 EXIT_SUCCESS 對應哪個整數。

值得留意的是，C++ 嚴格規定，如果函式宣告時有返回值型別 (return type)，就必須有程式碼明確給出返回值。但 main() 例外，它可以省略 return EXIT_SUCCESS 那一行，此時效果成功結束。

第二種 main() 的寫法帶有兩個引數 (parameter)，允許使用者在命令列模式執行程式時，指定一至數個引數 (argument)：

#include <cstdlib>
#include <iostream>

int main(int argc, char* argv[])
{
  for (int i = 0 ; i < argc ; ++i)
    std
 
::cout << "parameter " << i << " : " << argv[i] << std::endl;

  return EXIT_SUCCESS;
}

引數 argc 記錄當程式執行時，傳入的引數個數，argv 則是型別為 char** 的指標 (pointer)，指向一個字串陣列 (string array)，該陣列長度為 argc + 1。argv[0] 至 argv[argc - 1] 為執行程式時傳入的引數；argv[argc] 為 0，代表空字串。語法上，第二個引數的宣告，也可以寫成 char** argv，但較常見的寫法仍是 char* argv[]，因為它明確表達了 argv 指向一個字串陣列。

上面程式執行結果如下：

[email protected]:~/cpp/c1$ clang++ -std=c++17 -stdlib=libc++ --pedantic-errors -pthread -o main main.cpp
[email protected]:~/cpp/c1$ ./main -s -t --version "test" \"test\" 'test' \'test\'
Argument 0 : ./main
Argument 1 : -s
Argument 2 : -t
Argument 3 : --version
Argument 4 : test
Argument 5 : "test"
Argument 6 : test
Argument 7 : 'test'

有些程式設計師，認為 argv[0] 必為程式的名稱，但實際上在 c++ 標準中，argv[0] 可能是程式名、也可能是空字串。故撰寫跨平臺程式時，切勿犯此錯誤。

如果你熟悉 C++11 的返回型別後置語法 (trailing return type)，也可以裝逼這麼寫：

auto main(int argc, char* argv[]) -> int
{
  // ...
}

Trailing return type 在 C++ template 開發有舉足輕重的作用，但在 main() 這裡，意義與效果與前面的版本完全相同，純粹是換個寫法。

誰呼叫了 main()

本文開頭提到，main() 並非程式第一個執行的函式。我們可以用 gdb 探索究竟是誰呼叫了它。

首先，我們沿用前面的 main.cpp，但在 compile 時，加上 -g 選項以包含 debug 資訊：

[email protected]:~/cpp/c1$ clang++ -std=c++17 -g -stdlib=libc++ --pedantic-errors -pthread -o main main.cpp

接著使用 gdb 除錯：

[email protected]:~/cpp/c1$ gdb -q main
Reading symbols from main...done.

將中斷點 (breakpoint) 設在程式的第 6 行，也就是 for 迴圈那裡：

(gdb) b 6
Breakpoint 1 at 0x400e06: file main.cpp, line 6.

執行程式後，就會顯示停止在第 6 行：

(gdb) r
Starting program: /home/sora/cpp/c1/main 
[Thread debugging using libthread_db enabled]
Using host libthread_db library "/lib/x86_64-linux-gnu/libthread_db.so.1".

Breakpoint 1, main (argc=1, argv=0x7fffffffdf58) at main.cpp:6
6     for (int i = 0 ; i < argc ;++i)

執行 where 指令，此時 gdb 預設會忽略 main() 之前的函式，所以看不到什麼：

(gdb) where
 #0  main (argc=1, argv=0x7fffffffdf58) at main.cpp:6

輸入以下指令，即可讓 gdb 顯示 main() 之前的函式：

(gdb) set backtrace past-main

再執行一次 where，即可讓 gdb 顯示 main() 之前的函式，可看到 C++ Runtime Library 先執行了 _start()、再呼叫到 __libc_start_main() 函式，最後才呼叫到 main()：

(gdb) where
 #0  main (argc=1, argv=0x7fffffffdf58) at main.cpp:6
 #1  0x00007ffff6d3cb97 in __libc_start_main (
    main=0x400df0 <main(int, char**)>, argc=1, argv=0x7fffffffdf58, 
    init=<optimized out>, fini=<optimized out>, rtld_fini=<optimized out>, 
    stack_end=0x7fffffffdf48) at ../csu/libc-start.c:310
 #2  0x0000000000400d2a in _start ()

在 Unix-like 系統中，當 compile 後的程式與 glibc link 成 ELF 格式的可執行檔案，_start 就是程式執行初始化的入口函式。在 ELF 格式中，.init 代表 main() 執行前需要被執行的程式碼，.fini 代表 main() 離開後、程式結束前需要執行的程式碼，這些都傳入了 __libc_start_main() 函式，以下是刪減過後的版本，省略了初始化其他部分的程式碼：

// glibc/csu/libc-start.c

STATIC int
LIBC_START_MAIN (int (*main) (int, char **, char ** MAIN_AUXVEC_DECL),
                 int argc, char **argv,
#ifdef LIBC_START_MAIN_AUXVEC_ARG
                 ElfW(auxv_t) *auxvec,
#endif
                 __typeof (main) init,
                 void (*fini) (void),
                 void (*rtld_fini) (void), void *stack_end)
{
  /* Result of the 'main' function.  */
  int result;

  /* Call the initializer of the program, if any.  */
  if (init)
    (*init) (argc, argv, __environ MAIN_AUXVEC_PARAM);

  /* Register the destructor of the dynamic linker if there is any.  */
  if (__glibc_likely (rtld_fini != NULL))
    __cxa_atexit ((void (*) (void *)) rtld_fini, NULL, NULL);

  /* Register the destructor of the program, if any.  */
  if (fini)
    __cxa_atexit ((void (*) (void *)) fini, NULL, NULL);

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

.init 與 .fini 兩個 section 對 C++ 至關重要，.init 幫 C++ 程式在 main() 執行之前，呼叫了所有 global object 的 constructor，而 .fini 則是執行他們的 destructor。

最後執行 quit 指令離開除錯，結束 gdb 執行：

(gdb) quit
A debugging session is active.

    Inferior 1 [process 25264] will be killed.

Quit anyway? (y or n) y

常見的非標準 main() 函式原型

void main()
{
}

這種返回值為 void 的寫法，來自 Microsoft Visual C++，由於 Windows 平臺上，許多 C++ 初學者選用 Visual C++ 當作入門的練習工具，所以常會誤以為這種寫法是標準所允許的。gcc 與 clang 都將這種寫法視為錯誤。

另一種非標準、但也很常見的形式為：

int main(int argc, char* argv[], char* envp[]) 
{
}

這種非標準寫法帶有第三個引數 envp，用來接收目前系統的環境變數。下面程式可以打印出系統所有的環境變數：

#include <iostream>

int main(int argc, char* argv[], char* envp[])
{
  for (std::size_t i = 0 ; envp[i] != nullptr ; ++i)
    std::cout << "envp[" << i << "] : " << envp[i] << std::endl;
}

以筆者執行的 Ubuntu 18.04 為例，執行結果如下，可看到 env 裡每個字串，其實是環境變數裡 key、value 的對應：

envp[0] : CLUTTER_IM_MODULE=xim
envp[1] : LD_LIBRARY_PATH=:/home/sora/Temp/clang/build/lib
...
envp[62] : OLDPWD=/home/sora/Temp/clang/llvm/projects
envp[63] : _=./main_envp

C++ 標準中，可以使用 <cstdlib> 的 getenv() 函式取得某個環境變數內容，這種方式，比藉由 main() 傳遞第三個引數來的安全且標準：

char* getenv(const char* env_var);

以下是範例：

#include <iostream>
#include <cstdlib>

int main()
{
  if (const char* p = std::getenv("PATH"); p)
    std::cout << "PATH=" << p << std::endl;

  if (const char* p = std::getenv("TERM"); p)
    std::cout << "TERM=" << p << std::endl;
}

輸出結果如下：

[email protected]:~/cpp/c1$ clang++ -std=c++17 -stdlib=libc++ --pedantic-errors -pthread -o getenv getenv.cpp
[email protected]:~/cpp/c1$ ./getenv
PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games:/usr/local/games:/snap/bin
TERM=xterm-256color

早期的 C 式 main()

以下這兩種 main() 函式，在早期的 C 程式碼還可見到。這些寫法已無法通過目前 C++ compiler 的檢查。列在本文裡，純粹是因為筆者的考古情懷。如果你有機會接觸到這些古老的程式，記得瞻仰下先聖先賢。

main()
{
}

這種連返回值型別都沒寫的形式，是早期 C 所允許的。沒寫並不代表沒有返回值，C compiler 會將這種情況視為 int main()。

另一種古老的形式如下：

int main()
  int    argc;
  char** argv;
{
  return 0;
}

這種寫法稱為 K&R 形式。1978年，由 Brian Kernighan 與 Dennis Ritchie 合著的 The C Programming Language 第一版，書中即採用這種格式，由於這本書太出名了，計算機界以兩位作者首字母縮寫簡稱這本書為 K&R，而這個函式定義就稱為 K&R 形式。隨後美國國家標準化協會 (American National Standards Institute) 於 1989 年制定的 ANSI C 標準 (常稱為 C89) 已不採用這種函式定義，而 1988 出版的 K&R 第二版亦以 ANSI C 格式改寫。不過如果讀者有幸接觸一些二十幾年錢的 C 程式，仍可看到這種寫法。這種語法一樣無法通過目前 gcc 與 clang 的檢查。