I/O 函数/缓存和字节流、占位符、getchar()，putchar()

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()。