C语言入门基础之输入和输出

Posted 2021-06-18 程序员大咖

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作者丨写代码的牛顿

来源丨编程学习总站

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标准输入和标准输出

在C语言里要使用标准输入和标准输出必须包含stdio.h头文件，常用的标准输出和标准输入函数是printf和scanf，其中printf用来在标准输出中输出信息，而函数scanf则用来从标准输入中读取信息。

那么什么是标准输入和标准输出呢？在Linux中进程通常会自动打开三个标准文件，即标准输入文件（stdin）通常对应文件描述符0；标准输出文件（stdout）对应文件描述符1和标准错误输出文件对应文件描述符2（stderr）。进程将从标准输入文件中读取输入数据，将正常输出数据输出到标准输出文件，而将错误信息送到标准错误文件中。

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标准输入函数

在stdio.h中scanf声明如下：

/* Read formatted input from stdin.

   This function is a possible cancellation point and therefore not
   marked with __THROW. */
extern int scanf (const char *__restrict __format, ...) __wur;

使用Mac或Linux的同学，在终端上输入man scanf回车即可学习scanf函数的用法。我们可以看到注释上说明，scanf从标准输入stdin输入读取数据，在glibc中stdin的定义如下：

/*stdio.c*/
FILE *stdin = (FILE *) &_IO_2_1_stdin_;
/*libio.h*/
extern struct _IO_FILE_plus _IO_2_1_stdin_;
/*libioP.h*/
struct _IO_FILE_plus
{
  FILE file;
  const struct _IO_jump_t *vtable;
};

从以上代码我们可以知道，最终stdin是一个FILE文件流指针，我能继续追踪FILE类型为何物。

/*
 * stdio state variables.
 *
 * The following always hold:
 *
 * if (_flags&(__SLBF|__SWR)) == (__SLBF|__SWR),
 * _lbfsize is -_bf._size, else _lbfsize is 0
 * if _flags&__SRD, _w is 0
 * if _flags&__SWR, _r is 0
 *
 * This ensures that the getc and putc macros (or inline functions) never
 * try to write or read from a file that is in `read' or `write' mode.
 * (Moreover, they can, and do, automatically switch from read mode to
 * write mode, and back, on "r+" and "w+" files.)
 *
 * _lbfsize is used only to make the inline line-buffered output stream
 * code as compact as possible.
 *
 * _ub, _up, and _ur are used when ungetc() pushes back more characters
 * than fit in the current _bf, or when ungetc() pushes back a character
 * that does not match the previous one in _bf. When this happens,
 * _ub._base becomes non-nil (i.e., a stream has ungetc() data iff
 * _ub._base!=NULL) and _up and _ur save the current values of _p and _r.
 *
 * NB: see WARNING above before changing the layout of this structure!
 */
typedef  struct __sFILE {
  unsigned char *_p; /* current position in (some) buffer */
  int  _r; /* read space left for getc() */
  int  _w; /* write space left for putc() */
  short  _flags; /* flags, below; this FILE is free if 0 */
  short  _file; /* fileno, if Unix descriptor, else -1 */
  struct  __sbuf _bf;  /* the buffer (at least 1 byte, if !NULL) */
  int  _lbfsize; /* 0 or -_bf._size, for inline putc */

  /* operations */
  void  *_cookie; /* cookie passed to io functions */
  int  (* _Nullable _close)(void *);
  int  (* _Nullable _read) (void *, char *, int);
  fpos_t  (* _Nullable _seek) (void *, fpos_t, int);
  int  (* _Nullable _write)(void *, const char *, int);

  /* separate buffer for long sequences of ungetc() */
  struct  __sbuf _ub;  /* ungetc buffer */
  struct __sFILEX *_extra; /* additions to FILE to not break ABI */
  int  _ur; /* saved _r when _r is counting ungetc data */

  /* tricks to meet minimum requirements even when malloc() fails */
  unsigned char _ubuf[3]; /* guarantee an ungetc() buffer */
  unsigned char _nbuf[1]; /* guarantee a getc() buffer */

  /* separate buffer for fgetln() when line crosses buffer boundary */
  struct  __sbuf _lb;  /* buffer for fgetln() */

  /* Unix stdio files get aligned to block boundaries on fseek() */
  int  _blksize; /* stat.st_blksize (may be != _bf._size) */
  fpos_t  _offset; /* current lseek offset (see WARNING) */
} FILE;

看到这个结构体内部一大堆成员变量不要慌，我们重点关注里面的close、read、seek和write函数指针。我们在调用scanf函数时正是通过这几个函数指针间接调用系统函数close、read、seek和write实现标准输入关闭、读取、偏移和写功能。

int  (* _Nullable _close)(void *);
int  (* _Nullable _read) (void *, char *, int);
fpos_t  (* _Nullable _seek) (void *, fpos_t, int);
int  (* _Nullable _write)(void *, const char *, int);

从函数声明我们知道scanf返回一个int型返回值，在调用时scanf，返回正整数表示从标准输入读取到的有效数据数量，返回0表示没有输入或者输入不正确，返回负数表示发生了从标准输入读取数据发生了错误。下面我们使用scanf从标准输入读取数据的代码。

int num = 0;
float f_num = 0;

int count = scanf("%d", &num);
scanf("%f", &f_num);

scanf_s("%d", &num);

在scanf中输入数据并将数据保存在变量num和f_num中，调用scanf输入数据必须要用%，%d表示输入一个整数，%f表示输入一个单精度浮点数，其他数据类型的数据参考C语言入门基础之变量和数据类型，count保存scanf输入数据的有效数。看到这里可能有人会有疑问，为什么调用scanf从标准输入信息，需要对变量取地址，为什么要设计成这样？这里就要涉及到后面会学到的知识：指针。

在C语言里函数传参方式有2种，一种是传值另外一种是传指针。通过传值方式形参拷贝实参，得到一个实参副本对实参副本进行修改不会影响实参，而传指针方式，将会得到实参的地址，通过指针解引用可以间接修改实参的值。那么回到scanf函数那里，我们通过对变量进行取址，scanf函数内部有一个指针，将变量地址值赋给内部指针，再将标准输入的值赋值给实参，实参变量因此获得标准输入的值。

在代码片段我们还看到scanf_s这个函数（scanf_s不是C标准库函数），由于scanf函数并不是安全的，在有些编辑器上默认禁止使用scanf，如果使用则需要打开一个宏，而scanf_s是一些厂商提供的scanf函数安全版本，两者使用方法一模一样。

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标准输出函数

在stdio.h中printf函数声明如下：

/* Write formatted output to stdout.

   This function is a possible cancellation point and therefore not
   marked with __THROW. */
extern int printf (const char *__restrict __format, ...);

看到这里是不是很熟悉？printf函数的返回值也是int型，调用printf函数将会返回输出字符个数，出错则返回一个负数。同样在Linux/Mac平台的终端上输入man printf函数可以查看函数的详细使用方法（任何C标准函数都可以在Linux/Mac平台上输入man+函数名的方式查看函数使用方法）。下面是我们使用printf函数在标准输出中输出数据的代码。

int output_count = printf("num = %d\\n", num);
printf("output_count = %d\\n", output_count);

output_count = printf("f_num = %f\\n", f_num);
printf("output_count = %d\\n", output_count);

在代码片段里我们看到一个\\n字符，在C语言里这是一个换行符。看到这里是不是又有疑问了，为什么printf函数输出变量值时不需要对变量取地址？这就回到前面我们说过的问题了，在C语言里传值，形参是实参的副本，形参修改了不会影响到实参。而printf函数只是在标准输出中输出信息，不会修改实参的值，因此使用传值方式。

那么标准输出是什么呢？从print函数声明代码注释上看，标准输出正是stdou，我们继续在glibc中继续追踪stdout到底是什么？在stdout.c中我们看到stdout和stderr定义如下：

FILE *stdout = (FILE *) &_IO_2_1_stdout_;
FILE *stderr = (FILE *) &_IO_2_1_stderr_;

我们发现stdout、stderr和stdin的定义一模一样都是一个FILE类型指针，那么使用方式就和stdin一样了，区别则在于stdin和文件描述符0绑定，stdout和文件描述符1绑定，stderr和文件描述符2绑定。

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结语

后面讲解C语言知识时我会穿插有Linux相关知识，讲解C语言不能仅仅停留在语法层面。据我的观察，很多人学习了C语言语法后很迷茫，不知道C语言能做什么，根本原因就是你没有了解某个平台的系统编程API。Linux是一个开源操作系统，结合Linux学习C语言将会更加有趣，在Linux上进行C语言开发绝对是最佳选择。

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