C/C++标准输入输出函数终极最全解析（不全捶我）

C/C++的一众输入输出函数的区别常常搞得人晕头转向，二者之中又以输入函数更加令人头疼。本文尝试整理C/C++的各种输入输出函数。

由于输入涉及空格、换行符的读取、忽略等问题，因此输入比输出更麻烦。所以本文将以输入为主线，对应的输出用法是类似的。

水平有限，如有疏漏，欢迎提出。

标准输入流

C 标准输入

C语言使用标准输入输出函数，需要包含头文件<stdio.h>。而在 C++ 中，只要包含头文件<iostream>，就完全可以使用这些 C 中的输入输出函数。

标准输入流及对缓冲区的理解

stdin是一个文件描述符（Linux）或句柄（Windows），它在 C 程序启动时就被默认分配好。在 Linux 中一切皆文件，stdin也相当于一个可读文件，它对应着键盘设备的输入。因为它不断地被输入，又不断地被读取，像流水一样，因此通常称作输入流。

stdin是一种行缓冲I/O。当在键盘上键入字符时，它们首先被存放在键盘设备自身的缓存中（属于键盘硬件设备的一部分）。只有输入换行符时，操作系统才会进行同步，将键盘缓存中的数据读入到stdin的输入缓冲区（存在于内存中）。所有从stdin读取数据的输入流，都是从内存中的输入缓冲区读入数据。当输入缓冲区为空时，函数将被阻塞。

若无特殊说明，以下所有的“缓冲区”均是指内存中的stdin输入缓冲区。用户程序中自定义的buffer数组、str数组等，将称作“数组”、“变量”，以免产生混淆。

scanf()

按照特定格式从stdin读取输入。

用法示例：

char str[100];
int a;
scanf("%s %d", str, &a);    // 注意，传入的一定是变量的地址

对空白字符的处理：

1. 缓冲区开头：丢弃空白字符（包括空格、Tab、换行符），直到第一个非空白字符才认为是第一个数据的开始。
2. 缓冲区中间：开始读取第一个数据后，一旦遇到空白字符（非换行符）， 就认为读取完毕一次。遇到的空白字符残留在缓冲区，直到下一次被读取或刷新。例如输入字符串this is test，则会被认为是3个字符串。
3. 缓冲区末尾：按下回车键时，换行符\n残留在缓冲区。换行符之前的空格可以认为是中间的空白字符，处理同上。

注意，格式控制符只会读取正确类型的变量。如果输入格式不正确，比如在%d处输入了一个字符a，则会使读取中断，即后续不读取任何变量。

格式控制符说明：

类型	类型输入	参数的类型
%d	十进制整数	int *
%u	无符号十进制整数	unsigned int *
%o	八进制整数	int *
%x	十六进制整数	int *
%f、%e、%g	浮点数	float *
%lf、%le、%lg	双精度浮点数	double *
%c	单个字符（含空白字符）	char *
%s	字符串	char *
%%	读 % 符号

注意，%c是一个比较特殊的格式符号，它将会读取所有空白字符，包括缓冲区开头的空格、Tab、换行符，使用时要特别注意。

scanf()的读取也没有边界，所以并不安全。C11 标准提供了安全输入scanf_s()。

scanf()对应的输出函数是printf()。

gets() - 不建议

按下回车键时，从stdin读取一行。

用法示例：

char str[100];
gets(str);

对空白字符的处理：

1. 所有空格、Tab等空白字符均被读取，不忽略。
2. 按下回车键时，缓冲区末尾的换行符被丢弃，字符串末尾没有换行符\n，缓冲区也没有残留的换行符\n。

注意，gets()不能指定读取上限，因此容易发生数组边界溢出，造成内存不安全。C11 使用了gets_s()代替gets()，但有时编译器未必支持，因此总体来说不建议使用gets()函数来读取输入。

gets()对应的输出函数是puts()。

fgets()

从指定输入流读取一行，输入可以是stdin，也可以是文件流，使用时需要显式指定。

读取文件流示例：

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);

读取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);

对空白字符的处理：

1. 所有空格、Tab等空白字符均被读取，不忽略。
2. 按下回车键时，缓冲区末尾的换行符也被读取，字符串末尾将有一个换行符\n。例如，输入字符串hello，再按下回车，则读到的字符串长度为6。

fgets()函数会自动在字符串末尾加上\0结束符。

第 2 个参数n指定了读取的最大长度。函数读到n-1个字符（包括换行符\n）就会停止，并在末尾加上\0结束符。剩余字符将残留在缓冲区。

建议使用fgets()完全替代gets()。

fgets()对应的输出函数是fputs()。

fgetc() & getc()

从指定输入流读取一个字符，输入可以是stdin，也可以是文件流，使用时需要显式指定。

这两个函数完全等效，getc()由fgetc()宏定义而来。不同的是，前述的gets()和fgets()相互之间没有关系。

用法示例：

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

对空白字符的处理：

1. 所有空格、Tab、换行等空白字符，无论在缓冲区开头、中间还是结尾，均会被读取，不忽略。
2. 因为只读取一个字符，所以如果输入多于1个字符（包括换行符），则它们均会残留在缓冲区。具体地说，如果什么字符都不输入，直接按下回车键，则读取到的是换行符\n，缓冲区无任何残留；如果输入一个字符如a，然后按下回车键，则读取到的是字符a，同时换行符\n残留在缓冲区。

fgetc()和getc()对应的输出函数是fputc()和putc()。

getchar()

从stdin读取一个字符。

getchar()实际上也由fgetc()宏定义而来，只是默认输入流为stdin。

用法示例：

char a;
a = getchar();

getchar()常常用于清理缓冲区开头残留的换行符。当知道缓冲区开头有\n残留时，可以调用getchar()但不赋值给任何变量，即可实现冲刷掉\n的效果。

getchar()对应的输出函数是putchar()。

C++ 标准输入

C++中使用标准输入输出需要包含头文件<iostream>。一般使用iostream类进行流操作，其封装很完善，也比较复杂，本文只介绍一部分。

cin

cin是 C++ 的标准输入流对象，即istream类的一个对象实例。cin有自己的缓冲区，但默认情况下是与stdin同步的，因此在 C++ 中可以混用 C++ 和 C 风格的输入输出（在不手动取消同步的情况下）。

cin与stdin一样是行缓冲，即遇到换行符时才会将数据同步到输入缓冲区。

cin的用法非常多，只列举常用的几种。最常用的就是使用>>符号（我认为该符号形象地体现了“流”的特点）。

用法示例：

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

cin对空白字符的处理与scanf一致。即：跳过开头空白字符，遇到空白字符停止读取，且空白字符（包括换行符）残留在缓冲区。

如果不想跳过空白字符，可以使用流控制关键词noskipws（no skip white space），但这只对单个字符有效（类似于scanf中的%c）。

char c;
cin >> noskipws >> c;

注意，cin对象属于命名空间std，如果想使用cin对象，必须在 C++ 文件开头写using namespace std，或者在每次用到的时候写成std::cin。

cin.get()

读取单个或指定长度的字符，包括空白字符。

用法示例：

char a, b;
char str[20];
// 读取一个字符，读取失败时返回0，多余字符残留在缓冲区（包括换行符）
a = cin.get();
// 读取一个字符，读取失败时返回EOF，多余字符残留在缓冲区（包括换行符）
cin.get(b);
// 在遇到指定终止字符（参数3）前，至多读取n-1个（参数2）字符
// 当不指定终止字符时，默认为换行符\n
// 如果输入的字符个数小于等于n-1（不含终止字符），则终止字符不残留在缓冲区
// 如果输入的字符个数多于n-1（不含终止字符），则余下字符将残留在缓冲区
cin.get(str, sizeof(str), '\n');

cin.get()读取单个字符时，类似于 C 中的fgetc()，对空白字符的处理也与其一致。cin.get()读取的字符也可以赋值给整型变量。

cin.get()读取指定长度个字符时，类似于 C 中的fgets()，但在换行符的处理上不同。它们都不会使换行符残留在缓冲区，但fgets()会将缓冲区末尾的换行符\n也写入字符串，而cin.get()会丢弃缓冲区末尾的\n。即：当输入test时，用fgets()读取得到的字符串长度为5，用cin.get()读取得到的字符串长度为4。

cin.getline()

读取指定长度的字符，包括空白字符。

用法示例：

char str[20];
cin.getline(str, sizeof(str));    // 第3个参数也可以指定终止字符

cin.getline()与cin.get()指定读取长度时的用法几乎一样。区别在于，如果输入的字符个数大于指定的最大长度n-1（不含终止符），cin.get()会使余下字符残留在缓冲区，等待下次读取；而cin.getline()会给输入流设为 Fail 状态，在主动恢复之前，无法再进行正常输入。

getline()

getline()并不是标准输入流istream的函数，而是字符串流sstream的函数，只能用于读取数据给string类对象，使用时也需要包含头文件<string>。

如果使用getline()读取标准输入流的数据，需要显式指定输入流。

用法示例：

string str;
getline(cin, str);

getline()会读取所有空白字符，且缓冲区末尾的换行符会被丢弃，不残留也不写到字符串结尾。同时，由于string对象的空间是动态分配的，所以会一次性将缓冲区读完，不存在读不完残留在缓冲区的问题。

需要注意的是，假如缓冲区开头就是换行符（比如可能是上一次cin残留的），则getline()会直接读取到空字符串并结束，不会给键盘输入的机会。所以这种情况下要注意先清除开头的换行符。

总结

在 C 中，建议使用scanf()进行格式化读取，用fgets()读取整行，用fgetc()或getchar()读取单个字符。

在 C++ 中，建议使用cin >>进行格式化读取，而cin.get()、cin.getline、getline(string)有各自的适用情况。

注意fgets()和cin.get()在对换行符的清理方面有所区别。

标准输出流

C 标准输出

标准输出流及对缓冲区的理解

相应于输入流的stdin，输出流也有其默认的文件描述符stdout，对应着命令行终端（Windows 中称为控制台）的显示。此外，还有对应错误输出的stderr，默认也是终端的显示。它们都可以被重定向到文件中以便持久保存和查看，在此不作赘述。

stdout也是行缓冲I/O，它与stdin类似也有三者之间的数据同步：从用户程序到stdout的输出缓冲区，由用户程序决定；从stdout的输出缓冲区到终端的显示，只有缓冲区末尾遇到换行符\n才会进行。如果输出缓冲区末尾没有换行符\n，是不会打印显示输出的。

例如以下程序：

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

程序 1 中，printf()输出内容的最后有换行符\n，所以将在屏幕上输出Hello World!并换行，然后进入while(1)循环阻塞住。

程序 2 中，把\n去掉了，此时终端不会显示任何内容。因为程序进入死循环后，没有机会向stdout中写入\n使其清空缓冲。

程序 3 中，虽然没有写入换行符，但是依然能够在终端打印Hello World!（只是没有换行）。这是因为程序结束时会自动清空缓冲区。（除此之外，当缓冲区被填满时也会自动清空）

程序 4 能够进一步加深对行缓冲的理解。它在程序 1 的基础上，在换行符之后又加上了几个字符。运行可以发现终端只打印了Hello World!并换行，而没有打印ABCDE。

输出函数通常没有针对对空格、制表符的特殊行为，比输入要简单一些。特殊的处理一般只有换行符。

printf()

按照特定格式将stdout缓冲区的内容打印到终端。

用法示例：

printf("Number a = %d", a);      // 十进制整数
printf("Number b = %.2f", b);    // 浮点数，保留两位小数
printf("String s = %s", s);      // 字符串

printf()的写法与scanf()十分相像。区别在于scanf()中一般只有格式控制字符，而没有其他普通字符，而printf()中常常是在一串字符中把要替换的内容写为格式控制字符，从而形成格式化输出的效果。

puts()

将字符串和一个尾随的换行符\n写入到stdout的缓冲区。根据行缓冲的性质，终端也会立即进行打印显示。

用法示例：

puts("hello");    // 立即输出hello并换行

puts()对换行符的处理与gets()“相反”。gets()会自动丢弃一个换行符，而puts()则是自动写入一个换行符。

fputs()

将字符串写入指定输出流，可以是文件流、stdout或stderr等。stderr是标准错误流，它是无缓冲的，会立即输出到屏幕，而不是等待换行符才输出。

用法示例：

fputs("hello world", stdout);    // 不会立即输出
fputs("hello world\n", stdout);  // 立即输出
fputs("hello world", stderr);  // 立即输出

与fgets()一样，fputs()不会主动操作换行符。如果希望立即输出，需要自己加上换行符\n。

fputc() & putc()

将一个字符写入指定输出流，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()只是把字符写入stdout，没有任何额外操作。因此如果希望立即输出，需要自己加上换行符\n。

putchar()

将一个字符写入到标准输出流stdout。

用法示例：

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

同上，putchar()不操作换行符。如果希望立即输出，需要自己加上换行符\n。

fflush()

该函数的功能是强制刷新缓冲区，将数据立即写到对应的文件（或设备）。其参数可以是文件流指针，也可以是stdout。

用法示例：

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

上面的程序在进入死循环前，会输出Hello World!字符串到屏幕。

注意：不能够将fflush()用于stdin！这可能导致不可预料的后果。

C++ 标准输出

cout

cout是ostream类的一个实例。cout是行缓冲的。

用法示例：

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

插入endl对象时，将立即清空输出缓冲区并显示，然后输出一个换行符\n。

也有cout.put()等函数，不常用。

cerr

cerr是标准错误流，也是ostream类的一个实例，并默认输出设备为显示屏上的命令行终端。它默认与stderr同步。

cerr是非缓冲的，即插入数据时会立即输出。

用法示例：

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

clog

clog是标准日志流，也是ostream类的一个实例，并默认输出设备为显示屏上的命令行终端。

clog是有缓冲的，但具体的刷新条件没有找到资料。实测以下代码是可以输出在屏幕的：

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

总结

标准输出相比输入来说较为简单。需要注意的是stdout和cout是行缓冲的，而stderr和cerr是无缓冲的。

C++ 流的高级用法请参考其他资料。