flag - 命令行参数解析

在写命令行程序（工具、server）时，对命令参数进行解析是常见的需求。各种语言一般都会提供解析命令行参数的方法或库，以方便程序员使用。如果命令行参数纯粹自己写代码解析，对于比较复杂的，还是挺费劲的。
在 go 标准库中提供了一个 flag 包，方便进行命令行解析。

注：
区分几个概念：

1. 命令行参数（或参数）：是指运行程序提供的参数
2. 已定义命令行参数：是指程序中通过 flag.Xxx 等这种形式定义了的参数
3. 非 flag（non-flag）命令行参数（或保留的命令行参数）：后文解释

使用示例

我们以 nginx 为例，执行：

nginx -h

输出如下：

nginx version: nginx/1.10.0
Usage: nginx [-?hvVtTq] [-s signal] [-c filename] [-p prefix] [-g directives]
Options:
  -?,-h         : this help
  -v            : show version and exit
  -V            : show version and configure options then exit
  -t            : test configuration and exit
  -T            : test configuration, dump it and exit
  -q            : suppress non-error messages during configuration testing
  -s signal     : send signal to a master process: stop, quit, reopen, reload
  -p prefix     : set prefix path (default: /usr/local/nginx/)
  -c filename   : set configuration file (default: conf/nginx.conf)
  -g directives : set global directives out of configuration file

我们通过 flag 实现类似 nginx 的这个输出，创建文件 nginx.go，内容如下：

package main
import (
    "flag"
    "fmt"
    "os"
)

// 实际中应该用更好的变量名
var (
    h bool
    v, V bool
    t, T bool
    q *bool
    s string
    p string
    c string
    g string
)

func init() {
    flag.BoolVar(&h, "h", false, "this help")
    flag.BoolVar(&v, "v", false, "show version and exit")
    flag.BoolVar(&V, "V", false, "show version and configure options then exit")
    flag.BoolVar(&t, "t", false, "test configuration and exit")
    flag.BoolVar(&T, "T", false, "test configuration, dump it and exit")

    // 另一种绑定方式
    q = flag.Bool("q", false, "suppress non-error messages during configuration testing")

    // 注意 `signal`。默认是 -s string，有了 `signal` 之后，变为 -s signal
    flag.StringVar(&s, "s", "", "send `signal` to a master process: stop, quit, reopen, reload")
    flag.StringVar(&p, "p", "/usr/local/nginx/", "set `prefix` path")
    flag.StringVar(&c, "c", "conf/nginx.conf", "set configuration `file`")
    flag.StringVar(&g, "g", "conf/nginx.conf", "set global `directives` out of configuration file")

    // 改变默认的 Usage
    flag.Usage = usage
}

func main() {
    flag.Parse()
    if h {
        flag.Usage()
    }
}

func usage() {
    fmt.Fprintf(os.Stderr, `nginx version: nginx/1.10.0
Usage: nginx [-hvVtTq] [-s signal] [-c filename] [-p prefix] [-g directives]
Options:
`)
    flag.PrintDefaults()
}

执行：go run nginx.go -h，（或 go build -o nginx && ./nginx -h）输出如下：

nginx version: nginx/1.10.0
Usage: nginx [-hvVtTq] [-s signal] [-c filename] [-p prefix] [-g directives]
Options:
  -T    test configuration, dump it and exit
  -V    show version and configure options then exit
  -c file
        set configuration file (default "conf/nginx.conf")
  -g directives
        set global directives out of configuration file (default "conf/nginx.conf")
  -h    this help
  -p prefix
        set prefix path (default "/usr/local/nginx/")
  -q    suppress non-error messages during configuration testing
  -s signal
        send signal to a master process: stop, quit, reopen, reload
  -t    test configuration and exit
  -v    show version and exit

仔细理解以上例子，如果有不理解的，看完下文的讲解再回过头来看。

flag 包概述

flag 包实现了 命令行参数 的解析方法 和 调用函数时通过 函数参数 的形式传递的解析方法。

下面介绍的是用来解析 命令行参数 的2种方式：

定义 flags 有两种方式

1. flag.Xxx()
   其中 Xxx 可以是 Int、String 等，返回一个相应类型的指针。
   如：

   var ip = flag.Int("flagname", 1234, "help message for flagname")

2. flag.XxxVar()
   将 flag 绑定到一个变量上。
   如：

   var flagvar int
   //将从命令行传递过来的参数 flagname 中的 flag 值解析出来 给 flagvar 变量:
   flag.IntVar(&flagvar, "flagname", 1234, "help message for flagname")

自定义 Value

另外，还可以创建自定义 flag，只要实现 flag.Value 接口即可（要求 receiver 是指针），这时候可以通过如下方式定义该 flag：

flag.Var(&flagVal, "name", "help message for flagname")

例如，解析我喜欢的编程语言，我们希望直接解析到 slice 中，我们可以定义如下 Value：

type sliceValue []string
func newSliceValue(vals []string, p *[]string) *sliceValue {
    *p = vals
    return (*sliceValue)(p)
}
func (s *sliceValue) Set(val string) error {
    *s = sliceValue(strings.Split(val, ","))
    return nil
}
func (s *sliceValue) Get() interface{} { return []string(*s) }
func (s *sliceValue) String() string { return strings.Join([]string(*s), ",") }

之后可以这么使用：

var languages []string
flag.Var(newSliceValue([]string{}, &languages), "slice", "I like programming `languages`")

这样通过 -slice “go,php” 这样的形式传递参数，languages 得到的就是 [go, php]。

flag 中对 Duration 这种非基本类型的支持，使用的就是类似这样的方式。

解析 flag

在所有的 flag 定义完成之后，可以通过调用 flag.Parse() 进行解析。

命令行 flag 的语法有如下三种形式：

-flag // 只支持 bool 类型
-flag=x
-flag x // 只支持非 bool 类型

其中第三种形式只能用于非 bool 类型的 flag，原因是：如果支持，那么对于这样的命令 cmd -x *，如果有一个文件名字是：0 或 false 等，则命令的原意会改变（之所以这样，是因为 bool 类型支持 -flag 这种形式，如果 bool 类型不支持 -flag 这种形式，则 bool 类型可以和其他类型一样处理。也正因为这样，Parse() 中，对 bool 类型进行了特殊处理）。默认的，提供了 -flag，则对应的值为 true，否则为 flag.Bool/BoolVar 中指定的默认值；如果希望显示设置为 false 则使用 -flag=false。

int 类型可以是十进制、十六进制、八进制甚至是负数；bool 类型可以是 1, 0, t, f, true, false, TRUE, FALSE, True, False。Duration 可以接受任何 time.ParseDuration 能解析的类型。

flag 包的类型和函数

在看类型和函数之前，先看一下变量。

ErrHelp：该错误类型用于当命令行指定了 -help 参数但没有定义时。

Usage：这是一个函数，用于输出所有定义了的命令行参数和帮助信息（usage message）。一般，当命令行参数解析出错时，该函数会被调用。我们可以指定自己的 Usage 函数，即：flag.Usage = func(){}

flag 包的函数

go 标准库中，经常这么做：

定义了一个类型，提供了很多方法；为了方便使用，会实例化一个该类型的实例（通用），这样便可以直接使用该实例调用方法。比如：encoding/base64 中提供了 StdEncoding 和 URLEncoding 实例，使用时：base64.StdEncoding.Encode()

在 flag 包使用了有类似的方法，比如 CommandLine 实例，只不过 flag 进行了进一步封装：将 FlagSet 的方法都重新定义了一遍，也就是提供了一序列函数，而函数中只是简单的调用已经实例化好了的 FlagSet 实例：CommandLine 的方法。这样，使用者是这么调用：flag.Parse() 而不是 flag. CommandLine.Parse()。（Go 1.2 起，将 CommandLine 导出，之前是非导出的）

这里不详细介绍各个函数，在类型方法中介绍。

flag 包的4种类型（数据结构）

1. ErrorHandling
   该类型定义了在参数解析出错时错误处理方式。

   type ErrorHandling int

   定义了该类型的三个常量：

   const (
    ContinueOnError ErrorHandling = iota
    ExitOnError
    PanicOnError
   )

   三个常量在源码的 FlagSet 的方法 parseOne() 中使用了。

2. Flag

   // A Flag represents the state of a flag.
   type Flag struct {
    Name     string // name as it appears on command line
    Usage    string // help message
    Value    Value  // value as set
    DefValue string // default value (as text); for usage message
   }

   Flag 类型代表一个 flag 的状态。
   比如，对于命令：./nginx -c /etc/nginx.conf，相应代码是：

   flag.StringVar(&c, "c", "conf/nginx.conf", "set configuration `file`")

   则该 Flag 实例（可以通过 flag.Lookup(“c”) 获得）相应各个字段的值为：

   &Flag{
    Name: c,
    Usage: set configuration file,
    Value: /etc/nginx.conf,
    DefValue: conf/nginx.conf,
   }

3. FlagSet
   FlagSet 类型 可以被理解为 flag 集合体，该类型是 flag 的主要类型。

   // A FlagSet represents a set of defined flags.
   type FlagSet struct {
    // Usage is the function called when an error occurs while parsing flags.
    // The field is a function (not a method) that may be changed to point to
    // a custom error handler.
    Usage func()
    name string // FlagSet 的名字。CommandLine 给的是 os.Args[0]
    parsed bool // 是否执行过 Parse()
    actual map[string]*Flag // 存放实际传递了的参数（即命令行参数）
    formal map[string]*Flag // 存放所有已定义命令行参数
    args []string // arguments after flags // 开始存放所有参数，最后保留 非 flag（non-flag）参数
    exitOnError bool // does the program exit if there is an error?
    errorHandling ErrorHandling // 当解析出错时，处理错误的方式
    output io.Writer // nil means stderr; use out() accessor
   }

4. Value 接口(interface)

   // Value is the interface to the dynamic value stored in a flag.
   // (The default value is represented as a string.)
   type Value interface {
    String() string
    Set(string) error
   }

   所有参数类型需要实现 Value 接口，flag 包中，为 int、float、bool 等实现了该接口。借助该接口，我们可以自定义 flag。（上文已经给了具体的例子）

要说上面4种类型中，最重要的是 flag 包中的 FlagSet 类型，下面我们就继续看看 FlagSet 类型吧。

FlagSet 类型对应的一些方法（包括类型实例化）

实例化方式的定义 FlagSet 类型 ★★★

NewFlagSet() 用于实例化 FlagSet类型，即在实例化的同时定义了该类型。

实例化原型:

//name : 用来指定新实例化的 FlagSet 类型的名字;
//         该名字的作用可以在帮助或错误信息时被打印出来，方便定位。
//errorHanding: 用于指定处理异常错误的情况处理，其内置提供以下三种模式：
//    const (
//    // 返回错误描述
//    ContinueOnError ErrorHandling = iota 
//    // 调用 os.Exit(2) 退出程序
//    ExitOnError
//    // 调用 panic 语句抛出错误异常
//    PanicOnError
//)
func NewFlagSet(name string, errorHandling ErrorHandling) *FlagSet {
    f := &FlagSet{
        name:          name,
        errorHandling: errorHandling,
    }
    f.Usage = f.defaultUsage
    return f
}

预定义的 FlagSet 实例 CommandLine 的定义方式为：

// The default set of command-line flags, parsed from os.Args.
//实例化一个 名字为 os.Args[0] 的 FlagSet类型变量，将该实例化后的对象给 CommandLine 。
var CommandLine = NewFlagSet(os.Args[0], ExitOnError)

可见，默认的 FlagSet 实例在解析出错时会退出程序。

由于 FlagSet 中的字段没有 export，其他方式获得 FlagSet 实例后，比如：FlagSet{} 或 new(FlagSet)，应该调用 Init() 方法，以初始化 name 和 errorHandling，否则 name 为空，errorHandling 为 ContinueOnError。

定义 flag 参数的方法

这一序列的方法都有两种形式，在一开始已经说了两种方式的区别。
这些方法用于定义某一类型的 flag 参数。

在方法调用时,通过参数的形式解析时可使用 .Parse()方法

Parse()方法的原型：

//arguments 参数：不包括命令名，即应该是 os.Args[1:] 。
func (f *FlagSet) Parse(arguments []string) error

该方法用来从参数列表 arguments 中解析定义的 flag 。

事实上，flag.Parse() 函数就是这么做的：

// Parse parses the command-line flags from os.Args[1:].  Must be called
// after all flags are defined and before flags are accessed by the program.
func Parse() {
    // Ignore errors; CommandLine is set for ExitOnError.
    CommandLine.Parse(os.Args[1:])
}

注意：该方法应该在 flag 参数定义后，且具体参数值被访问前调用。

如果提供了 -help 参数（命令中给了）但没有定义（代码中没有），该方法返回 ErrHelp 错误。默认的 CommandLine，在 Parse 出错时会退出程序（ExitOnError）。

为了更深入的理解，我们看一下 Parse(arguments []string) 的源码：

func (f *FlagSet) Parse(arguments []string) error {
    f.parsed = true
    f.args = arguments
    for {
        seen, err := f.parseOne()
        if seen {
            continue
        }
        if err == nil {
            break
        }
        switch f.errorHandling {
        case ContinueOnError:
            return err
        case ExitOnError:
            os.Exit(2)
        case PanicOnError:
            panic(err)
        }
    }
    return nil
}

真正解析参数的方法是非导出方法 parseOne。

结合 parseOne 方法，我们来解释 non-flag 以及包文档中的这句话：

Flag parsing stops just before the first non-flag argument (“-“ is a non-flag argument) or after the terminator “—“.

我们需要了解解析什么时候停止。

根据 Parse() 中 for 循环终止的条件（不考虑解析出错），我们知道，当 parseOne 返回 false, nil 时，Parse 解析终止。正常解析完成我们不考虑。看一下 parseOne 的源码发现，有两处会返回 false, nil。

1）第一个 non-flag 参数

s := f.args[0]
if len(s) == 0 || s[0] != '-' || len(s) == 1 {
    return false, nil
}

也就是，当遇到单独的一个 “-“ 或不是 “-“ 开始时，会停止解析。比如：

./nginx - -c 或 ./nginx build -c

这两种情况，-c 都不会被正确解析。像该例子中的 “-“ 或 build（以及之后的参数），我们称之为 non-flag 参数。

2）两个连续的 --

if s[1] == '-' {
    num_minuses++
    if len(s) == 2 { // "--" terminates the flags
        f.args = f.args[1:]
        return false, nil
    }
}

也就是，当遇到连续的两个 -- 时，解析停止。

说明：这里说的 - 和 --，位置和 -c 这种的一样。也就是说，下面这种情况并不是这里说的：

./nginx -c --

这里的 -- 会被当成是 c 的值。

parseOne 方法中接下来是处理 -flag=x 这种形式，然后是 -flag 这种形式（bool 类型）（这里对 bool 进行了特殊处理），接着是 -flag x 这种形式，最后，将解析成功的 Flag 实例存入 FlagSet 的 actual map 中。

另外，在 parseOne 中有这么一句：

f.args = f.args[1:]

也就是说，每执行成功一次 parseOne，f.args 会少一个。所以，FlagSet 中的 args 最后留下来的就是所有 non-flag 参数。

Arg(i int) 和 Args()、NArg()、NFlag()

Arg(i int) 和 Args() 这两个方法就是获取 non-flag 参数的；NArg() 获得 non-flag 的个数；NFlag() 获得 FlagSet 中 actual 长度（即被设置了的参数个数）。

Visit/VisitAll

这两个函数分别用于访问 FlatSet 的 actual 和 formal 中的 Flag，而具体的访问方式由调用者决定。

PrintDefaults()

打印所有已定义参数的默认值（调用 VisitAll 实现），默认输出到标准错误，除非指定了 FlagSet 的 output（通过 SetOutput() 设置）

Set(name, value string)

设置某个 flag 的值（通过 name 查找到对应的 Flag）

总结

使用建议：虽然上面讲了那么多，一般来说，我们只简单的定义 flag，然后 parse，就如同开始的例子一样。

如果项目需要复杂或更高级的命令行解析方式，可以使用 https://github.com/urfave/cli 或者 https://github.com/spf13/cobra 这两个强大的库。