Ch1. Program Structure

对应 PDF 物理页 18-49（印刷页 1-32）。本章是 C 程序”由函数拼装”的全景图：函数、main、汇编、控制流、命令行参数、变长参数。是后续 7 章的入口。

§1 章节概述

C 是”由函数拼装”的过程式语言——程序 = 多个函数 + 唯一的 main。函数有声明（interface，无 body，以分号结尾）和定义（implementation，带 body）之分；声明可重复，定义必须唯一。
main 是程序入口——必须 int main（或带 argc/argv），返回 0/EXIT_SUCCESS 给 exec 系函数。C 风格：orthodox C（无嵌套函数定义，注释只用 /* */），本书为可移植性坚持 orthodox。
C 函数 = 汇编可调用块（callable block）——汇编没有”函数”，只有带 label 的 routine；参数传递通过 CPU 寄存器（x86-64 System V ABI：第 1 整数参数放 %rdi，返回值放 %rax）。gcc -O1 -S hi.c 即可生成 AT&T 语法汇编。
预处理 → 编译 → 汇编 → 链接四阶段——gcc --save-temps net.c 同时保存 .i / .s / .o，便于逐步定位。
命令行参数 int main(int argc, char* argv[])——argc ≥ 1（argv[0] 是可执行文件名），argv 实际是 char**（指向指针数组的指针）。所有参数按字符串传入，需自己转 atoi/strtol。
控制流三类：test（?: / if-else / switch）、loop（while / do-while / for）、call。break 只能跳出一层循环；switch 的 case 一旦命中若无 break 会顺序贯穿到下一个 case（高危点）。
call frame = 寄存器 + 栈——被调函数用 %rdi/%rsi/... 收参，用 %rax 返回；call 压返回地址，ret 弹出。栈是 scratchpad，由系统自动管理。
变长参数 <stdarg.h>——va_list / va_start(ap, last) / va_arg(ap, T) / va_end(ap) 四件套；调用方必须自己传 count 或 sentinel（典型：printf 用格式串、syscall 用 SYS_* 编号），否则 va_arg 越界即 UB。

§2 核心 Takeaways

T1 — 声明（prototype）vs 定义（definition）不是一回事

是什么：声明 = int add2(int, int);（分号结尾、无 body），描述调用约定；定义 = 同样签名但带 { ... }，是函数实现。声明可重复，定义只能一次。
为什么重要：跨文件调用时，编译器看到声明才能检查实参/形参类型匹配。没有声明 的话，C89 之前编译器默认 extern int func()（未声明参数类型），所有实参走默认提升——经典”传 int 实参当 double 用”坑。
解决什么：C 头文件（.h）的天然用途就是装声明，.c 文件装定义。
适用场景：任何超过 1 个 .c 文件的项目；任何用别人库（#include <stdio.h>）的代码。

T2 — `int main` 不是装饰，`return 0` 会被 exec 系函数收走

是什么：main 返回的 int 是给 OS 的 exit code。0 = 成功，非 0 = 失败（shell 里 $? 可读）。
为什么重要：CI/CD、systemd、init 脚本都靠这个数字判定”是否成功”。C99 之后省略 return 隐式 return 0，但显式写更可读、更稳。
解决什么：让脚本能 if ./myprog; then ...; fi，让 make 在失败时停止链。
适用场景：CLI 工具、daemon、任何会被脚本/systemd 调用的程序。嵌入式/裸 metal 上 main 通常 void + 死循环——这是惯例，不是 C 强制。

T3 — 汇编能帮你看穿 C 的”魔法”

是什么：gcc -O1 -S hi.c 输出 hi.s（AT&T 语法：源在前目标在后、%eax 是寄存器前缀、movl $0, %eax 中 l = 32-bit longword）。
为什么重要：函数调用约定、栈布局、寄存器传参——这些 C 教科书只讲”是什么”，汇编直接展示”怎么实现”。调 bug 看到”为啥这个指针变 NULL 了”，gdb 一回溯看到 call frame 立刻明白。
解决什么：性能优化（看编译器到底生成了啥）、gdb 反汇编、跨语言 FFI（Rust/C++ 调 C 库要知道 calling convention）。
适用场景：性能敏感的循环/数据通路、与汇编/FPGA IP 核对接的嵌入式代码、glibc/syscall 调试。

T4 — `switch` 的 `case` 缺 `break` = 隐式 fallthrough

是什么：进入 case 0: 后若无 break，会按顺序继续执行 case 1:、case 2: 的语句，直到遇到 break 或 switch 结束。本书 ch1.6 用 case 0: 故意不带 break 来演示这个机制。
为什么重要：这是 C 里”看起来对、运行错”最高发的 bug 之一。Linux kernel 用 -Wimplicit-fallthrough 显式标 fallthrough; 注释来压制告警。MISRA-C 直接禁用。
解决什么：每个 case 末尾都加 break；多 case 共用一段代码时显式标 /* fall through */。
适用场景：状态机里多个状态相同处理是合理用法，否则一律加 break；-Wimplicit-fallthrough=5 在 CI 里开。

T5 — `for(;;)` 是合法的”无限循环”惯用法

是什么：for 的 init/condition/post 三段都可空；for(;;) 等价 while(1)。本书 ch1.6 把它叫”obfuscated version”——能用 while(1) 就别用 for(;;)。
为什么重要：嵌入式裸机 for(;;) { ... } 是惯例（main 返回也无处可返）；Linux kernel 里 for (;;) { ... } 也很常见。
解决什么：需要无限循环的场合（event loop、main loop）。
适用场景：RTOS main 循环、daemon event loop、内核线程入口。

T6 — `va_list` 变长参数的可靠性靠”协议”

是什么：<stdarg.h> 提供 va_list / va_start(ap, last_named) / va_arg(ap, T) / va_end(ap)。但 C 语言不存参数个数——必须靠调用方用某种方式（count、sentinel、format string）告诉被调方”还有几个”。
为什么重要：printf("%d %s", 42) 漏了实参 → va_arg 读栈上垃圾 → 段错误或乱码。syscall(SYS_chmod, "/path", perms) 第一参 SYS_chmod 既是 syscall 编号也充当”协议锚点”。
解决什么：库设计（自己写 log_msg(level, fmt, ...) 这类）、与 syscalls / 底层 API 对接。
适用场景：写日志库、写 format-like 工具、glibc 内部大量使用。裸机禁用——va_list 行为依赖 ABI 实现细节。

T7 — `argc ≥ 1`，不是 0

是什么：argv[0] 总是可执行文件路径（POSIX 保证）。./cline 单独跑 → argc=1；./cline a b → argc=3。
为什么重要：命令行参数解析的标准起点；getopt() / argp 库的合约。
解决什么：CLI 工具的”参数检查”模式 if (argc < 2) { usage(); return EXIT_FAILURE; }。
适用场景：所有 CLI 工具；尤其 ROS2 launch、systemd 单元调用外部程序时。

§3 工程实践视角

3.1 Linux 系统开发视角

gcc --save-temps 是排查编译错误的核武器——net.i（预处理后）能看到所有宏展开，net.s（汇编）能看优化效果，net.o（目标文件）能 nm / objdump。CI 流水线里如果”我的代码过了，发布版本挂了”——先看 -O0 vs -O2 的 .s 差异，90% 是 UB 让优化器”激进”了。
-Wall -Wextra -Werror -Wpedantic 应是任何新项目的最小基线；加上 -Wshadow -Wstrict-prototypes -Wmissing-prototypes，switch 漏 break 会被 -Wimplicit-fallthrough 抓。Linux kernel 还开 -Wno-unused-parameter（回调接口太多）。
man 是 Linux 上标准库的一手文档——man 3 printf 看参数/返回值/线程安全（MT-Safe / MT-Unsafe 标记），man 2 chmod 看 syscall 直接调用。
C 标准 4 阶段管线的”陷阱地图”：预处理（宏、头文件展开）→ 编译（语法/语义）→ 汇编（生成 .o）→ 链接（符号解析）。未声明函数 报的是链接错（implicit declaration warning，行为由 C99 起明确为 UB），不是编译错；头文件多重包含 报的是编译错（redefinition）；库顺序 (gcc main.c -lfoo) 报的是链接错（undefined reference）。这三类错混在一起容易绕。
变长参数在 x86-64 上的实现：System V ABI 把前 6 个整数实参放寄存器（%rdi/%rsi/%rdx/%rcx/%r8/%r9），多的才进栈。va_start 在这种 ABI 上”知道”去寄存器栈保存区读——但这只是 x86-64 的实现，跨平台（ARM、PowerPC）行为不同。这就是为什么 va_list 程序要测在目标架构上。

3.2 机器人软件视角（ROS2 / 嵌入式控制）

ROS2 节点的 main 就是 C 入口——rclcpp::init(argc, argv) 接收的就是 C 的 argc/argv，要在 main 里直接拿。ROS2 client library 用 rcl_ret_t 错误码（不是 errno），返回 0/非 0 同理于 C main 返回值。
rclcpp::Node 的回调函数签名 = C 函数——void callback(const std::shared_ptr<msg::Type>&)，本质是把 C++ 对象当 void* user_data 注入。ch1 讲的”声明/定义分离”在 ROS2 里是头文件 + .cpp 分离的硬约束（ament_cmake 强制）。

机器人控制循环就是 ch1.6 的 for(;;)——典型结构：

int main(int argc, char* argv[]) {
  rclcpp::init(argc, argv);
  auto node = std::make_shared<MyController>();
  rclcpp::spin(node);   // 内部是 while(rclcpp::ok()) { rclcpp::spin_some(); }
  rclcpp::shutdown();
  return 0;
}

rclcpp::spin 内部就是 ch1.7 讲的”call/return 协议”的 RTOS 化实现——回调就是一个 void* + 任意签名的”event handler”。

机械臂/AGV 的实时循环 = while(1) + 周期 sleep——ch1.6 的 while (1) { ...; sleep_until(next); } 模式是 90% 机器人控制器的骨架。clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC) 算时间漂移（PID 控制器最怕 jitter）。
ROS2 launch 文件本质是把 CLI 参数注入节点 main——<node pkg="..." exec="..." args="--rate 100 --topic /cmd_vel" />，对应 ch1.5 的 argv[1..]。getopt 解析的位置参数 vs 命名参数 在 ROS2 里被 ros2 param 替代了。
机器人 SLAM/navigation 节点 vs 实时控制节点——前者可容忍秒级延迟（network pub/sub、消息队列），后者必须 1 kHz。ch5 命名管道 / ch7 共享内存 / 消息队列 的选用就是 ch3+ch5+ch7 的综合题。

3.3 初级 vs 高级工程师对照

习惯	初级	高级
函数位置	所有函数堆一个 `main.c` 2000 行	头文件放声明、`-Wall -Werror`、每个 `.c` < 200 行
入口校验	不检查 `argc`	`if (argc != 2) { fprintf(stderr, "Usage: ...\n"); return EXIT_FAILURE; }`
`switch` 写法	漏 `break`，靠运气	每个 case 末尾 `break`，CI 开 `-Wimplicit-fallthrough=5`
变长参数	`va_arg` 凭感觉	协议锚点（count/sentinel/format），被调方 + 调用方成对维护
编译命令	`gcc foo.c`	`gcc -std=c11 -O2 -Wall -Wextra -Wpedantic -Werror foo.c -o foo`
调试遇错	加 `printf`	`gcc -g -O0` + gdb + `objdump -d` 看汇编

§4 AI 时代视角

4.1 这些知识还重要吗？（2026 年视角）

重要。 这是 C 的”操作系统级基础设施”——所有 C/C++/Rust 编译器、所有 OS kernel、所有数据库、所有高性能中间件（Redis/Nginx/ClickHouse）、所有嵌入式 MCU 固件都依赖 ch1 这套规则。AI 工具箱（PyTorch/TensorFlow 的 C++ 后端、vLLM 的 CUDA C++ runtime、Claude Code 的 Go+Rust 外壳——其中 Go 和 Rust 都要跟 C ABI 对接）也吃这套。

但重要性已从”必须手写”变成”必须能读懂”。 现代工程师的 ch1 日常：

生成代码 = 几乎都靠 AI/LLM 完成
看代码 = 必须能读懂 AI 生成的 C，包括 ch1 全部约定
修代码 = 当 AI 生成”看起来对”的 C 出 bug 时，唯一能快速定位的就是 ch1 这套机制

4.2 AI 现在能做的

✅ 写 ch1 全部 9 个 Listing 的任意变体（add2, hello world, cline, tests, whiling, varArgs）—— 100% 准确
✅ 写 Makefile / CMakeLists.txt / meson.build——ch1 末尾”gcc -o hi hi.c”扩到 build system 毫无难度
✅ 生成”教科书版”控制流——if/else/switch/while/for 都能写
✅ 写规范的 int main(int argc, char* argv[])——绝大多数情况
✅ 解释 C 调用约定——x86-64 System V ABI 烂熟

4.3 AI 经常写错的地方（必看）

错误模式	例子	后果
1. `switch` 漏 `break`	`case 1: puts("a");` 后面没 break	隐式 fallthrough 到 case 2，bug 极难复现
2. `void main()` 滥用	`void main() { return; }`	编译器警告；嵌入式裸机可接受，host 程序是 anti-pattern（AI 不区分语境）
3. 隐式函数声明	调用 `syscall` 忘了 `#include <unistd.h>` 和 `<sys/syscall.h>`	C99 起明确 UB；C23 已删除隐式声明规则；AI 经常漏 include
4. `argv[i]` 不检查 i	`argv[1]` 当字符串直接 `atoi`，没看 `argc`	用户少传参数就段错误
5. `va_arg` 类型不匹配	实际传 `double` 但写 `va_arg(ap, int)`	静默读到垃圾数据；x86-64 上 double 走 XMM 寄存器，int 走通用寄存器，行为更乱
*6. 注释混用 `//` 和 `/ /`*	Kalin 强调 orthodox C 只用 `/* */`；AI 默认 C++ 风	C89 编译器直接挂；混用时 `/` 内的 `/` 还会截断注释
*7. `char` vs `char[]` 模糊*	`int main(int argc, char* argv[])` 写成 `char** argv` 是等价的但 AI 风格不统一	团队代码风格割裂；某些静态分析器会 warn
8. `for(;;)` 死循环内忘记 yield	高频循环里没 `usleep/clock_nanosleep`	单核占满、其他线程饿死；实时系统 deadline miss
9. `main` 返回值乱用	错误路径 `return -1` 而不是 `EXIT_FAILURE`	数字大小平台相关；shell `$?` 在不同 OS 取值范围不同；C 标规定 `unsigned char` 内，-1 会变 255
10. `int g() {...}`（K&R 旧式声明）	老代码风格	C23 已删除 K&R 风格；AI 偶尔会模仿老 Stack Overflow 代码

4.4 工程师必须保留的核心能力

能读 gcc -S 出的汇编——AI 优化错时（UB 让优化器”自由发挥”），只有看汇编能定位。
能 gdb 反汇编 + 调 call frame——AI 写”对”的并发代码出 race 时，必须用 gdb 看线程栈。
能区分 orthodox C vs modern C——维护老 codebase 时这点关键。
能写规范的 .h 头文件（include guards / extern "C" for C++ 兼容）——AI 写头文件时经常漏 include guard。
能在 ch1 全部机制层面跟 AI 协作——“请按 orthodox C 风格写” / “请用 for(;;) 写主循环” / “请在每个 case 末尾加 break”——精确的 ch1 词汇是 prompt 的关键。

4.5 本书后续章节里的 wasm 视角（用户已选需要延伸）

ch8.5 的 WebAssembly 块 —— 实际是把 ch1 的 C main 经 emcc 编译成 wasm，LLVM 后端 把 ch1 全部机制映射到 wasm 字节码。
AI 工具链中 wasm 的角色：Claude Code / Codex 等 CLI agent 的部分 sandbox 机制（QuickJS、Wasmtime）就是用 wasm 跑用户代码——ch1 的 call/return 协议在这里变成 wasm 的 call_indirect / return_call 指令。
可延伸的”AI 视角”问题（ch8 笔记会展开）：wasm 是否能替代 libc 全部？wasm 的”安全内存模型”和 C 的指针算术怎么调和？

§5 实践行动项

A1 — 编译 + 改写 ch1 全部 Listing，亲眼看汇编

mkdir -p /tmp/modern-c/ch01 && cd /tmp/modern-c/ch01
# 1. 写 add2.c（Listing 1-3）
cat > add2.c <<'EOF'
#include <stdio.h>
int add2(int n1, int n2) { return n1 + n2; }
int main() { printf("%i + %i = %i\n", -26, 44, add2(-26, 44)); return 0; }
EOF
gcc -O1 -S add2.c -o -   ## 看汇编
gcc -std=c11 -O2 -Wall -Wextra -Wpedantic -Werror -o add2 add2.c && ./add2

验收：能看到 add2: / main: 标签、%edi / %eax 寄存器名；编译无 warning。

A2 — 用 `-Wimplicit-fallthrough=5` 抓 switch 漏 break

cat > switchbug.c <<'EOF'
#include <stdio.h>
int main(int argc, char** argv) {
    int r = argc - 1;          /* 模拟 */
    switch (r) {
    case 0: puts("zero");
    case 1: puts("one");  /* 故意漏 break */
    case 2: puts("two");  break;
    default: puts("other");
    }
    return 0;
}
EOF
gcc -std=c11 -Wall -Wextra -Wpedantic -Wimplicit-fallthrough=5 -c switchbug.c

验收：编译应报 case 0: ... warning: this statement may fall through；删 break 加 [[fallthrough]];（C23）或 /* fall through */ 注释后警告消失。

A3 — 写带 `argc/argv` 校验的 CLI（防 argv[i] 越界）

cat > cline.c <<'EOF'
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc < 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s <one or more args>\n", argv[0]);
        return EXIT_FAILURE;
    }
    for (int i = 0; i < argc; i++) puts(argv[i]);
    return EXIT_SUCCESS;
}
EOF
gcc -std=c11 -Wall -Wextra -Werror -o cline cline.c
./cline a b c; echo "exit=$?"; ./cline; echo "exit=$?"

验收：缺参数时 exit=1、有参数时 exit=0、argv[0] 始终是 ./cline。

A4 — 用 `va_list` 写一个”加 count 协议”的 `sum` 函数

cat > varargs.c <<'EOF'
#include <stdarg.h>
#include <stdio.h>
double avg(int count, ...) {
    if (count <= 0) return 0.0;
    double sum = 0.0;
    va_list ap;
    va_start(ap, count);
    for (int i = 0; i < count; i++) sum += va_arg(ap, int);
    va_end(ap);
    return sum / count;
}
int main(void) {
    printf("%.2f\n", avg(4, 1, 2, 3, 4));
    printf("%.2f\n", avg(0));   /* 边界 */
    return 0;
}
EOF
gcc -std=c11 -Wall -Wextra -O2 -o varargs varargs.c && ./varargs

验收：avg(4,1,2,3,4)=2.50；avg(0)=0.00；故意 avg(2, 1, 2, 3, 4)（多传一个）会算错——这正是”协议错”的演示。

A5 — 用 `gcc --save-temps` 看 4 阶段产物

cat > net.c <<'EOF'
#include <stdio.h>
#define PI 3.14159
int main() { printf("PI=%f\n", PI); return 0; }
EOF
gcc --save-temps -O1 net.c -o net
ls -la net.*   ## 应有 net.i（预处理）net.s（汇编）net.o（目标）net（可执行）
head -20 net.i ## 看到宏展开、头文件全展开
head -20 net.s ## 看到 AT&T 汇编

验收：能说清 .c → .i → .s → .o → 可执行 各阶段产物；能用 objdump -d net 看到 main 函数汇编。

§6 值得深入思考的问题

声明 vs 定义的边界在哪？ static inline 既是声明也是定义（每个 .c 自己一份），C99/C11 允许这样放宽”一次定义”规则。如果用 static inline + 不同 .c 给同一个 inline 函数不同实现，链接器会怎么选？为什么？
main 能不能递归？ 语法上 int main() { main(); } 合法，运行时栈会无限增长直到段错误。但 fork 之后的子进程里再调 main —— exec 体系下还成立吗？（提示：exec 后 PID 不变还是变？）
AT&T 汇编的”源在前”约定对优化器意味着什么？ Intel 语法是 mov dst, src，AT&T 是 mov src, dst。编译器后端输出哪种语法由谁决定？为什么 Linux 内核和 glibc 默认 AT&T？
switch 的 fallthrough 在状态机里是 feature 还是 bug？ TCP 状态机、SMTP 响应解析、protobuf 字段 tag 状态机——都利用 fallthrough 表达”多个 state 同一处理”。如果用 if-else 链等价改写，会不会破坏可读性？性能有差吗？
for(;;) vs while(1) vs do { } while(1) 编译后真的一样吗？ 写个简单循环，分别用三种写法 + -O2 -S 看汇编。如果汇编完全相同，是不是说”风格选择”纯粹是文化习惯？
变长参数函数的 ABI 稳定性：x86-64 上 va_list 走寄存器+栈保存区，ARM AAPCS64 走完全不同的规则（最多 8 个整型实参寄存器）。如果你的库要给 C/Python/Rust 三种语言做 FFI，va_list 是不是该禁？改用什么？

下一章预告：ch2 Basic Data Types——int 的 2’s complement 假设、integer overflow 的有符号 UB 行为、IEEE 754 浮点的 5 类异常、%lu/%f 的格式化坑。这是 Effective C ch3 (arithmetic types) 的 Kalin 版——重点会放在”嵌入式浮点 vs 主机浮点”的差异、ROS2 节点为什么 costmap 必须用 float 而不是 double（带宽 + GPU 内存）。

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§1 章节概述

§2 核心 Takeaways

T1 — 声明（prototype）vs 定义（definition）不是一回事

T2 — `int main` 不是装饰，`return 0` 会被 exec 系函数收走

T3 — 汇编能帮你看穿 C 的”魔法”

T4 — `switch` 的 `case` 缺 `break` = 隐式 fallthrough

T5 — `for(;;)` 是合法的”无限循环”惯用法

T6 — `va_list` 变长参数的可靠性靠”协议”

T7 — `argc ≥ 1`，不是 0

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3.1 Linux 系统开发视角

3.2 机器人软件视角（ROS2 / 嵌入式控制）

3.3 初级 vs 高级工程师对照

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4.1 这些知识还重要吗？（2026 年视角）

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4.4 工程师必须保留的核心能力

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A1 — 编译 + 改写 ch1 全部 Listing，亲眼看汇编

A2 — 用 `-Wimplicit-fallthrough=5` 抓 switch 漏 break

A3 — 写带 `argc/argv` 校验的 CLI（防 argv[i] 越界）

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T4 — switch 的 case 缺 break = 隐式 fallthrough

T5 — for(;;) 是合法的”无限循环”惯用法

T6 — va_list 变长参数的可靠性靠”协议”

T7 — argc ≥ 1，不是 0

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3.2 机器人软件视角（ROS2 / 嵌入式控制）

3.3 初级 vs 高级工程师对照

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4.1 这些知识还重要吗？（2026 年视角）

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4.5 本书后续章节里的 wasm 视角（用户已选需要延伸）

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A1 — 编译 + 改写 ch1 全部 Listing，亲眼看汇编

A2 — 用 -Wimplicit-fallthrough=5 抓 switch 漏 break

A3 — 写带 argc/argv 校验的 CLI（防 argv[i] 越界）

A4 — 用 va_list 写一个”加 count 协议”的 sum 函数

A5 — 用 gcc --save-temps 看 4 阶段产物

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T4 — `switch` 的 `case` 缺 `break` = 隐式 fallthrough

T5 — `for(;;)` 是合法的”无限循环”惯用法

T6 — `va_list` 变长参数的可靠性靠”协议”

T7 — `argc ≥ 1`，不是 0

A2 — 用 `-Wimplicit-fallthrough=5` 抓 switch 漏 break

A3 — 写带 `argc/argv` 校验的 CLI（防 argv[i] 越界）

A4 — 用 `va_list` 写一个”加 count 协议”的 `sum` 函数

A5 — 用 `gcc --save-temps` 看 4 阶段产物