C 语言的输入输出流以及数据缓冲

1. 数据流与缓冲区的概念

1.1数据流

• 数据流的意义

数据流是一串连续不断的集合，就像水管里的水流，在水管的一端一点一点的地供水，而在水管的另一端看到的是一股连续不断的水流。

对数据写入程序是一段、一段地向数据流管道写入数据，这些数据会按先后顺序被整合形成一个长的数据流。

对数据读取程序而言，看不到数据流在写入时的分段情况。
每次读取都可以读取**任意长度**的数据，但只能先读取前面的数据后，再读取后面的数据，不管写入时是将数据分多次写入，读取时的效果都是完全一样的。

• 数据流的特点

在Unix/Linux中，文本流和二进制流是相同的，但在Windows中，稍有差异，所以C标准库提供了这两种类型的流。

文本流是由文本行组成的序列，每一行包含0个或多个字符，并以'\n'结尾。在某些环境中， 可能需要将文本流转换为其它表示形式（例如把'\n'映射成回车符和换行符），或从其它表示形式转换为文本流。

二进制流是由未经处理的字节构成的序列，这些字节记录着内部数据， 并具有下列性质：如果在同一系统中写入二进制流，然后再读取该二进制流，则读出和写入 的内容完全相同。

• 数据流的映射

在操作系统中，为了统一对各种硬件的操作，简化接口，不同的硬件设备都被映射成一个文件。对这些文件的操作，等同于对磁盘上普通文件的操作。

文件	硬件设备
stdin	标准输入设备（键盘）：如 scanf()、getchar() 等函数从 stdin 获取输入。
stdout	标准输出设备（显示器）；printf()、putchar() 等函数向 stdout 输出数据。
stderr	标准错误输出设备（显示器）；perror() 等函数向 stderr 输出数据。
stdprn	标准打印设备（打印机）
stdaux	标准辅助输入输出设备（异步串行口）。

程序开始执行时，默认会打开 stdin、stdout和stderr三个文件，所以我们使用 scanf()、printf() 等函数时就不需要再使用 fopen() 显式打开这些文件。

• C语言数据流的映射过程

1. 编译时打开一个流。系统将会把该流与一个文件或设备连接起来，如我要打开一个zyx.txt或从键盘输入一段数据，这时候会将该stdin流与该文件或键盘连接起来。其中在打开文件的时候，先将文件载入缓冲区，并返回一个指向FILE结构体类型的指针，该指针记录了所有控制该流的所有必要信息。
2. 接下来对这个文件zyx.txt的所有操作，将会映射成对缓冲区的操作，如我要修改文件中的一个字，只要修改该缓冲区的一个字。
3. 只有当强制刷新缓冲区、关闭文件或程序运行结束时，才将缓冲区的内容更新到文件中。

• 采用数据流的目的
  采用数据流的目的就是使得输出输入独立于设备。
  Input Stream不关心数据源来自何种设备（键盘，文件，网络）；Output Stream不关心数据的目的是何种设备（键盘，文件，网络）。

1.2 缓冲区

• 缓冲区的意义

>缓冲区又称为缓存，它是内存空间的一部分，用来存储输入和要输出的数据，可以加速对数据的操作。

• 缓冲区的分类
  缓冲区 分为三种类型：全缓冲、行缓冲和不带缓冲。

全缓冲
在这种情况下，当填满标准I/O缓存后才进行实际I/O操作。全缓冲的典型代表是对磁盘文件的读写。

行缓冲
在这种情况下，当在输入和输出中遇到换行符时，执行真正的I/O操作。这时，我们输入的字符先存放在缓冲区，等按下回车键换行时才进行实际的I/O操作。典型代表是标准输入(stdin)和标准输出(stdout)。

不带缓冲
也就是不进行缓冲，标准出错情况stderr是典型代表，这使得出错信息可以直接尽快地显示出来。

• 缓冲区的特点

ANSI C( C89 )要求缓存具有下列特征：
当且仅当标准输入和标准输出并不涉及交互设备时，它们才是全缓存的。
标准出错决不会是全缓存的。

大部分系统默认使用下列类型的缓存：
标准出错是不带缓存的。
如果是涉及终端设备的流，则它们是行缓存的；
否则是全缓存的。

我们经常要用到标准输入输出流，而ANSI C对stdin、stdout和stderr的缓存特征没有强行的规定，以至于不同的系统可能有不同的stdin、stdout和stderr的缓存特征。
目前主要的缓存特征是：stdin和stdout是行缓存；而stderr是无缓存的。

• 缓冲区的大小
  如果我们没有自己设置缓冲区的话，系统会默认为标准输入输出设置一个缓冲区，这个缓冲区的大小通常是512个字节的大小。
  缓冲区大小由 stdio.h 头文件中的宏 BUFSIZ 定义，如果希望查看它的大小，包含头文件，直接输出它的值即可，如下所示：
  
  缓冲区的大小是可以改变的，也可以将文件关联到自定义的缓冲区，详情可以查看 setbuf() 函数。
• 缓冲区的刷新
  以下情况会引发缓冲区的刷新
  • 缓冲区满时；
  • 行缓冲区遇到回车时；
  • 关闭文件；
  • 使用特定函数刷新缓冲区。

2. 几个常用输入输出函数

• scanf() and printf()
  scanf() 函数用于从标准输入stdin（键盘）读取并格式化， printf() 函数发送格式化输出到标准输出stdout（屏幕）。
  scanf的函数声明如下：

int scanf(const char *format,…)

而参数format是是一个字符指针，简单说就是一个 C 字符串，format 的说明符形式为：

[=%[*][width][modifiers]type=]

详情请参考https://www.runoob.com/cprogramming/c-function-scanf.html
printf的函数声明如下：

int printf(const char *format, …)

format – 这是字符串，包含了要被写入到标准输出 stdout 的文本。它可以包含嵌入的 format 标签，format 标签可被随后的附加参数中指定的值替换，并按需求进行格式化。
format 标签属性是:

%[flags][width][.precision][length]specifier

示例如下：

• getchar() and putchar()

int getchar(void) 函数从屏幕读取下一个可用的字符，并把它返回为一个整数。这个函数在同一个时间内只会读取一个单一的字符。您可以在循环内使用这个方法，以便从屏幕上读取多个字符。

int putchar(int c) 函数把字符输出到屏幕上，并返回相同的字符。这个函数在同一个时间内只会输出一个单一的字符。您可以在循环内使用这个方法，以便在屏幕上输出多个字符。

示例如下：

#include <stdio.h>

int main() {
	// int c[10];
	// 报错：c = getchar();incompatible types when assigning to type 'int[10]' from type 'int'
	// 也就是：从int到int[10]是不兼容的类型；
	// char *c;
	// 警告：c = getchar();从int到指针的类型是没有强制转换的
	// 可以输出，getchar()返回的整数被赋值给了指针(指向的地址），而指针直接把地址作为参数，让putchar以此为输出，
	// 由于中间没有经过类型转换，或其他中间步骤，所以可以直接输出字符。
	// 虽然逻辑上没有问题，但是这样有可能造成内存访问违规。
	// 而无论是int c;还是char c;都没有问题，因为中间的强制类型转换是按照ASCII码对照表来转换，所以不会出现问题。
	char c;
	printf("pls input hello：\n");
	c = getchar();/*getchar()经历了先将c强制类型转换为整形，又由于“=”强制转换为char类型*/
	printf("ASCII码Number：%d ->", c);
	printf("转换成字符：%c\n", c);
	putchar(c);
    return 0;
}

运行结果如下：

当程序调用getchat()时，程序等待用户通过键盘非回车键输入值，当用户按下回车键，这些输入的值包括最后输入的回车‘\n’将全部存放在缓冲区，第一个字符作为函数返回值返回。
如果这时候继续调用getchar()函数，那么剩余的在缓冲区中未经过返回的值，将会把第二个返回，以此类推，直到调用getchar()将剩余值全部都输出。而这时候需要一个终止量来终止getchar()的内容,在值的最后是一个回车符号‘\n’,可以通过它来判断。

#include <stdio.h>

int main() {
	char s;
	s = getchar();
	printf("%c\n", s);
	system("PAUSE");
	while((s = getchar())!= '\n')
	{
		printf("%c\n", s);
	}
	system("PAUSE");
    return 0;
}

注意上面的判断语句中\n是用单引号。
在C语言中单双引号是不同的意义，单引号修饰单个字符，双引号修饰的是字符串。而在C语言的字符串中，默认会在字符串的最后加上’\0’，而这就意味着字符串"\n"里面实际上是（转义字符修饰的可以算作一个字符）字符’\n’的后面还有一个字符’\0’，也就是字符串"\n\0" ，而自然’\n’!="\n\0","\n"也就无法实现终止了。
用单引号的结果，有终止，如下所示：

用双引号，无终止，如下所示：

• gets() and puts()
  gets()函数声明如下：

char *gets(char *s)

gets函数从stdin中读取一行到s所指向的缓冲区，知道一个终止符或EOF。
puts()函数声明如下：

int puts(const char *s)

puts函数把字符串s和一个尾随的换行符写入到stdout。
示例如下：

#include <stdio.h>

int main() {
	char str[100];
	printf("请你输入：\n");
	gets(str);
	printf("你的输入是：");
	puts(str);
    return 0;
}

编译运行结果为：

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参考文档1https://blog.csdn.net/weixin_41632560/article/details/82141591
参考文档2http://c.biancheng.net/cpp/html/2415.html
参考文档3https://www.jianshu.com/p/2a4a4056eae7