C语言：字符（串）的输入和输出

1. 文件类型FILE及其指针FILE *

C语言程序把输入和输出看作是字节流，对于面向文本的程序，每个字节代表一个字符。文件类型type FILE对象包含控制流的信息¹：指向缓存的指针、位置指示器（缓存中当前字符位置）和状态指示器（是否正在读或写文件、是否出现错误或EOF等等）。包括头文件或后，自动创建三个文件类型FILE的对象，相应指针FILE *分别是stdin（标准输入流standard input stream）、stdout（标准输出流standard output stream）和stderr（标准错误流standard error stream），都是常量constant，无法直接赋值。通常，stdin与键盘相连，stdout和stderr与屏幕相连，但是也可以把它们重定向到文件或者管道（见下文重定向标准输入和输出流）。

FILE * fopen (const char * filename, const char * mode);
FILE * freopen (const char * filename, const char * mode, FILE * stream);
int fclose (FILE * stream);

除了程序开始时自动创建的三个文件类型对象，也可以使用头文件中的fopen函数创建需要的文件类型对象。根据fopen函数原型，其第一个参数是文件名，第二个参数是文件访问模式，返回值是一个指向文件类型对象的指针（空指针NULL代表打开失败）。

C string	模式
“r”	读
“w”	写
“a”	附加
“r+”	读和更新
“w+”	写和更新
“a+”	附加和更新

fopen函数按照文件访问模式打开文件，并将该文件与一个流联系起来。在未来的操作中，该流可以通过返回的文件类型指针来辨认。流充当着程序端与文件端之间的媒介，连接二者。文件端可以是文件，也可以是装置，比如键盘和屏幕。相应地，可以通过fclose函数关闭与传入文件类型指针相关联的文件，并将流与文件和所有相关联的缓存分离，清空所有缓存。分离后，该流FILE *还可以通过freopen函数重新被使用去打开（其他）文件或者改变文件访问模式。代码示例如下：

#include 

int main(int argc, char const *argv[]) {
    FILE * pfile = fopen("1.txt", "r");     // open file 1.txt
    if (pfile != NULL) {
        printf("fopen succeeded.\n");
    } else {
        printf("fopen failed.\n");
    }

    int n = 13;
    char a[n];
    fgets(a, n, pfile); // read n-1 characters from pfile stream
    // 1.txt only contains one line: hello, world\n
    printf("%s\n", a);
    fclose(pfile);      // close file 1.txt
    
    freopen("1.txt", "a", stdout); 	// redirect stdout to file 1.txt
                                    // and in append mode
    printf("This sentence is redirected to a file.\n");
    // append to 1.txt, instead of display
    fclose(stdout);
    return 0;
}

Shell命令和输出

user@Laptop C I/O % clang freopen.c
user@Laptop C I/O % cat 1.txt
hello, world
user@Laptop C I/O % ./a.out
fopen succeeded.
hello, world
user@Laptop C I/O % cat 1.txt
hello, world
This sentence is redirected to a file.

2. 字符的输入与输出

字符的输入和输出有如下（代码片段示例）三种²，其中getchar和putchar默认使用stdin和stdout，具体实现方式可能是函数也可能是宏指令（macro）；其余两种增加了一个参数FILE * stream，可以传入具体想利用的输入输出流，二者基本等价，除了getc和putc也可能像getchar和putchar一样是宏指令。如果出现错误，返回EOF（end of file）。EOF是一个宏定义的int类型的负整常数（符号常量），一般为-1，除了真实的文件末尾，还可以通过键盘模拟，比如DOS和Windows使用Ctrl+Z和UNIX使用Ctrl+D。

#include 	// in C
#include 	// in C++

// use stdin and stdout
int getchar(void);
int putchar(int character);

// pass in stream to read from and write to
int getc(FILE * stream);
int putc(int character, FILE * stream);
int fgetc(FILE * stream);
int fputc(int character, FILE * stream);

3. 字符串的输入和输出

// use stdin and stdout
char * gets(char * str);
int puts(const char * str);

// specify stream to read from and write to
char * fgets(char * str, int num, FILE * stream);
int fputs(const char * str, FILE * stream);

字符串的输入和输出有以上两种：

1. 输入函数返回char *指针，返回NULL表示出现错误；
2. 输出函数返回int型整数，非负代表成功，EOF表示出错；
3. 第二种比第一种多一个参数流FILE *；
4. fgets还比gets多一个整型int参数，表示最多读取num-1个字符，末尾再添加无效字符'\0'；
5. 而gets没有指明字符串大小，可能导致缓存溢出，是不安全的；
6. gets遇到换行符（newline character）或者EOF停止，无论哪个先发生；
7. fgets遇到换行符'\n'（newline character）、EOF或者已经读了num-1个字符停止，无论哪个先发生；
8. gets不包括末尾换行符，puts添加一个换行符，而fgets和fputs相反。

#include 
#include 

int main(int argc, char const *argv[]) {
    int n = 16;
    char a[n];
    gets(a);    // keyboard input: hello, world\n
    printf("strlen(a): %lu\n", strlen(a)); // without ending '\n'
    puts(a);    // add '\n' at end
    printf("%s", a);    // without '\n' at end
    printf("newline\n");
    return 0;
}

Shell命令和输出：C警告gets不安全

user@Laptop C I/O % clang -std=c11 -Wall ctest.c
user@Laptop C I/O % ./a.out               
warning: this program uses gets(), which is unsafe.
hello, world				// keyboard input
strlen(a): 12
hello, world
hello, worldnewline

#include 
#include 

int main(int argc, char const *argv[]) {
    FILE * pfileI = fopen("1.txt", "r");
    // 1.txt contains only one line: hello, world\n
    FILE * pfileO = fopen("2.txt", "w");
    int n = 16;
    char a[n];
    fgets(a, n, pfileI);
    printf("strlen(a): %lu\n", strlen(a)); // with ending '\n'
    fputs(a, pfileO);
    printf("%s", a);    // with ending '\n'
    printf("newline\n");
    return 0;
}

输出（gets和puts）

strlen(a): 13
hello, world
newline

4. 格式化输入和输出

三种格式化输入和输出对应三种输入源和输出目的地：

1. 标准输入和输出流
2. 字符串
3. 流FILE *

#include   // in C
#include    // in C++

// read from stdin and write to stdout
int scanf(const char * format, arg1, arg2, ...);
int printf(const char * format, arg1, arg2, ...);

// read from str and write to str
int sscanf(const char * str, const char * format, arg1, arg2, ...);
int sprintf(char * str, const char * format, arg1, arg2, ...);

// read from stream and write to stream
int fscanf(FILE * stream, const char * format, arg1, arg2, ...);
int fprintf(FILE * stream, const char * format, arg1, arg2, ...);

格式化输入函数按照format的所指示的规格解读从输入源读取的字符，并将其写入剩余参数arg1, arg2, ...（都是指针，即地址），返回成功匹配并赋值的项目个数。格式化输出函数在format的控制下转化、格式化并向输出目的地输出剩余参数，返回打印的字符个数。

格式化输入函数的格式format字符串可以分为三种字符：

1. 空白字符（whitespace character）：空格符、制表符和换行符（space、tab、newline）。读取并忽略空白字符，直到遇到下一个非空白字符。如果流中有多个连续的空白字符，格式中有一个空白字符即可。
2. 格式说明符，以百分号%开头。
3. 除了格式说明符外的非空白字符，需要与流中字符匹配，然后丢弃，继续读取字符。

与格式化输入函数的格式参数相比，格式化输出函数的格式字符串只分为两种字符：

1. 格式说明符，以百分号%开头。
2. 非格式说明符，原样输出。

#include 

int main(int argc, char const *argv[]) {
    /* code */
    freopen("1.txt", "r", stdin);
    int a = 0;
    int b = 0;
    int c = 0;
    scanf("%d%d %d", &a, &b, &c);
    printf("%d\n", a - b - c);
    int year = 0;
    int month = 0;
    int day = 0;
    scanf("%d%d-%d", &year, &month, &day);
    printf("%d:%d:%d\n", year, month, day);
    return 0;
}

文本文件"1.txt"

1
        2       // preceding tabs
  3             // preceding spaces
2021-02-15

输出

-4
2021:-2:15

当输入格式说明符为%s（输入字符串）时，遇到第一个空白字符停止（无论字符数组的大小），并在末尾添加无效字符'\0'。（代码示例见5. 命令行重定向输入输出流）

5. 命令行重定向输入输出流

在Shell命令行，使用./a.out < input.txt > output.txt，意思是将input.txt作为输入源，将output.txt作为输出目的地。

#include 
#include 

int main(int argc, char const *argv[]) {
    /* code */
    int n = 5;
    char a[n];
    scanf("%s", a);
    printf("%s\n", a);
    printf("strlen(a): %lu\n", strlen(a));
    return 0;
}

Shell命令

user@Laptop C I/O % clang -std=c11 -Wall clt_redirection.c 
user@Laptop C I/O % ./a.out < 1.txt > 2.txt

文本文件"1.txt"

hello, world

文本文件"2.txt"（初始为空）

hello,
strlen(a): 6

字符数组大小是5个字符，但是实际读取了6个字符strlen(a): 6，实际需要字符数组大小为7（加上末尾的无效字符）。

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1. www.cplusplus.com ↩︎

2. The C Programming Language 2nd Edition by K & R (ANSI C) ↩︎