22. C语言 输入与输出详解

前言

在编程中，输入与输出（I/O）是与用户交互的最基本方式之一。C语言作为一种面向过程的语言，其标准库提供了一系列的函数来帮助我们从键盘读取数据和将数据输出到屏幕或文件中。理解这些输入输出操作的机制对于编写高效、健壮的程序至关重要。本文将详细探讨C语言中的输入输出函数，并给出一些实际的代码示例及技巧，帮助你深入理解输入输出的工作原理。

1. 输入输出的基础概念

1.1 标准输入输出流

C语言将所有的外部设备（包括键盘、屏幕、文件等）都看作文件。因此，C语言的输入输出操作实际上是通过文件流（file streams）来实现的。标准库中为我们提供了三个标准流，这些流在程序启动时自动打开：

• 标准输入（stdin）：通常连接到键盘，接受用户输入。
• 标准输出（stdout）：通常连接到屏幕，用于输出程序结果。
• 标准错误（stderr）：通常连接到屏幕，专门用于输出错误信息。

在C语言中，文件指针是访问这些流的句柄。程序通过这些文件指针与外部设备进行交互。

1.2 输入输出函数

C语言提供了多个函数来实现输入输出操作，其中最常用的两个函数是 printf() 和 scanf()。

• printf()：用于格式化输出，将数据打印到屏幕。
• scanf()：用于格式化输入，从键盘读取数据。

这两个函数都支持格式化操作，允许程序员指定数据的显示或读取方式。

2. 格式化输出与输入

2.1 使用 printf() 进行输出

printf() 函数是C语言中最常用的输出函数。它允许你以多种格式将数据输出到标准输出流（通常是屏幕）。它的基本语法如下：

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

其中，format 是一个包含格式控制的字符串，可以包括普通文本和格式占位符（例如 %d、%f 等），这些占位符用于指定输出的变量类型。

示例 1: 输出字符串

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello, C World!\n");
    return 0;
}

输出：

Hello, C World!

示例 2: 输出整数

#include <stdio.h>

int main() {
    int number = 42;
    printf("The number is: %d\n", number);
    return 0;
}

输出：

The number is: 42

在这个例子中，%d 是格式说明符，用来输出一个整数类型的变量。

示例 3: 输出浮点数

#include <stdio.h>

int main() {
    float pi = 3.14159;
    printf("Pi is approximately: %.2f\n", pi);
    return 0;
}

输出：

Pi is approximately: 3.14

2.2 使用 scanf() 进行输入

scanf() 函数用于从标准输入流（通常是键盘）读取数据，并将其存储到变量中。它的基本语法如下：

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

示例 4: 读取整数和字符

#include <stdio.h>

int main() {
    int number;
    char character;
    printf("Enter an integer and a character: ");
    scanf("%d%c", &number, &character);
    printf("You entered: %d and %c\n", number, character);
    return 0;
}

问题：为什么读取字符时会有问题？

当你运行上述代码时，输入格式如 5a 可能会导致不符合预期的结果。问题出在scanf()函数中，读取整数后，scanf()并不会清空输入缓冲区，换行符或空格可能会被意外读取为字符。因此，字符变量character会接收到一个额外的换行符（\n）。

改进方案：使用getchar()清理缓冲区

为了解决这个问题，可以使用getchar()来读取并清除输入缓冲区中的换行符或空格：

#include <stdio.h>

int main() {
    int number;
    char character;
    printf("Enter an integer and a character: ");
    scanf("%d", &number);
    while ((character = getchar()) == ' ' || character == '\n');  // 清理缓冲区
    scanf("%c", &character);  // 正常读取字符
    printf("You entered: %d and %c\n", number, character);
    return 0;
}

这样做可以确保在读取字符时没有意外的换行符或空格。

使用 scanf() 读取字符串

#include <stdio.h>

int main() {
    char name[50];
    printf("Enter your name: ");
    scanf("%s", name);  // 不会读取空格后的部分
    printf("Hello, %s!\n", name);
    return 0;
}

输出：

Enter your name: Alice
Hello, Alice!

需要注意的是，scanf("%s", name) 会在遇到空格时停止读取，因此只能读取一个单词。如果你需要读取包含空格的整行文本，可以使用 fgets()。

3. 其他输入输出函数

3.1 getchar() 和 putchar()

• getchar()：从标准输入流中读取下一个字符，并返回该字符的ASCII值。
• putchar()：将一个字符输出到标准输出流。

示例 5: 使用 getchar() 和 putchar()

#include <stdio.h>

int main() {
    char c;
    printf("Enter a character: ");
    c = getchar();
    printf("You entered: ");
    putchar(c);
    printf("\n");
    return 0;
}

输出：

Enter a character: A
You entered: A

3.2 gets() 和 puts()

• gets()：读取一行文本（包括空格）直到遇到换行符为止。（已废弃）
• puts()：输出一个字符串并自动添加换行符。

示例 6: 使用 gets() 和 puts()

#include <stdio.h>

int main() {
    char str[100];
    printf("Enter a string: ");
    gets(str);  // 注意：此函数已被废弃，不推荐使用
    puts("You entered:");
    puts(str);
    return 0;
}

输出：

Enter a string: Hello World
You entered:
Hello World

3.3 更安全的替代方法：fgets()

由于 gets() 存在安全隐患（无法防止缓冲区溢出），建议使用 fgets() 替代它。

#include <stdio.h>

int main() {
    char str[100];
    printf("Enter a string: ");
    fgets(str, sizeof(str), stdin);  // 安全读取一行输入
    printf("You entered: ");
    puts(str);
    return 0;
}

总结

• 使用 scanf() 时要小心缓冲区问题，例如处理换行符和空格时。可以通过使用 getchar() 或 scanf() 格式控制来避免这些问题。
• 避免使用 gets()，因为它无法防止缓冲区溢出。推荐使用 fgets() 作为替代方案。
• 理解格式化输入输出的工作原理，如 %d、%f、%s 等格式符，能帮助你更精确地控制输入输出。

通过掌握这些输入输出的技巧，你可以编写更加健壮、易用的程序，避免一些常见的错误和安全隐患。希望本文能为你提供清晰的理解，并帮助你在C语言的学习旅程中走得更远。