《C程序设计语言》笔记第7章输入与输出

Posted Jun 2, 2022 Updated Dec 17, 2023

By Zhao Zhengyang 36 min read

本章将讲述标准库，介绍输出/输出、字符串处理、存储管理与数学函数以及其他一些服务的函数。本章的重点将放在输入/输出上。

7.1 标准输入/输出

如第1章所述，标准库实现了简单的文本输入/输出模型。文本流由一系列行组成，每一行以一个换行符结尾。如果系统没有遵循这种模型，则标准库会通过一些措施使其看起来遵循了这种模型。例如，标准库可能在输入时将回车符(carriage return, CR, \r)和换行符(line feed, LF, \n)都转换为换行符，而在输出时进行反向转换。

注：不同操作系统的默认换行符是不同的，Windows是CRLF (\r\n)，Unix/Linux是LF (\n)，macOS是CR (\r)，参考：

最简单的输入机制是使用getchar函数从标准输入（一般为键盘）一次读取一个字符。getchar函数在每次被调用时返回下一个输入字符，如果遇到文件结尾则返回EOF。符号常量EOF定义在<stdio.h>中，其值一般为-1，但程序中应该使用名字EOF来测试从而不依赖于特定值。

函数putchar(c)将字符c送至标准输出（默认为屏幕）。putchar返回输出的字符，如果发生错误则返回EOF。函数printf也将输出发送到标准输出，可以和putchar函数交替使用。

使用输入/输出库函数的源文件必须包含#include <stdio.h>。

在命令行中，可以使用<符号来重定向输入，将键盘输入替换为文件输入：如果程序prog中使用了函数getchar，则命令行

prog <infile

将使得程序prog从输入文件infile（而不是键盘）读取字符。

类似地，可以使用>符号来重定向输出：

prog >outfile

将程序prog的标准输出重定向到文件outfile。

字符串 “<infile” 和 “>outfile” 不包含在命令行参数argv中。

管道(pipe)机制也可以用于重定向标准输入/输出：

prog | otherprog

将程序prog的标准输出重定向到程序otherprog的标准输入。

注：Windows CMD和Linux Shell命令行都支持输入/输出重定向和管道机制。

对于只从一个输入流读取数据、只向一个输出流写入数据的程序，使用getchar、putchar和printf函数实现输入/输出就足够了。考虑程序lower，将输入转换为小写形式：

将输入转换为小写形式

头文件<stdio.h>中的getchar和putchar以及<ctype.h>中的tolower 一般都是宏，这样就避免了对每个字符都进行函数调用的开销。

例如，假设编译出的可执行文件为lower.out，则命令行

./lower.out <a.txt

将文件a.txt的内容转换为小写并打印到标准输出；

利用打印文件的Linux命令cat或Windows命令type（1.5.1节编写过类似功能的程序）和管道机制，以下命令和上面的等价：

  
cat a.txt | ./lower.out  # Linux
type a.txt | lower.exe  # Windows

输入/输出重定向可以同时使用：

./lower.out <a.txt >b.txt

将文件a.txt的内容转换为小写并输出到文件b.txt。

练习7-1 编写一个程序，根据它被调用的名字(argv[0])实现将大写字母转换为小写或将小写字母转换为大写的功能。

7.2 格式化输出——printf

输出函数printf将内部值（整数、浮点数等）转换为字符。本节将介绍该函数最典型的用法。

  
int printf(char *format, arg1, arg2, ...)

printf函数在format的控制下，对其参数进行转换与格式化，并在标准输出上打印出来。它返回打印的字符数。

格式字符串包含两种对象：普通字符和转换说明(conversion specification)。普通字符将被原样复制到输出流，而每一个转换说明将转换并打印printf的下一个参数。每个转换说明以%开始、以转换字符结束，格式为%[-][宽度][.精度][h/l]转换字符。在%和转换字符之间可能依次包含：

负号，指定左对齐
数字，指定最小宽度，如果大于实际宽度则用空格填充（默认右对齐）
小数点，用于分隔宽度和精度
数字，指定精度，即字符串要打印的最大字符数、浮点数小数点后的位数，或者整数要打印的最少数字数目
字母h或l，h表示将整数作为short类型打印，l表示将整数或浮点数作为long类型打印

下表列出了所有的转换字符。如果%后面的字符不是转换说明，则行为是未定义的。

转换字符	参数类型	输出形式
`d`, `i`	`int`	十进制整数
`u`	`int`	无符号十进制整数
`o`	`int`	无符号八进制整数（没有前导0）
`x`, `X`	`int`	无符号十六进制整数（没有前导0x或0X）
`c`	`int`	字符
`s`	`char *`	字符串，直到遇到`'\0'`或由精度指定的字符数为止
`f`	`double`	浮点数，其中小数位数由精度指定（默认为6）
`e`, `E`	`double`	浮点数科学记数法，小数位数由精度指定（默认为6）
`g`, `G`	`double`	浮点数，有效数字位数由精度指定（默认为6），如果指数小于-4或大于等于精度则使用`%e`或`%E`，否则使用`%f`，尾部的0和小数点不打印
`p`	`void *`	指针
`%`		不转换参数，打印一个%

在转换说明中，宽度或精度可以指定为*，此时宽度或精度的值由下一个参数（必须是int类型）指定。例如，下列语句打印字符串s的至多max个字符：

  
printf("%.*s", max, s);

（注：转换说明%.*s将“消耗”两个参数）

注：完整列表见printf - cplusplus.com和printf - cppreference.com。

下表展示了在打印字符串"hello, world"（12个字符）时不同转换说明的效果（在两端添加了冒号）：

%s        :hello, world:
%10s      :hello, world:
%15s      :   hello, world:
%-10s     :hello, world:
%-15s     :hello, world   :
%.10s     :hello, wor:
%.15s     :hello, world:
%15.10s   :     hello, wor:
%-15.10s  :hello, wor     :

下表是打印浮点数1234.5678时不同转换说明的效果：

%f        :1234.567800:
%8f       :1234.567800:
%15f      :    1234.567800:
%-8f      :1234.567800:
%-15f     :1234.567800    :
%.2f      :1234.57:
%.8f      :1234.56780000:
%15.2f    :        1234.57:
%-15.2f   :1234.57        :

%e        :1.234568e+03:
%8e       :1.234568e+03:
%15e      :   1.234568e+03:
%-8e      :1.234568e+03:
%-15e     :1.234568e+03   :
%.2e      :1.23e+03:
%.8e      :1.23456780e+03:
%15.2e    :       1.23e+03:
%-15.2e   :1.23e+03       :

%g        :1234.57:
%8g       : 1234.57:
%15g      :        1234.57:
%-8g      :1234.57 :
%-15g     :1234.57        :
%.2g      :1.2e+03:
%.8g      :1234.5678:
%15.2g    :        1.2e+03:
%-15.2g   :1.2e+03        :

下表是打印整数12345678时不同转换说明的效果：

%d        :12345678:
%6d       :12345678:
%15d      :       12345678:
%-6d      :12345678:
%-15d     :12345678       :
%.6d      :12345678:
%.10d     :0012345678:
%15.10d   :     0012345678:
%-15.10d  :0012345678     :

注意：printf函数使用第一个参数（格式字符串）判断后面参数的个数及类型。如果参数的个数不够或者类型错误，则将得到错误的结果。注意下面两个函数调用之间的区别：

  
printf(s);        /* 如果s包含%将会出错 */
printf("%s", s);  /* 正确 */

函数sprintf执行与函数printf相同的转换，但将结果保存到一个字符串中，而不是标准输出：

  
int sprintf(char *output, char *format, arg1, arg2, ...);

字符串output必须足够大以存放输出结果。

练习7-2 编写一个程序，以合理的方式打印任意输入。该程序至少能够根须用户习惯以八进制或十六进制打印非图形字符，并截断长文本行。

7.3 变长参数表

本节通过实现printf函数的一个最简单版本minprintf来介绍如何以可移植的方式编写处理变长参数表的函数。由于重点关注参数处理，minprintf只处理格式字符串和参数，而通过调用printf函数实现格式转换。

printf函数的正确声明形式为

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

其中省略号表示这些参数的数量和类型是可变的。省略号只能出现在参数表的尾部。

minprintf函数声明为

  
void minprintf(char *format, ...);

编写minprintf函数的关键在于如何处理一个甚至连名字都没有的参数表。 标准头文件<stdarg.h> 包含一组宏定义，它们定义了如何遍历参数表。该头文件在不同机器上的实现是不同的，但提供的接口是一致的。

va_list类型用于声明一个变量，该变量将依次引用各参数（在minprintf中，该变量称为ap，意思是“参数指针”）
宏va_start将ap初始化为指向第一个无名参数的指针。在使用ap之前，该宏必须被调用一次。参数表必须至少包括一个有名参数，因为va_start将最后一个有名参数作为起点。
每次调用va_arg都将返回一个参数，并将ap指向下一个参数
va_end完成必要的清理工作，它必须在函数返回之前调用

简化的printf函数实现如下：

minprintf函数

练习7-3 改写minprintf函数，使它能完成printf函数的更多功能。

7.4 格式化输入——scanf

输入函数scanf对应于输出函数printf，在相反的方向上提供同样的转换功能。scanf函数的声明如下：

  
int scanf(char *format, ...)

scanf函数从标准输入读取字符，按照format中的格式说明解释读取的字符，并把结果保存到其余的参数中。格式参数将在下面介绍；其他参数都必须是指针，用于指定相应输入经过转换后应保存的位置。

当scanf函数扫描完格式字符串（同时读取输入），或者某些输入无法与转换说明匹配时，该函数将终止，同时返回成功匹配并赋值的输入项的个数，如果到达文件结尾则返回EOF。注意，返回EOF与0是不同的，返回0表示下一个输入字符与格式字符串中的第一个转换说明不匹配。下一次调用scanf函数将从已转换的最后一个字符的下一个字符开始继续搜索。

还有一个输入函数sscanf，它从一个字符串而不是标准输入读取字符：

  
int sscanf(char *input, char *format, ...)

格式字符串可以包含：

空白符，将被忽略
普通字符（不包括%），用于匹配输入流中的下一个非空白字符
转换说明，格式为%[*][宽度][h/l/L]转换字符，由一个%、一个可选的赋值禁止符*、一个可选的数字（指定最大宽度）、一个可选的h、l或L（指定目标对象的宽度）以及一个转换字符组成

每个转换说明符控制下一个输入字段的转换。一般来说，转换结果存放在对应参数指向的变量中。但是，如果转换说明中有*，则跳过该输入字段，不进行赋值。输入字段定义为一个不包含空白符的字符串，其边界为下一个空白符或达到指定的字段宽度（如果有）。这意味着scanf函数可能越过行边界读取输入（空白符包括空格、制表符\t、换行符\n、回车符\r、纵向制表符\v以及换页符\f）。

转换字符指定对输入字段的解释，对应的参数必须是指针。下表列出了这些转换字符。

转换字符	输入数据	参数类型
`d`	十进制整数	`int *`
`i`	整数，可以是八进制（以0开头）或十六进制（以0x或0X开头）	`int *`
`u`	无符号十进制整数	`unsigned int *`
`o`	八进制整数（可以有或没有前导0）	`int *`
`x`	十六进制整数（可以有或没有前导0x或0X）	`int *`
`c`	字符，不跳过空白符（要读取下一个非空白符，使用`%1s`）	`char *`
`s`	字符串（不加引号），参数指向足以存放该字符串的字符数组，结尾将被添加`'\0'`	`char *`
`e`, `f`, `g`	浮点数，包括可选的符号、小数点和指数部分	`float *`
`%`	字符%，不进行赋值

转换字符d、i、u、o和x前面可以添加字符h，表明对应参数是指向short而不是int的指针；或者添加字符l，表明对应参数是指向long的指针。类似地，转换字符e、f和g前面也可以添加字符l，表明对应参数是指向double而不是float的指针。

注：完整列表见scanf - cplusplus.com和scanf - cppreference.com。

第一个例子改写第4章中的简单计算器，通过scanf函数执行输入转换：

简单计算器

假设要读取包含下列日期格式的输入行：

25 Dec 1988

相应的scanf语句为

  
int day, year;
char monthname[20];

scanf("%d %s %d", &day, monthname, &year);

monthname的前面没有&，因为数组名本身就是指针。

字符字面值也可以出现在scanf的格式字符串中，它们必须与输入中相同的字符匹配。因此，可以使用以下scanf语句读取mm/dd/yyyy形式的日期数据：

  
int day, month, year;

scanf("%d/%d/%d", &month, &day, &year);

关于空白符：

scanf格式字符串中的一个空白符匹配输入中任意数量（包括0个）的空白符
在读取输入时，首先会跳过空白符，这意味着读取的字符串不会包含前导空白符
输入字段以空白符结束，这意味着无法读取包含空格的字符串（fgets可以）

如果要读取格式不固定的输入，最好每次读取一行，然后用sscanf读取。例如，假设需要读取包含上述任意一种格式的日期数据的输入行，可以这样编写程序：

  
while (getline(line, sizeof(line)) > 0) {
    if (sscanf(line, "%d %s %d", &day, monthname, &year) == 3)
        printf("valid: %s\n", line);  /* 25 Dec 1988格式 */
    else if (sscanf(line, "%d/%d/%d", &month, &day, &year) == 3)
        printf("valid: %s\n", line);  /* mm/dd/yyyy格式 */
    else
        printf("invalid: %s\n", line);  /* 无效格式 */
}

scanf函数可以和其他输入函数混合使用，下一个输入函数的调用将从scanf没有读取的第一个字符处开始读取数据。

注意，scanf和sscanf的参数必须是指针。最常见的错误是将scanf("%d", &n)写成scanf("%d", n)。编译器一般检测不到这类错误。

练习7-4 类似于上一节中的函数minprintf，编写一个scanf函数的简化版本。

练习7-5 改写第4章中的后缀计算器程序，用scanf和（或）sscanf函数实现输入及数字的转换。

7.5 文件访问

到目前为止，所有的例子都是读取标准输入、写标准输出。标准输入和标准输出是操作系统自动提供给程序访问的。

下面编写一个访问文件的程序cat，用于把一些文件拼接(concatenate)到标准输出上。cat可用来在屏幕上打印文件内容，对于无法通过名字访问文件（只能读取标准输入）的程序，也可以用作输入收集器（见7.1节最后的示例）。例如，命令

cat a.txt b.txt

将在标准输出上依次打印文件a.txt和b.txt的内容。

问题在于如何通过文件名读取文件。在读写文件之前，必须通过<stdio.h>定义的库函数fopen打开该文件，该函数接收文件名和打开模式作为参数，返回一个随后可用于读写文件的指针。

  
FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);

FILE是一个通过typedef定义的类型名，而不是结构标记。

在程序中可以这样使用：

  
FILE *fp = fopen("a.txt", "r");

其中第一个参数是文件名，第二个参数是访问模式，用于指定文件的使用方式。允许的模式包括读("r", read)、写("w", write)和追加("a", append)。如果是二进制文件，还需要在模式字符串后添加"b"。

注：如果文件名是相对路径，则相对于程序的工作目录（启动程序时命令行的当前目录）

如果以写或追加方式打开一个不存在的文件，该文件将被创建（如果可能的话）；如果以写方式打开一个已存在的文件，该文件原来的内容将被覆盖，而以追加方式打开则会保留原来的内容；读一个不存在的文件将导致错误，其他一些操作也可能导致错误（例如没有权限）。如果发生错误，fopen将返回NULL。

文件被打开后，就需要一种读写文件的方式。有多种可能的方式，最简单的是getc和putc：

  
int getc(FILE *fp);
int putc(int c, FILE *fp);

getc返回文件fp中的下一个字符，如果遇到文件尾或错误则返回EOF。putc将字符c写入文件fp并返回写入的字符，如果发生错误则返回EOF。类似于getchar和putchar，getc和putc可能是宏而不是函数。

启动一个C语言程序时，操作系统环境负责打开三个文件，并提供它们的指针。这三个文件分别是标准输入、标准输出和标准错误，相应的文件指针分别叫做stdin、stdout和stderr，它们在<stdio.h>中声明。通常stdin连接到键盘，stdout和stderr连接到屏幕，但可以通过7.1节所述的方式重定向到文件或管道。

注：标准错误可以使用2>重定向：

prog 2>errfile

将程序prog的标准错误重定向到文件errfile；

prog >outfile 2>&1

将程序prog的标准输出和标准错误都重定向到文件outfile，该命令等价于

prog &>outfile

getchar和putchar可以定义如下：

#define getchar()  getc(stdin)
#define putchar(c) putc((c), stdout)

对于文件的格式化输入/输出，可以使用fscanf和fprintf函数。它们与scanf和printf的区别仅在于第一个参数是文件指针：

  
int fscanf(FILE *fp, const char *format, ...);
int fprintf(FILE *fp, const char *format, ...);

下面编写拼接文件的程序cat。如果有命令行参数，则将其解释为文件名，并按顺序处理。如果没有参数，则处理标准输入。

拼接文件（版本1）

函数fclose执行与fopen相反的操作，它断开由fopen建立的文件指针和外部名之间的连接（即关闭文件），并释放文件指针以供其他文件使用。因为大多数操作系统都限制了一个程序可以同时打开的文件数，因此当文件指针不再需要时就应该释放，这是一个好的编程习惯。对输出文件调用fclose还有另外一个原因：它将把putc输出的缓冲区刷新(flush)到文件中。当程序正常终止时，程序会自动为每个打开的文件调用fclose。

7.6 错误处理——stderr和exit

cat程序的错误处理并不完善。问题在于，如果其中一个文件因为某种原因无法访问，错误信息将被打印到拼接输出的末尾。当输出到屏幕时，这种处理方法尚可接受，但如果输出到文件或者通过管道输出到另一个程序时，就无法接受了。

为了更好地处理这种情况，可以使用另一个输出流——标准错误stderr。即使对标准输出进行了重定向，写到标准错误中的输出通常也会显示在屏幕上（除非使用2>进行了重定向）。

下面改写cat程序，将错误信息写到标准错误上。

拼接文件（版本2）

该程序通过两种方式发出错误信号。首先，将fprintf产生的错误信息输出到stderr，因此错误信息将会显示在屏幕上，而不是输出到管道或文件中。错误信息包含了程序名(argv[0])，因此当该程序和其他程序一起运行时，可以识别错误的来源。

其次，程序使用了标准库函数exit（定义在<stdlib.h>），当该函数被调用时将终止程序执行。任何调用该程序的进程都可以获取exit的参数值（返回码），因此可以测试该程序成功或失败。按照管理，返回值0表示一切正常，而非0值通常表示出现了异常情况。 exit为每个已打开的输出文件调用fclose，以将缓冲区中的输出写到相应的文件中。

在main函数中，return expr等价于exit(expr)。但是exit有一个有点：它可以从其他函数中调用，并且可以用类似于第5章中描述的模式查找程序查找这些调用（使用现代IDE也很容易查找）。

如果文件fp中出现错误，则函数ferror(fp)返回一个非0值。尽管输出错误很少见，但还是存在的（例如磁盘已满），因此成熟的产品程序应该检查这种错误。

函数feof与ferror类似，如果指定的文件到达文件结尾，则返回一个非0值。

在为了说明问题的小程序中，通常不太关心程序的退出状态。但对于重要的程序来说，都应该返回有意义且有用的值。

7.7 行输入和输出

标准库提供了一个输入函数fgets，它和前面几章中用到的getline函数类似。

  
char *fgets(char *line, int maxline, FILE *fp);

fgets函数从文件fp中读取下一个输入行（包括换行符，除非超过了最大行长度），并存放在字符数组line中，最多读取maxline-1个字符。读取的行将以'\0'结尾。通常情况下，fgets返回line，如果遇到文件结尾或发生错误则返回NULL（我们的getline函数返回行长度，这个值更有用，0意味着到达文件结尾）。

注：fgets每次读取一整行，因此可以读取包含空格的字符串（scanf不行）

输出函数fputs将一个字符串写入文件中（不会自动添加换行符）：

  
int fputs(const char *line, FILE *fp);

如果发生错误则返回EOF，否则返回0。

库函数gets和puts类似于fgets和fputs，但是对stdin和stdout进行操作。令人困惑的是，gets删除结尾的换行符，而puts自动添加换行符。

注：gets函数没有最大长度参数，可能导致数组下标越界，因此在新版标准库中被标记为弃用

下面的标准库中fgets和fputs函数的代码。可以看出，这两个函数并没有什么特别的地方。

  
/* fgets：从文件iop读取最多n-1个字符 */
char *fgets(char *s, int n, FILE *iop) {
    register int c;
    register char *cs;

    cs = s;
    while (--n > 0 && (c = getc(iop)) != EOF)
        if ((*cs++ = c) == '\n')
            break;
    *cs = '\0';
    return (c == EOF && cs == s) ? NULL : s;
}

/* fputs：将字符串s输出到文件iop */
int fputs(char *s, FILE *iop) {
    int c;

    while (c = *s++)
        putc(c, iop);
    return ferror(iop) ? EOF : 0;
}

使用fgets很容易实现getline函数：

getline函数

练习7-6 编写一个程序，比较两个文件并打印第一个不相同的行。

练习7-7 修改第5章的模式查找程序，使它从一组命名文件中读取输入，如果没有文件名参数，则从标准输入读取。当发现一个匹配行时，是否应该将相应的文件名打印出来？

练习7-8 编写一个程序，打印一组文件，每个文件从新的一页开始打印，并为每个文件打印标题和页数。

7.8 其他函数

标准库提供了各种各样的函数。完整列表可以参考C++ Reference中C Library一节。

练习7-9 类似于isupper这样的函数可以通过某种方式实现以达到节省空间或时间的目的。考虑这两种实现方式。

C/C++, TCPL

c io formatting variadic argument file access

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