C/C++標準輸入輸出函數終極最全解析（不全捶我）

C/C++的一眾輸入輸出函數的區別常常搞得人暈頭轉向，二者之中又以輸入函數更加令人頭疼。本文嘗試整理C/C++的各種輸入輸出函數。

由於輸入涉及空格、換行符的讀取、忽略等問題，因此輸入比輸出更麻煩。所以本文將以輸入為主線，對應的輸出用法是類似的。

水平有限，如有疏漏，歡迎提出。

標準輸入流

C 標準輸入

C語言使用標準輸入輸出函數，需要包含頭文件<stdio.h>。而在 C++ 中，只要包含頭文件<iostream>，就完全可以使用這些 C 中的輸入輸出函數。

標準輸入流及對緩衝區的理解

stdin是一個文件描述符（Linux）或句柄（Windows），它在 C 程式啟動時就被預設分配好。在 Linux 中一切皆文件，stdin也相當於一個可讀文件，它對應著鍵盤設備的輸入。因為它不斷地被輸入，又不斷地被讀取，像流水一樣，因此通常稱作輸入流。

stdin是一種行緩衝I/O。當在鍵盤上鍵入字元時，它們首先被存放在鍵盤設備自身的緩存中（屬於鍵盤硬體設備的一部分）。只有輸入換行符時，操作系統才會進行同步，將鍵盤緩存中的數據讀入到stdin的輸入緩衝區（存在於記憶體中）。所有從stdin讀取數據的輸入流，都是從記憶體中的輸入緩衝區讀入數據。當輸入緩衝區為空時，函數將被阻塞。

若無特殊說明，以下所有的“緩衝區”均是指記憶體中的stdin輸入緩衝區。用戶程式中自定義的buffer數組、str數組等，將稱作“數組”、“變數”，以免產生混淆。

scanf()

按照特定格式從stdin讀取輸入。

用法示例：

char str[100];
int a;
scanf("%s %d", str, &a);    // 註意，傳入的一定是變數的地址

對空白字元的處理：

1. 緩衝區開頭：丟棄空白字元（包括空格、Tab、換行符），直到第一個非空白字元才認為是第一個數據的開始。
2. 緩衝區中間：開始讀取第一個數據後，一旦遇到空白字元（非換行符）， 就認為讀取完畢一次。遇到的空白字元殘留在緩衝區，直到下一次被讀取或刷新。例如輸入字元串this is test，則會被認為是3個字元串。
3. 緩衝區末尾：按下回車鍵時，換行符\n殘留在緩衝區。換行符之前的空格可以認為是中間的空白字元，處理同上。

註意，格式控制符只會讀取正確類型的變數。如果輸入格式不正確，比如在%d處輸入了一個字元a，則會使讀取中斷，即後續不讀取任何變數。

格式控制符說明：

註意，%c是一個比較特殊的格式符號，它將會讀取所有空白字元，包括緩衝區開頭的空格、Tab、換行符，使用時要特別註意。

scanf()的讀取也沒有邊界，所以並不安全。C11 標準提供了安全輸入scanf_s()。

scanf()對應的輸出函數是printf()。

gets() - 不建議

按下回車鍵時，從stdin讀取一行。

用法示例：

char str[100];
gets(str);

對空白字元的處理：

1. 所有空格、Tab等空白字元均被讀取，不忽略。
2. 按下回車鍵時，緩衝區末尾的換行符被丟棄，字元串末尾沒有換行符\n，緩衝區也沒有殘留的換行符\n。

註意，gets()不能指定讀取上限，因此容易發生數組邊界溢出，造成記憶體不安全。C11 使用了gets_s()代替gets()，但有時編譯器未必支持，因此總體來說不建議使用gets()函數來讀取輸入。

gets()對應的輸出函數是puts()。

fgets()

從指定輸入流讀取一行，輸入可以是stdin，也可以是文件流，使用時需要顯式指定。

讀取文件流示例：

char str[100];
memset(str, 0, sizeof(str));
int i = 1;
 
FILE *fp = fopen("...test.txt", "r");
if (fp == NULL) {
    printf("File open Error!\n");
    exit(1);
}
 
while (fgets(str, sizeof(str), fp) != NULL)
    printf("line%d [len %d]: %s", i++, strlen(str), str);
 
fclose(fp);

讀取stdin示例：

char str[100];
memset(str, 0, sizeof(str));
int i = 1;
while (fgets(str, sizeof(str), stdin) != NULL)
    printf("line%d [len %d]: %s", i++, strlen(str), str);

對空白字元的處理：

1. 所有空格、Tab等空白字元均被讀取，不忽略。
2. 按下回車鍵時，緩衝區末尾的換行符也被讀取，字元串末尾將有一個換行符\n。例如，輸入字元串hello，再按下回車，則讀到的字元串長度為6。

fgets()函數會自動在字元串末尾加上\0結束符。

第 2 個參數n指定了讀取的最大長度。函數讀到n-1個字元（包括換行符\n）就會停止，併在末尾加上\0結束符。剩餘字元將殘留在緩衝區。

建議使用fgets()完全替代gets()。

fgets()對應的輸出函數是fputs()。

fgetc() & getc()

從指定輸入流讀取一個字元，輸入可以是stdin，也可以是文件流，使用時需要顯式指定。

這兩個函數完全等效，getc()由fgetc()巨集定義而來。不同的是，前述的gets()和fgets()相互之間沒有關係。

用法示例：

char a, b;
a = fgetc(stdin);
b = getc(stdin);

對空白字元的處理：

1. 所有空格、Tab、換行等空白字元，無論在緩衝區開頭、中間還是結尾，均會被讀取，不忽略。
2. 因為只讀取一個字元，所以如果輸入多於1個字元（包括換行符），則它們均會殘留在緩衝區。具體地說，如果什麼字元都不輸入，直接按下回車鍵，則讀取到的是換行符\n，緩衝區無任何殘留；如果輸入一個字元如a，然後按下回車鍵，則讀取到的是字元a，同時換行符\n殘留在緩衝區。

fgetc()和getc()對應的輸出函數是fputc()和putc()。

getchar()

從stdin讀取一個字元。

getchar()實際上也由fgetc()巨集定義而來，只是預設輸入流為stdin。

用法示例：

char a;
a = getchar();

getchar()常常用於清理緩衝區開頭殘留的換行符。當知道緩衝區開頭有\n殘留時，可以調用getchar()但不賦值給任何變數，即可實現沖刷掉\n的效果。

getchar()對應的輸出函數是putchar()。

C++ 標準輸入

C++中使用標準輸入輸出需要包含頭文件<iostream>。一般使用iostream類進行流操作，其封裝很完善，也比較複雜，本文只介紹一部分。

cin

cin是 C++ 的標準輸入流對象，即istream類的一個對象實例。cin有自己的緩衝區，但預設情況下是與stdin同步的，因此在 C++ 中可以混用 C++ 和 C 風格的輸入輸出（在不手動取消同步的情況下）。

cin與stdin一樣是行緩衝，即遇到換行符時才會將數據同步到輸入緩衝區。

cin的用法非常多，只列舉常用的幾種。最常用的就是使用>>符號（我認為該符號形象地體現了“流”的特點）。

用法示例：

int a, b;
cin >> a >> b;
char str[20];
cin >> str;

cin對空白字元的處理與scanf一致。即：跳過開頭空白字元，遇到空白字元停止讀取，且空白字元（包括換行符）殘留在緩衝區。

如果不想跳過空白字元，可以使用流控制關鍵詞noskipws（no skip white space），但這隻對單個字元有效（類似於scanf中的%c）。

char c;
cin >> noskipws >> c;

註意，cin對象屬於命名空間std，如果想使用cin對象，必須在 C++ 文件開頭寫using namespace std，或者在每次用到的時候寫成std::cin。

cin.get()

讀取單個或指定長度的字元，包括空白字元。

用法示例：

char a, b;
char str[20];
 
// 讀取一個字元，讀取失敗時返回0，多餘字元殘留在緩衝區（包括換行符）
a = cin.get();
 
// 讀取一個字元，讀取失敗時返回EOF，多餘字元殘留在緩衝區（包括換行符）
cin.get(b);
 
// 在遇到指定終止字元（參數3）前，至多讀取n-1個（參數2）字元
// 當不指定終止字元時，預設為換行符\n
// 如果輸入的字元個數小於等於n-1（不含終止字元），則終止字元不殘留在緩衝區
// 如果輸入的字元個數多於n-1（不含終止字元），則餘下字元將殘留在緩衝區
cin.get(str, sizeof(str), '\n');

cin.get()讀取單個字元時，類似於 C 中的fgetc()，對空白字元的處理也與其一致。cin.get()讀取的字元也可以賦值給整型變數。

cin.get()讀取指定長度個字元時，類似於 C 中的fgets()，但在換行符的處理上不同。它們都不會使換行符殘留在緩衝區，但fgets()會將緩衝區末尾的換行符\n也寫入字元串，而cin.get()會丟棄緩衝區末尾的\n。即：當輸入test時，用fgets()讀取得到的字元串長度為5，用cin.get()讀取得到的字元串長度為4。

cin.getline()

讀取指定長度的字元，包括空白字元。

用法示例：

char str[20];
cin.getline(str, sizeof(str));    // 第3個參數也可以指定終止字元

cin.getline()與cin.get()指定讀取長度時的用法幾乎一樣。區別在於，如果輸入的字元個數大於指定的最大長度n-1（不含終止符），cin.get()會使餘下字元殘留在緩衝區，等待下次讀取；而cin.getline()會給輸入流設為 Fail 狀態，在主動恢復之前，無法再進行正常輸入。

getline()

getline()並不是標準輸入流istream的函數，而是字元串流sstream的函數，只能用於讀取數據給string類對象，使用時也需要包含頭文件<string>。

如果使用getline()讀取標準輸入流的數據，需要顯式指定輸入流。

用法示例：

string str;
getline(cin, str);

getline()會讀取所有空白字元，且緩衝區末尾的換行符會被丟棄，不殘留也不寫到字元串結尾。同時，由於string對象的空間是動態分配的，所以會一次性將緩衝區讀完，不存在讀不完殘留在緩衝區的問題。

需要註意的是，假如緩衝區開頭就是換行符（比如可能是上一次cin殘留的），則getline()會直接讀取到空字元串並結束，不會給鍵盤輸入的機會。所以這種情況下要註意先清除開頭的換行符。

總結

在 C 中，建議使用scanf()進行格式化讀取，用fgets()讀取整行，用fgetc()或getchar()讀取單個字元。

在 C++ 中，建議使用cin >>進行格式化讀取，而cin.get()、cin.getline、getline(string)有各自的適用情況。

註意fgets()和cin.get()在對換行符的清理方面有所區別。

標準輸出流

C 標準輸出

標準輸出流及對緩衝區的理解

相應於輸入流的stdin，輸出流也有其預設的文件描述符stdout，對應著命令行終端（Windows 中稱為控制台）的顯示。此外，還有對應錯誤輸出的stderr，預設也是終端的顯示。它們都可以被重定向到文件中以便持久保存和查看，在此不作贅述。

stdout也是行緩衝I/O，它與stdin類似也有三者之間的數據同步：從用戶程式到stdout的輸出緩衝區，由用戶程式決定；從stdout的輸出緩衝區到終端的顯示，只有緩衝區末尾遇到換行符\n才會進行。如果輸出緩衝區末尾沒有換行符\n，是不會列印顯示輸出的。

例如以下程式：

// 程式 1
int main(int argc, char* argv[])
{
    printf("Hello World!\n");
    while(1){}
    return 0;
}
 
// 程式 2
int main(int argc, char* argv[])
{
    printf("Hello World!");
    while(1){}
    return 0;
}
 
// 程式 3
int main(int argc, char* argv[])
{
    printf("Hello World!")
    return 0;
}
 
// 程式 1
int main(int argc, char* argv[])
{
    printf("Hello World!\nABCDE");
    while(1){}
    return 0;
}

程式 1 中，printf()輸出內容的最後有換行符\n，所以將在屏幕上輸出Hello World!並換行，然後進入while(1)迴圈阻塞住。

程式 2 中，把\n去掉了，此時終端不會顯示任何內容。因為程式進入死迴圈後，沒有機會向stdout中寫入\n使其清空緩衝。

程式 3 中，雖然沒有寫入換行符，但是依然能夠在終端列印Hello World!（只是沒有換行）。這是因為程式結束時會自動清空緩衝區。（除此之外，當緩衝區被填滿時也會自動清空）

程式 4 能夠進一步加深對行緩衝的理解。它在程式 1 的基礎上，在換行符之後又加上了幾個字元。運行可以發現終端只列印了Hello World!並換行，而沒有列印ABCDE。

輸出函數通常沒有針對對空格、製表符的特殊行為，比輸入要簡單一些。特殊的處理一般只有換行符。

printf()

按照特定格式將stdout緩衝區的內容列印到終端。

用法示例：

printf("Number a = %d", a);      // 十進位整數
printf("Number b = %.2f", b);    // 浮點數，保留兩位小數
printf("String s = %s", s);      // 字元串

printf()的寫法與scanf()十分相像。區別在於scanf()中一般只有格式控制字元，而沒有其他普通字元，而printf()中常常是在一串字元中把要替換的內容寫為格式控制字元，從而形成格式化輸出的效果。

puts()

將字元串和一個尾隨的換行符\n寫入到stdout的緩衝區。根據行緩衝的性質，終端也會立即進行列印顯示。

用法示例：

puts("hello");    // 立即輸出hello並換行

puts()對換行符的處理與gets()“相反”。gets()會自動丟棄一個換行符，而puts()則是自動寫入一個換行符。

fputs()

將字元串寫入指定輸出流，可以是文件流、stdout或stderr等。stderr是標準錯誤流，它是無緩衝的，會立即輸出到屏幕，而不是等待換行符才輸出。

用法示例：

fputs("hello world", stdout);    // 不會立即輸出
fputs("hello world\n", stdout);  // 立即輸出
fputs("hello world", stderr);  // 立即輸出

與fgets()一樣，fputs()不會主動操作換行符。如果希望立即輸出，需要自己加上換行符\n。

fputc() & putc()

將一個字元寫入指定輸出流，可以是文件流、stdout或stderr等。

用法示例：

char c = 'q';
fputc(c, stdout);
c = '\n';
putc(c, stdout);

fputc()和putc()只是把字元寫入stdout，沒有任何額外操作。因此如果希望立即輸出，需要自己加上換行符\n。

putchar()

將一個字元寫入到標準輸出流stdout。

用法示例：

char c = 'x';
putchar(c);

同上，putchar()不操作換行符。如果希望立即輸出，需要自己加上換行符\n。

fflush()

該函數的功能是強制刷新緩衝區，將數據立即寫到對應的文件（或設備）。其參數可以是文件流指針，也可以是stdout。

用法示例：

fputs("Hello World!", stdout);
fflush(stdout);
while (1);

上面的程式在進入死迴圈前，會輸出Hello World!字元串到屏幕。

註意：不能夠將fflush()用於stdin！這可能導致不可預料的後果。

C++ 標準輸出

cout

cout是ostream類的一個實例。cout是行緩衝的。

用法示例：

char str[] = "hello world";
cout << "str: " << str << endl;

插入endl對象時，將立即清空輸出緩衝區並顯示，然後輸出一個換行符\n。

也有cout.put()等函數，不常用。

cerr

cerr是標準錯誤流，也是ostream類的一個實例，並預設輸出設備為顯示屏上的命令行終端。它預設與stderr同步。

cerr是非緩衝的，即插入數據時會立即輸出。

用法示例：

char str[] = "File open FAILED!";
cerr << "[Error] " << str;

clog

clog是標準日誌流，也是ostream類的一個實例，並預設輸出設備為顯示屏上的命令行終端。

clog是有緩衝的，但具體的刷新條件沒有找到資料。實測以下代碼是可以輸出在屏幕的：

clog << "Failed!";
while(1){}

總結

標準輸出相比輸入來說較為簡單。需要註意的是stdout和cout是行緩衝的，而stderr和cerr是無緩衝的。

C++ 流的高級用法請參考其他資料。