printf() 详解之终极无惑

编译环境：Linux 环境以 g++ 4.4.6 编译成 64 位程序的执

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1.printf()简介

printf()是C语言标准库函数，用于将格式化后的字符串输出到标准输出。标准输出，即标准输出文件，对应终端的屏幕。printf()申明于头文件stdio.h。

函数原型：

int printf ( const char * format, ... );

返回值：
正确返回输出的字符总数，错误返回负值。与此同时，输入输出流错误标志将被置值，可由指示器函数ferror(FILE *stream)来检查输入输出流的错误标志，如果ferror()返回一个非零值，表示出错。

调用格式：
printf()函数的调用格式为:printf("格式化字符串",输出表列)。

格式化字符串包含三种对象，分别为：
（1）字符串常量；
（2）格式控制字符串；
（3）转义字符。
字符串常量原样输出，在显示中起提示作用。输出表列中给出了各个输出项，要求格式控制字符串和各输出项在数量和类型上应该一一对应。其中格式控制字符串是以%开头的字符串，在%后面跟有各种格式控制符，以说明输出数据的类型、宽度、精度等。

2.格式控制字符串详解

printf的格式控制字符串组成如下：

%[flags][width][.prec][length]type

分别为：

%[标志][最小宽度][.精度][类型长度]类型。

2.1类型（type）

首先说明类型，因为类型是格式控制字符串的重中之重，是必不可少的组成部分，其它的选项都是可选的。type用于规定输出数据的类型，含义如下：

字符	对应数据类型	含义	示例
d/i	int	输出十进制有符号32bits整数，i是老式写法	printf("%i",123);输出123
o	unsigned int	无符号8进制(octal)整数(不输出前缀0)	printf("0%o",123);输出0173
u	unsigned int	无符号10进制整数	printf("%u",123);输出123
x/X	unsigned int	无符号16进制整数，x对应的是abcdef，X对应的是ABCDEF（不输出前缀0x)	printf("0x%x 0x%X",123,123);输出0x7b 0x7B
f/lf	float(double)	单精度浮点数用f,双精度浮点数用lf(printf可混用，但scanf不能混用)	printf("%.9f %.9lf",0.000000123,0.000000123);输出0.000000123 0.000000123。注意指定精度，否则printf默认精确到小数点后六位
F	float(double)	与f格式相同，只不过 infinity 和 nan 输出为大写形式。	例如printf("%f %F %f %F\n",INFINITY,INFINITY,NAN,NAN);输出结果为inf INF nan NAN
e/E	float(double)	科学计数法，使用指数(Exponent)表示浮点数，此处"e"的大小写代表在输出时“e”的大小写	printf("%e %E",0.000000123,0.000000123);输出1.230000e-07 1.230000E-07
g	float(double)	根据数值的长度，选择以最短的方式输出，%f或%e	printf("%g %g",0.000000123,0.123);输出1.23e-07 0.123
G	float(double)	根据数值的长度，选择以最短的方式输出，%f或%E	printf("%G %G",0.000000123,0.123);输出1.23E-07 0.123
c	char	字符型。可以把输入的数字按照ASCII码相应转换为对应的字符	printf("%c\n",64)输出A
s	char*	字符串。输出字符串中的字符直至字符串中的空字符（字符串以空字符’\0‘结尾）	printf("%s","测试test");输出：测试test
S	wchar_t*	宽字符串。输出字符串中的字符直至字符串中的空字符（宽字符串以两个空字符’\0‘结尾）	setlocale(LC_ALL,"zh_CN.UTF-8"); wchar_t wtest[]=L"测试Test"; printf("%S\n",wtest); 输出：测试test
p	void*	以16进制形式输出指针	printf("0x%p","lvlv");输出：0x000000013FF73350
n	int*	什么也不输出。%n对应的参数是一个指向signed int的指针，在此之前输出的字符数将存储到指针所指的位置	int num=0; printf("lvlv%n",&num); printf("num:%d",num); 输出:lvlvnum:4
%	字符%	输出字符‘%’（百分号）本身	printf("%%");输出:%
m	无	打印errno值对应的出错内容	printf("%m\n");
a/A	float(double)	十六进制p计数法输出浮点数，a为小写，A为大写	printf("%a %A",15.15,15.15);输出：0x1.e4ccccccccccdp+3 0X1.E4CCCCCCCCCCDP+3

注意：
（1）使用printf输出宽字符时，需要使用setlocale指定本地化信息并同时指明当前代码的编码方式。除了使用%S，还可以使用%ls。
（2）%a和%A是C99引入的格式化类型，采用十六进制p计数法输出浮点数。p计数法类似E科学计数法，但不同。数以0x开头，然后是16进制浮点数部分，接着是p后面是以 2为底的阶码。以上面输出的15.15为例，推算输出结果。15.15转换成二进制为1111.00 1001 1001 1001 1001 ...，因为二进制表示数值的离散特点，计算机对于小数有时是不能精确表示的，比如0.5可以精确表示为$0.1_2$，而0.15却不能精确表示。将15.15对应的二进制右移三位，为1.1110 0100 1100 1100 1100 ...转换对应的十六进制就是0x1.e4ccccccccccd，注意舍入时向高位进了1位。由于右移三位，所以二进制阶码就是3。最后的结果就是0x1.e4ccccccccccdp+3。

（3）格式控制字符串除了指明输出的数据类型，还可以包含一些其它的可选的格式说明，依序有 flags, width, .precision and length。下面一一讲解。

2.2标志（flags）

flags规定输出样式，取值和含义如下：

字符	名称	说明
-	减号	结果左对齐，右边填空格。默认是右对齐，左边填空格。
+	加号	输出符号(正号或负号)
space	空格	输出值为正时加上空格，为负时加上负号
#	井号	type是o、x、X时，增加前缀0、0x、0X。 type是a、A、e、E、f、g、G时，一定使用小数点。默认的，如果使用.0控制不输出小数部分，则不输出小数点。 type是g、G时，尾部的0保留。
0	数字零	将输出的前面补上0，直到占满指定列宽为止（不可以搭配使用“-”）

示例：

printf("%5d\n",1000); 				//默认右对齐,左边补空格
printf("%-5d\n",1000); 				//左对齐,右边补空格

printf("%+d %+d\n",1000,-1000);		//输出正负号

printf("% d % d\n",1000,-1000);		//正号用空格替代，负号输出

printf("%x %#x\n",1000,1000);		//输出0x

printf("%.0f %#.0f\n",1000.0,1000.0)//当小数点后不输出值时依然输出小数点

printf("%g %#g\n",1000.0,1000.0);	//保留小数点后后的0

printf("%05d\n",1000);				//前面补0

输出结果为：

2.3输出最小宽度（width）

用十进制整数来表示输出的最少位数。若实际位数多于指定的宽度，则按实际位数输出，若实际位数少于定义的宽度则补以空格或0。width的可能取值如下：

width	描述	示例
数值	十进制整数	printf("%06d",1000);输出:001000
*	星号。不显示指明输出最小宽度，而是以星号代替，在printf的输出参数列表中给出	printf("%0*d",6,1000);输出:001000

2.4精度（.precision）

精度格式符以“.”开头，后跟十进制整数。可取值如下：

.precision	描述
.数值	十进制整数。 (1)对于整型（d,i,o,u,x,X）,precision表示输出的最小的数字个数，不足补前导零，超过不截断。 (2)对于浮点型（a, A, e, E, f ），precision表示小数点后数值位数，默认为六位，不足补后置0，超过则截断。 (3)对于类型说明符g或G，表示可输出的最大有效数字。 (4)对于字符串（s），precision表示最大可输出字符数，不足正常输出，超过则截断。 precision不显示指定，则默认为0
.*	以星号代替数值，类似于width中的*，在输出参数列表中指定精度。

示例：

printf("%.8d\n",1000);			//不足指定宽度补前导0，效果等同于%08d
printf("%.8f\n",1000.123456789);//超过精度，截断
printf("%.8f\n",1000.123456);	//不足精度，补后置0
printf("%.8g\n",1000.123456);	//最大有效数字为8位
printf("%.8s\n",“abcdefghij”);	//超过指定长度截断

输出结果：

00001000
1000.12345679
1000.12345600
1000.1235
abcdefgh

注意： 在对浮点数和整数截断时，存在四舍五入。

2.5类型长度（length）

类型长度指明待输出数据的长度。因为相同类型可以有不同的长度，比如整型有 16bits 的 short int，32bits的int，也有 64bits 的 long int，浮点型有32bits的单精度 float 和 64bits 的双精度 double。为了指明同一类型的不同长度，于是乎，类型长度（length）应运而生，成为格式控制字符串的一部分。

因为Markdown表格不支持单元格合并，背景颜色等样式，所以直接引用printf.C++ reference的表格。

注意： 黄色背景行标识的类型长度说明符和相应的数据类型是C99引入的。

示例代码：

printf("%hhd\n",'A');				//输出有符号char
printf("%hhu\n",'A'+128);			//输出无符号char
printf("%hd\n",32767);				//输出有符号短整型short int
printf("%hu\n",65535);				//输出无符号短整型unsigned short int
printf("%ld\n",0x7fffffffffffffff);	//输出有符号长整型long int
printf("%lu\n",0xffffffffffffffff);	//输出有符号长整型unsigned long int

输出结果：

65
193
32767
65535
9223372036854775807
18446744073709551615

注意：
long int到底是32bits还是64bits跟生成的程序是32bits还是64bits一一对应，如果使用g++编译程序的话，可通过-m32或-m64选项分别生成32bits和64bits的程序。因本人测试代码编译生成的是64bits的程序，所以long int也就是64btis。

3.转义字符

转义字符在字符串中会被自动转换为相应操作命令。printf()使用的常见转义字符如下：

转义字符	意义
\a	警报（响铃）符
\b	回退符
\f	换页符
\n	换行符
\r	回车符
\t	横向制表符
\v	纵向制表符
\\	反斜杠
"	双引号

4.关于 printf 缓冲

在 printf 的实现中，在调用 write 之前先写入 IO 缓冲区，这是一个用户空间的缓冲。系统调用是软中断，频繁调用，需要频繁陷入内核态，这样的效率不是很高，而 printf 实际是向用户空间的 IO 缓冲写，在满足条件的情况下才会调用 write 系统调用，减少IO次数，提高效率。

printf 在 glibc 中默认为行缓冲，遇到以下几种情况会刷新缓冲区，输出内容：
（1）缓冲区填满；
（2）写入的字符中有换行符\n或回车符\r；
（3）调用fflush手动刷新缓冲区；
（4）调用scanf要从输入缓冲区中读取数据时，也会将输出缓冲区内的数据刷新。

可使用setbuf(stdout,NULL)关闭行缓冲，或者setbuf(stdout,uBuff)设置新的缓冲区，uBuff为自己指定的缓冲区。也可以使用setvbuf(stdout,NULL,_IOFBF,0);来改变标准输出为全缓冲。全缓冲与行缓冲的区别在于遇到换行符不刷新缓冲区。

printf 在 VC++ 中默认关闭缓冲区，输出时会及时的输到屏幕${}^{[3]}$。如果显示开启缓冲区，只能设置全缓冲。因为微软闭源，所以无法研究 printf 函数的实现源码。

Linux 和 Windows 下的缓冲区管理可见：C的全缓冲、行缓冲和无缓冲。

5.printf与wprintf不能同时使用

该小结写在2018年1月15日。两年后的今日，在网上苦苦搜索寻求答案，终于解决了之前的疑惑。

在输出宽字符串时，发现将printf和wprintf同时使用时，则后使用的函数没有输出。这里建议不要同时使用printf和wprintf，以免发生错误。

printf和wprintf不能同时输出宽字符串的示例代码如下：

#include 
#include 
#include 

int main(int argc,char* argv[])
{
	char test[]="测试Test";
	setlocale(LC_ALL,"zh_CN.UTF-8");
    wchar_t wtest[]=L"0m~K0m~UTest";
	printf("printf:%S\n",wtest);     //语句1：可正常输出"测试Test"
    wprintf(L"wprintf:%S\n",wtest);  //语句2：无任何内容输出
}

上面的代码中语句1和语句二不能同时存在，否则只能正常输出第一个。也不知道在Windows平台是否也存在这种问题，有兴趣的读者可以尝试一下。关于原因，GNU官方文档中有明确说明不能同时使用printf与wprintf，参见The GNU C Library Section 12.6 Streams in Internationalized Applications，内容如下：

It is important to never mix the use of wide and not wide operations on a stream. There are no diagnostics issued. The application behavior will simply be strange or the application will simply crash. 

这里是因为输出流在被创建时，不存在流定向，一旦使用了printf(多字节流)或wprintf(宽字符流)后，就被设置为对应的流定向，且无法更改。可以使用如下函数获取当前输出流的流定向。

//
//@param:stream:文件流；mode：取值可以>0，=0或<0
//@ret:<0:流已被设置为多字节流定向；=0:流尚未被设置；>0:流已被设置为宽字符流定向
//
int fwide (FILE* stream, int mode);

//获取当前标准输出流定向
int ret=fwide(stdout,0);

通过fwide可以设置当前流定向，前提是未有任何的I/O操作，也就是当前流尚未被设置任何流定向。顺带吐槽一下，不知为何标准库函数fwide为何实现的如此受限。具体操作如下：

//设置标准输出流定向为多字节流定向
fwide(stdout,-1);

//设置标准输出流定向为宽字符流定向
fwide(stdout,1);

既然GNU C存在这个问题，那该如何解决呢？这里有两种办法：
（1）统一使用一种函数。
例如：

wprintf(L"%s","a\n");
wprintf(L"b\n");

或

printf("a\n");
printf("%ls\n",L"b");

（2）使用freopen清空流定向。

//重新打开标准输出流，清空流定向
FILE* pFile=freopen("/dev/tty","w",stdout);
wprintf(L"wide freopen succeeded\n");
	
//重新打开标准输出流，清空流定向
pFile=freopen("/dev/tty","w",stdout);
printf("narrow freopen succeeded\n");

上面可以让printf与wprintf同时使用。

6.小结

耗时将近两年，终于完成了此篇看似基础，但却纷繁复杂的printf()用法。由于时间和个人水平有限，文章不足之处在所难免，也请读者批评指正，不甚感激。

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参考文献

[1]浅谈C中的wprintf和宽字符显示
[2]printf.C++ reference
[3]Why does printf not flush after the call unless a newline is in the format string?
[4]格式规范语法：printf 和 wprintf 函数
[5]The GNU C Library Section 12.6 Streams in Internationalized Applications
[6]fwide.C++ reference