# I/O 函数 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。 ```c 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。 ```c 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。 ```c 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。 ```c 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。 ```c 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。 ```c 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。 ```c 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。 ```c 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。 ```c 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。 ```c 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`。 ```c 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。 ```c 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。 ```c 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。 ```c 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`。 ```c 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`。 ```c 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。 ```c 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()`。