揭秘C语言输入输出内幕：printf与scanf的深度剖析

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往期回顾：

1. VS 2022 社区版C语言的安装教程，不要再卡在下载0B/s啦
2. C语言入门：解锁基础概念，动手实现首个C程序
3. C语言概念之旅：解锁关键字，字符，字符串的秘密，揭秘语句和注释，程序员的宝藏
4. C语言基础入门：数据类型、变量声明与创建详解
5. C操作符详解，深入探索操作符与字符串处理

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前言

printf和scanf作为C语言标准库中最为基础的输入输出函数，它们的正确使用和深入理解，对于每一个C语言学习者来说都至关重要。本文旨在通过深入浅出的方式，带领读者全面理解并掌握printf和scanf这两个函数的用法。

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一、printf

1.1 printf基本用法

首先我们来回忆第一个函数，printf函数。在之前的第一个C语言程序我们就见过这个库函数，这个printf函数，它是干什么的呢？

printf() 的作用是将参数文本输出到屏幕。

简单理解，就是你给printf传进去一些信息（这些信息叫参数），把参数输出到屏幕上，它名字里的 f 叫 format，格式化，什么意思呢？
我们说printf是两个单词，其实严格意义上来说，它是按照指定的格式打印数据，格式化数据。

print format - 按照指定的格式打印数据

到目前为止，我们学的最简单的功能就是在屏幕上打印字符串，比如说，printf 一个hello world，你得加一个头文件才能使用这个库函数。

#include <stdio.h>

int main()
{
	//print format - 按照指定的格式打印数据
	printf("hello world");
	return 0;
}

但是注意，printf 不会自动在末尾换行。 如果我们想实现换行的功能，就需要在末尾加一个转义字符，\n。
我们可以做一个对比，上边打印完就是打印完了，下边则是会加上一个换行。

#include <stdio.h>

int main()
{
	//print format - 按照指定的格式打印数据
	printf("hello world\n");
	return 0;
}

比如说，未来你要是想在哪添加换行，你就在哪加 \n 就行了。

1.2 占位符

printf()，可以在输出文本中指定占位符，所谓“占位符”，就是这个位置可以用其它值代入.

printf("there are 3 apples\n");
printf("there are %d apples\n", 3);
printf("there are %d apples\n", 30);
printf("there are %d apples\n", 10);

占位符，是会被后方的数字替换掉的。常用的占位符，除了%d,我们还用%s，%s表示代入的是一个字符串。

printf("%s will come tonight\n", "张三");

前面是我们的输出格式 %s，后面是我们的代入值 —— 张三。输出的文本还可以使用多个占位符。占位符和后面替换的值一定是有顺序的，是一 一对应的。
例如：

#include <stdio.h>
int main()
{
	printf("%s says it is %d o'clock\n", "lisi", 21);
	return 0;
}

此时，%s 就会被 lisi 代入，而 %d 就会被21所代入。

1.3占位符列举

printf() 的占位符有许多种类，与C语言的数据类型相对应。下面按照字母顺序，列出常用的占位符，方便查找，具体含义在后面博客介绍。


值得注意的是，一般我们打印指针，都是以十六进制的地址形式打印出来的。因为用二进制打印太长了。

1.4 输出格式

printf() 可以定制占位符的输出格式.

1.4.1 限定宽度

printf() 允许限定占位符的最小宽度。比如说，%5d,也就是说最小的宽度是五，如果宽度不够，就会拿空格填充。
举个例子：

printf("%d\n", 123);
printf("%5d",123);

这时候在123之前，会多两个空格。如果超过五位呢？那程序就会如实打印。

printf("%5d\n", 1234567);

上面示例中， %5d 表示这个占位符的宽度至少为5位。如果不满5位，对应的值的前面会添加空格。输出的值默认是右对齐，即输出内容前面会有空格。
如果希望改成左对齐，在输出内容后面添加空格，可以在占位符的 % 的后面插入⼀个 - 号。

printf("%-5d",123);

浮点数的限定宽度
对于浮点数，这个限定符会限制所有数字的最小显示宽度。
例子：

	printf("%f\n", 123.45);
	printf("%12f\n", 123.45);

%12f 表示输出的浮点数最少要占据12位。由于小数的默认显示精度是小数点后6位，所以 123.45 输出结果的头部会添加2个空格。

1.4.2 总是显示正负号

默认情况下， printf() 不对正数显示+号，只对负号显示 - 号。如果想让正数也输出 + 号，可以在占位符的 % 后面加⼀个 + 。

	printf("%+d\n", 12);
	printf("%+d\n", -12);

常规情况下，‘+’是都不打印的，只要加一个+号就可以一直打印符号了。

1.4.3 限定小数位数

当我们输出小数时，有时希望限定小数的位数，比如并不希望每次打印小数的时候，都打印很多个0.
比如：希望小数点后面只保留两位，占位符可以写成 %.2f 。

printf("%.2f\n", 123.45);
printf("%f\n", 123.45);
printf("%.3f\n", 123.45);

那如果本来小数点后六位，而限定位数7位或者更多呢？
这种写法我们就可以与限定宽度占位符，结合使用。

printf("%6.2f\n", 0.5);

6就代表我们至少输出六位，小数保持两位。
当然还有另外一种写法，最小宽度和小数位数这两个限定值，都可以用 * 代替，通过 printf() 的参数传入。
例如：

#include <stdio.h>
int main()
{
	printf("%*.*f\n", 6, 2, 0.5);
	return 0;
}

% * . * f 的两个星号通过 printf() 的两个参数 6 和 2 传入。

1.4.4 输出部分字符串

%s 占位符用来输出字符串，默认是全部输出。
如果我们只想输出开头的部分，可以用 %.[m]s 指定输出的长度，其中 [m] 代表一个数字，表示所要输出的长度。
例如：

#include <stdio.h>
int main()
{
	printf("%.5s\n", "hello world");
	return 0;
}

占位符 %.5s 表示只输出字符串“hello world”的前5个字符，即“hello”

二、 scanf

当我们有了变量，我们需要给变量输入值就可以使用 scanf 函数，如果需要将变量的值输出在屏幕上的时候可以使用 prinf 函数，下面看⼀个例子：

	int score = 0;
	//输入一个值
	printf("请输入成绩:");
	scanf("%d", &score);

	//输出
	printf("成绩是:%d", score);

这时候我们会发现报错了。

这时候我们只要在代码的最上方加入

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

就能解决报错。

2.2.1 基本用法

刚刚我们也使用了scanf，那C语言输入输出的逻辑是什么呢？
这里我就绘制了一张图，中间是我们的程序，里面有一个变量score，当我们在这个地方调用scanf的时候。第一步：库函数printf打印“请输入成绩”，第二步：你的键盘敲了一个100，这个100就传到这个变量里面去，第三步：printf把信息打印到屏幕上。

我们来追究一下用法：
scanf() 函数用于读取用户的键盘输入。程序运行到这个语句时，会停下来，等待用户从键盘输入。用户输入数据、按下回车键后， scanf() 就会处理用户的输入，将其存入变量。它的原型定义在头文件 stdio.h 。
我们来演示一下这个程序，注意，当我们程序执行到这一步的时候，回车还没敲下，说明还没存到变量里面。键盘上输入回车之后才存进去。

scanf，它的第一个参数是一个格式字符串，里面会放置占位符（与 printf() 的占位符基本一致），告诉编译器如何解读用户的输入，需要提取的数据是什么类型。这是因为C语言的数据都是有类型的， scanf() 必须提前知道用户输入的数据类型，才能处理数据。它的其余参数就是存放用户输入的变量，格式字符串里面有多少个占位符，就有多少个变量。

int a = 0;
int b = 0;
float f1 = 0.0;
float f2 = 0.0;
scanf("%d%d%f%f", &a, &b, &f1, &f2);
printf("%d %d %f %f\n", a, b, f1, f2);

注意，scanf的格式可以不加空格，但是输入得加空格（那能不能加回车呢？）
通过代码验证可以发现，两个数据之间可以加入空格，也可以加入回车，输入的效果是一样。

当然，输入的时候不要随便加换行。这样在大批量的输入数据的时候，容易混乱，但可不可以呢？是可以的。
上面示例中，格式字符串 %d%d%f%f ，表示用户输入的前两个是整数，后两个是浮点数，比如 1-20 3.4 -4.0e3 。这四个值依次放入 i 、 j 、 x 、 y 四个变量。scanf() 处理数值占位符时 ，会自动过滤空白字符，包括空格、制表符、换行符等。
所以，用户输入的数据之间，有一个或多个空格不影响 scanf() 解读数据。另外，用户使用回车键，将输入分成几行，也不影响解读。

2.2.2 scanf的输入原理

scanf() 处理用户输入的原理是，用户的输入先放入缓存，等到按下回车键后，按照占位符对缓存进行解读。解读用户输入时，会从上一次解读遗留的第一个字符开始，直到读完缓存，或者遇到第一个不符合条件的字符为止。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int x;
	float y;
	// 用户输入 " -13.45e12# 0"
	scanf("%d", &x);
	scanf("%f", &y);

	printf("%d\n", x);
	printf("%f\n", y);

	return 0;
}

程序运行，第一个scanf开始读取，这时候scanf读到小数点就截止了。.45e12这是科学计数法的表现形式，那为什么是4499999……，这跟浮点数的存储有关，我们现在只需要知道浮点数的存储在内存中是无法精确存储的。所以读到#号的时候就停止了。
这里额外说明C语言中科学计数法是如何表示的：

1.5e3-->1.5*10^3
1500

这是个指数形式的表示方法，我们用字母e或者E来表示以10为底的指数，例如：1.5e3就是等于1.5*10^3. 但要注意在e或者E前必须要有数字，以及后面必须要为整数，不能写成12e3.2。

2.2.3 scanf返回值

scanf() 的返回值是一个整数，表示成功读取的变量个数。如果没有读取任何项，或者匹配失败，则返回 0 。如果在成功读取任何数据之前，发生了读取错误或者遇到读取到文件结尾，则返回常量EOF。

int main()
{
	int a = 0;
	int b = 0;
	float f = 0.0;
	int r = scanf("%d %d %f", &a, &b, &f);

	printf("a = %d\n", a);
	printf("b = %d\n", b);
	printf("f = %f\n", f);

	printf("r = %d\n", r);

	return 0;
}

当我们成功读取了3个变量，这时候r就等于3.

一般来说，我们对程序按一次ctrl + z就停止，在vs上我们需要连续的按三次，这是VS的bug，可以看到我们停止了，然后r的返回值是2.
EOF是什么呢？

EOF 它本质是缩写，end of file 文件的结束标志。

转到定义，它是负1.只要让scanf都不读取，直接错误，这样scanf就会返回负1.

2.2.4 占位符

特别说明，除了 %c 以外，都会自动忽略起首的空白字符。 %c 不忽略空白字符，总是返回当前第一个字符，无论该字符是否为空格。

int main()
{
	char ch = 0;
	scanf("%c", &ch);

	printf("%c", ch);
	printf("xxxx\n");
	return 0;
}

如图所示：

如果要强制跳过字符前的空白字符，可以写成 scanf(" %c", &ch) ，即 %c 前加上⼀个空格，表示零个或多个空白字符。

scanf(" %c", &ch);

如图所示：

下面要特别说⼀下占位符 %s ，它其实不能简单地等同于字符串。它的规则是，从当前第一个非空白字符开始读起，直到遇到空白字符（即空格、换行符、制表符等）为止。

因为 %s 不会包含空白字符，所以无法用来读取多个单词，除非多个 %s ⼀起使用。这也意味着，scanf() 不适合读取可能包含空格的字符串，比如书名或歌曲名。另外， scanf() 遇到 %s 占位符，会在字符串变量末尾存储⼀个空字符 \0 。也就是在刚才的例子中，读取完abc之后，存到数组里面了，这时候末尾会加一个\0。

scanf() 将字符串读入字符数组时，不会检测字符串是否超过了数组长度。所以，储存字符串时，很可能会超过数组的边界，导致预想不到的结果。如图所示，数组的长度才五，这里一口气存了九个字符进去。

所以为了防止这种情况，使用 %s 占位符时，应该指定读入字符串的最长长度，即写成 %[m]s ，其中的 [m] 是一个整数，表示读取字符串的最大长度，后面的字符将被丢弃。

int main()
{
	char arr[5] = { 0 };
	scanf("%4s", arr);
	printf("%s\n", arr);

	return 0;
}

为什么只写4个呢？因为字符串末尾还要放一个\0。

2.2.5 赋值忽略符

日常生活中，假设我们需要记录日期，我们就会用年月日三个变量来记录，这时候我们就会输入 1990/5/12这样的形式，来记录我们的日期。
但是有时，用户的输入可能不符合预定的格式。我们想让用户按 “年 - 月 - 日”这样的形式输入，就必须在年月日当中加上-，要不然就读取错误。
为了避免这种情况， scanf() 提供了⼀个赋值忽略符（assignment suppression character）* 。 只要把 * 加在任何占位符的百分号后面，该占位符就不会返回值，解析后将被丢弃。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int year = 0;
	int month = 0;
	int day = 0;
	scanf("%d%*c%d%*c%d", &year, &month, &day);
	printf("%d %d %d\n", year, month, day);

	return 0;
}

这样无论用户的输入格式中间是什么，我们总能准确的读取对应的数据，然后将年月日正常输出到屏幕上。

总结

我们深入了解了printf和scanf这两个C语言标准库函数的基本用法和高级特性。printf函数能够按照指定的格式输出各种类型的数据，而scanf函数则能够读取用户输入的数据并进行类型转换。这两个函数共同构成了C语言编程中输入输出功能的核心。下期我们将从分支结构开始讲起。