C语言 I/O 函数

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。

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ijxy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。
  • %ffloat类型浮点数。
  • %lfdouble类型浮点数。
  • %Lflong 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ij

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()putchar()这两个函数的用法,要比scanf()printf()更简单,而且通常是用宏来实现,所以要比scanf()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()

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文章名称:C语言 I/O 函数
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