本文作者:阮一峰
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C 语言提供了一些函数,用于与外部设备通信,称为输入输出函数,简称 I/O 函数。输入(import)指的是获取外部数据,输出(export)指的是向外部传递数据。
缓存和字节流
严格地说,输入输出函数并不是直接与外部设备通信,而是通过缓存(buffer)进行间接通信。这个小节介绍缓存是什么。
普通文件一般都保存在磁盘上面,跟 CPU 相比,磁盘读取或写入数据是一个很慢的操作。所以,程序直接读写磁盘是不可行的,可能每执行一行命令,都必须等半天。C 语言的解决方案,就是只要打开一个文件,就在内存里面为这个文件设置一个缓存区。
程序向文件写入数据时,程序先把数据放入缓存,等到缓存满了,再把里面的数据会一次性写入磁盘文件。这时,缓存区就空了,程序再把新的数据放入缓存,重复整个过程。
程序从文件读取数据时,文件先把一部分数据放到缓存里面,然后程序从缓存获取数据,等到缓存空了,磁盘文件再把新的数据放入缓存,重复整个过程。
内存的读写速度比磁盘快得多,缓存的设计减少了读写磁盘的次数,大大提高了程序的执行效率。另外,一次性移动大块数据,要比多次移动小块数据快得多。
这种读写模式,对于程序来说,就有点像水流(stream),不是一次性读取或写入所有数据,而是一个持续不断的过程。先操作一部分数据,等到缓存吞吐完这部分数据,再操作下一部分数据。这个过程就叫做字节流操作。
由于缓存读完就空了,所以字节流读取都是只能读一次,第二次就读不到了。这跟读取文件很不一样。
C 语言的输入输出函数,凡是涉及读写文件,都是属于字节流操作。输入函数从文件获取数据,操作的是输入流;输出函数向文件写入数据,操作的是输出流。
printf()
printf()
是最常用的输出函数,用于屏幕输出,原型定义在头文件stdio.h
,详见《基本语法》一章。
scanf()
基本用法
scanf()
函数用于读取用户的键盘输入。程序运行到这个语句时,会停下来,等待用户从键盘输入。用户输入数据、按下回车键后,scanf()
就会处理用户的输入,将其存入变量。它的原型定义在头文件stdio.h
。
scanf()
的语法跟printf()
类似。
scanf("%d", &i);
它的第一个参数是一个格式字符串,里面会放置占位符(与printf()
的占位符基本一致),告诉编译器如何解读用户的输入,需要提取的数据是什么类型。这是因为 C 语言的数据都是有类型的,scanf()
必须提前知道用户输入的数据类型,才能处理数据。它的其余参数就是存放用户输入的变量,格式字符串里面有多少个占位符,就有多少个变量。
上面示例中,scanf()
的第一个参数%d
,表示用户输入的应该是一个整数。%d
就是一个占位符,%
是占位符的标志,d
表示整数。第二个参数&i
表示,将用户从键盘输入的整数存入变量i
。
注意,变量前面必须加上&
运算符(指针变量除外),因为scanf()
传递的不是值,而是地址,即将变量i
的地址指向用户输入的值。如果这里的变量是指针变量(比如字符串变量),那就不用加&
运算符。
下面是一次将键盘输入读入多个变量的例子。
scanf("%d%d%f%f", &i, &j, &x, &y);
上面示例中,格式字符串%d%d%f%f
,表示用户输入的前两个是整数,后两个是浮点数,比如1 -20 3.4 -4.0e3
。这四个值依次放入i
、j
、x
、y
四个变量。
scanf()
处理数值占位符时,会自动过滤空白字符,包括空格、制表符、换行符等。所以,用户输入的数据之间,有一个或多个空格不影响scanf()
解读数据。另外,用户使用回车键,将输入分成几行,也不影响解读。
1
-20
3.4
-4.0e3
上面示例中,用户分成四行输入,得到的结果与一行输入是完全一样的。每次按下回车键以后,scanf()
就会开始解读,如果第一行匹配第一个占位符,那么下次按下回车键时,就会从第二个占位符开始解读。
scanf()
处理用户输入的原理是,用户的输入先放入缓存,等到按下回车键后,按照占位符对缓存进行解读。解读用户输入时,会从上一次解读遗留的第一个字符开始,直到读完缓存,或者遇到第一个不符合条件的字符为止。
int x;
float y;
// 用户输入 " -13.45e12# 0"
scanf("%d", &x);
scanf("%f", &y);
上面示例中,scanf()
读取用户输入时,%d
占位符会忽略起首的空格,从-
处开始获取数据,读取到-13
停下来,因为后面的.
不属于整数的有效字符。这就是说,占位符%d
会读到-13
。
第二次调用scanf()
时,就会从上一次停止解读的地方,继续往下读取。这一次读取的首字符是.
,由于对应的占位符是%f
,会读取到.45e12
,这是采用科学计数法的浮点数格式。后面的#
不属于浮点数的有效字符,所以会停在这里。
由于scanf()
可以连续处理多个占位符,所以上面的例子也可以写成下面这样。
scanf("%d%f", &x, &y);
scanf()
的返回值是一个整数,表示成功读取的变量个数。如果没有读取任何项,或者匹配失败,则返回0
。如果读取到文件结尾,则返回常量 EOF。
占位符
scanf()
常用的占位符如下,与printf()
的占位符基本一致。
%c
:字符。%d
:整数。%f
:float
类型浮点数。%lf
:double
类型浮点数。%Lf
:long double
类型浮点数。%s
:字符串。%[]
:在方括号中指定一组匹配的字符(比如%[0-9]
),遇到不在集合之中的字符,匹配将会停止。
上面所有占位符之中,除了%c
以外,都会自动忽略起首的空白字符。%c
不忽略空白字符,总是返回当前第一个字符,无论该字符是否为空格。如果要强制跳过字符前的空白字符,可以写成scanf(" %c", &ch)
,即%c
前加上一个空格,表示跳过零个或多个空白字符。
下面要特别说一下占位符%s
,它其实不能简单地等同于字符串。它的规则是,从当前第一个非空白字符开始读起,直到遇到空白字符(即空格、换行符、制表符等)为止。因为%s
不会包含空白字符,所以无法用来读取多个单词,除非多个%s
一起使用。这也意味着,scanf()
不适合读取可能包含空格的字符串,比如书名或歌曲名。另外,scanf()
遇到%s
占位符,会在字符串变量末尾存储一个空字符\0
。
scanf()
将字符串读入字符数组时,不会检测字符串是否超过了数组长度。所以,储存字符串时,很可能会超过数组的边界,导致预想不到的结果。为了防止这种情况,使用%s
占位符时,应该指定读入字符串的最长长度,即写成%[m]s
,其中的[m]
是一个整数,表示读取字符串的最大长度,后面的字符将被丢弃。
char name[11];
scanf("%10s", name);
上面示例中,name
是一个长度为11的字符数组,scanf()
的占位符%10s
表示最多读取用户输入的10个字符,后面的字符将被丢弃,这样就不会有数组溢出的风险了。
赋值忽略符
有时,用户的输入可能不符合预定的格式。
scanf("%d-%d-%d", &year, &month, &day);
上面示例中,如果用户输入2020-01-01
,就会正确解读出年、月、日。问题是用户可能输入其他格式,比如2020/01/01
,这种情况下,scanf()
解析数据就会失败。
为了避免这种情况,scanf()
提供了一个赋值忽略符(assignment suppression character)*
。只要把*
加在任何占位符的百分号后面,该占位符就不会返回值,解析后将被丢弃。
scanf("%d%*c%d%*c%d", &year, &month, &day);
上面示例中,%*c
就是在占位符的百分号后面,加入了赋值忽略符*
,表示这个占位符没有对应的变量,解读后不必返回。
sscanf()
sscanf()
函数与scanf()
很类似,不同之处是sscanf()
从字符串里面,而不是从用户输入获取数据。它的原型定义在头文件stdio.h
里面。
int sscanf(const char* s, const char* format, ...);
sscanf()
的第一个参数是一个字符串指针,用来从其中获取数据。其他参数都与scanf()
相同。
sscanf()
主要用来处理其他输入函数读入的字符串,从其中提取数据。
fgets(str, sizeof(str), stdin);
sscanf(str, "%d%d", &i, &j);
上面示例中,fgets()
先从标准输入获取了一行数据(fgets()
的介绍详见下一章),存入字符数组str
。然后,sscanf()
再从字符串str
里面提取两个整数,放入变量i
和j
。
sscanf()
的一个好处是,它的数据来源不是流数据,所以可以反复使用,不像scanf()
的数据来源是流数据,只能读取一次。
sscanf()
的返回值是成功赋值的变量的数量,如果提取失败,返回常量 EOF。
getchar(),putchar()
(1)getchar()
getchar()
函数返回用户从键盘输入的一个字符,使用时不带有任何参数。程序运行到这个命令就会暂停,等待用户从键盘输入,等同于使用scanf()
方法读取一个字符。它的原型定义在头文件stdio.h
。
char ch;
ch = getchar();
// 等同于
scanf("%c", &ch);
getchar()
不会忽略起首的空白字符,总是返回当前读取的第一个字符,无论是否为空格。如果读取失败,返回常量 EOF,由于 EOF 通常是-1
,所以返回值的类型要设为 int,而不是 char。
由于getchar()
返回读取的字符,所以可以用在循环条件之中。
while (getchar() != '\n')
;
上面示例中,只有读到的字符等于换行符(\n
),才会退出循环,常用来跳过某行。while
循环的循环体没有任何语句,表示对该行不执行任何操作。
下面的例子是计算某一行的字符长度。
int len = 0;
while(getchar() != '\n')
len++;
上面示例中,getchar()
每读取一个字符,长度变量len
就会加1,直到读取到换行符为止,这时len
就是该行的字符长度。
下面的例子是跳过空格字符。
while ((ch = getchar()) == ' ')
;
上面示例中,结束循环后,变量ch
等于第一个非空格字符。
(2)putchar()
putchar()
函数将它的参数字符输出到屏幕,等同于使用printf()
输出一个字符。它的原型定义在头文件stdio.h
。
putchar(ch);
// 等同于
printf("%c", ch);
操作成功时,putchar()
返回输出的字符,否则返回常量 EOF。
(3)小结
由于getchar()
和putchar()
这两个函数的用法,要比scanf()
和printf()
更简单,而且通常是用宏来实现,所以要比scanf()
和printf()
更快。如果操作单个字符,建议优先使用这两个函数。
puts()
puts()
函数用于将参数字符串显示在屏幕(stdout)上,并且自动在字符串末尾添加换行符。它的原型定义在头文件stdio.h
。
puts("Here are some messages:");
puts("Hello World");
上面示例中,puts()
在屏幕上输出两行内容。
写入成功时,puts()
返回一个非负整数,否则返回常量 EOF。
gets()
gets()
函数以前用于从stdin
读取整行输入,现在已经被废除了,仍然放在这里介绍一下。
该函数读取用户的一行输入,不会跳过起始处的空白字符,直到遇到换行符为止。这个函数会丢弃换行符,将其余字符放入参数变量,并在这些字符的末尾添加一个空字符\0
,使其成为一个字符串。
它经常与puts()
配合使用。
char words[81];
puts("Enter a string, please");
gets(words);
上面示例使用puts()
在屏幕上输出提示,然后使用gets()
获取用户的输入。
由于gets()
获取的字符串,可能超过字符数组变量的最大长度,有安全风险,建议不要使用,改为使用fgets()
。