FW: printf()詳解之終極無惑

printf()詳解之終極無惑

2016年08月24日 20:01:53 Dablelv 閱讀數：53819更多

所屬專欄： C/C++基礎知識點

 

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1.printf()簡介

printf()是C語言標準庫函數，用於將格式化後的字符串輸出到標準輸出。標準輸出，即標準輸出文件，對應終端的屏幕。printf()申明於頭文件stdio.h。

函數原型：

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

• 1

返回值：
正確返回輸出的字符總數，錯誤返回負值。與此同時，輸入輸出流錯誤標誌將被置值，可由指示器函數ferror(FILE *stream)來檢查輸入輸出流的錯誤標誌，若是ferror()返回一個非零值，表示出錯。

調用格式：
printf()函數的調用格式爲:printf("格式化字符串",輸出表列)。

格式化字符串包含三種對象，分別爲：
（1）字符串常量；
（2）格式控制字符串；
（3）轉義字符。
字符串常量原樣輸出，在顯示中起提示做用。輸出表列中給出了各個輸出項，要求格式控制字符串和各輸出項在數量和類型上應該一一對應。其中格式控制字符串是以%開頭的字符串，在%後面跟有各類格式控制符，以說明輸出數據的類型、寬度、精度等。

**注：**本文的全部示例代碼均在Linux環境下以g++ 4.4.6編譯成64位程序的執行。

2.格式控制字符串詳解

printf的格式控制字符串組成以下：

%[flags][width][.prec][length]type

•  

分別爲：

%[標誌][最小寬度][.精度][類型長度]類型。

•  

2.1類型（type）

首先說明類型，由於類型是格式控制字符串的重中之重，是必不可少的組成部分，其它的選項都是可選的。type用於規定輸出數據的類型，含義以下：

字符	對應數據類型	含義	示例
d/i	int	輸出十進制有符號32bits整數，i是老式寫法	printf("%i",123);輸出123
o	unsigned int	無符號8進制(octal)整數(不輸出前綴0)	printf("0%o",123);輸出0173
u	unsigned int	無符號10進制整數	printf("%u",123);輸出123
x/X	unsigned int	無符號16進制整數，x對應的是abcdef，X對應的是ABCDEF（不輸出前綴0x)	printf("0x%x 0x%X",123,123);輸出0x7b 0x7B
f/lf	float(double)	單精度浮點數用f,雙精度浮點數用lf(printf可混用，但scanf不能混用)	printf("%.9f %.9lf",0.000000123,0.000000123);輸出0.000000123 0.000000123。注意指定精度，不然printf默認精確到小數點後六位
F	float(double)	與f格式相同，只不過 infinity 和 nan 輸出爲大寫形式。	例如printf("%f %F %f %F\n",INFINITY,INFINITY,NAN,NAN);輸出結果爲inf INF nan NAN
e/E	float(double)	科學計數法，使用指數(Exponent)表示浮點數，此處"e"的大小寫表明在輸出時「e」的大小寫	printf("%e %E",0.000000123,0.000000123);輸出1.230000e-07 1.230000E-07
g	float(double)	根據數值的長度，選擇以最短的方式輸出，%f或%e	printf("%g %g",0.000000123,0.123);輸出1.23e-07 0.123
G	float(double)	根據數值的長度，選擇以最短的方式輸出，%f或%E	printf("%G %G",0.000000123,0.123);輸出1.23E-07 0.123
c	char	字符型。能夠把輸入的數字按照ASCII碼相應轉換爲對應的字符	printf("%c\n",64)輸出A
s	char*	字符串。輸出字符串中的字符直至字符串中的空字符（字符串以空字符’\0‘結尾）	printf("%s","測試test");輸出：測試test
S	wchar_t*	寬字符串。輸出字符串中的字符直至字符串中的空字符（寬字符串以兩個空字符’\0‘結尾）	setlocale(LC_ALL,"zh_CN.UTF-8"); wchar_t wtest[]=L"測試Test"; printf("%S\n",wtest); 輸出：測試test
p	void*	以16進制形式輸出指針	printf("0x%p","lvlv");輸出：0x000000013FF73350
n	int*	什麼也不輸出。%n對應的參數是一個指向signed int的指針，在此以前輸出的字符數將存儲到指針所指的位置	int num=0; printf("lvlv%n",&num); printf("num:%d",num); 輸出:lvlvnum:4
%	字符%	輸出字符‘%’（百分號）自己	printf("%%");輸出:%
m	無	打印errno值對應的出錯內容	printf("%m\n");
a/A	float(double)	十六進制p計數法輸出浮點數，a爲小寫，A爲大寫	printf("%a %A",15.15,15.15);輸出：0x1.e4ccccccccccdp+3 0X1.E4CCCCCCCCCCDP+3

注意：
（1）使用printf輸出寬字符時，須要使用setlocale指定本地化信息並同時指明當前代碼的編碼方式。除了使用%S，還可使用%ls。
（2）%a和%A是C99引入的格式化類型，採用十六進制p計數法輸出浮點數。p計數法相似E科學計數法，但不一樣。數以0x開頭，而後是16進制浮點數部分，接着是p後面是以 2爲底的階碼。以上面輸出的15.15爲例，推算輸出結果。15.15轉換成二進制爲1111.00 1001 1001 1001 1001 ...，由於二進制表示數值的離散特色，計算機對於小數有時是不能精確表示的，好比0.5能夠精確表示爲0.12

0.12​，而0.15卻不能精確表示。將15.15對應的二進制右移三位，爲1.1110 0100 1100 1100 1100 ...轉換對應的十六進制就是0x1.e4ccccccccccd，注意舍入時向高位進了1位。因爲右移三位，因此二進制階碼就是3。最後的結果就是0x1.e4ccccccccccdp+3。

（3）格式控制字符串除了指明輸出的數據類型，還能夠包含一些其它的可選的格式說明，依序有 flags, width, .precision and length。下面一一講解。

2.2標誌（flags）

flags規定輸出樣式，取值和含義以下：

字符	名稱	說明
-	減號	結果左對齊，右邊填空格。默認是右對齊，左邊填空格。
+	加號	輸出符號(正號或負號)
space	空格	輸出值爲正時加上空格，爲負時加上負號
#	井號	type是o、x、X時，增長前綴0、0x、0X。 type是a、A、e、E、f、g、G時，必定使用小數點。默認的，若是使用.0控制不輸出小數部分，則不輸出小數點。 type是g、G時，尾部的0保留。
0	數字零	將輸出的前面補上0，直到佔滿指定列寬爲止（不能夠搭配使用「-」）

示例：

printf("%5d\n",1000); 				//默認右對齊,左邊補空格
printf("%-5d\n",1000); 				//左對齊,右邊補空格

printf("%+d %+d\n",1000,-1000);		//輸出正負號

printf("% d % d\n",1000,-1000);		//正號用空格替代，負號輸出

printf("%x %#x\n",1000,1000);		//輸出0x

printf("%.0f %#.0f\n",1000.0,1000.0)//當小數點後不輸出值時依然輸出小數點

printf("%g %#g\n",1000.0,1000.0);	//保留小數點後後的0

printf("%05d\n",1000);				//前面補0

•  

輸出結果爲：

2.3輸出最小寬度（width）

用十進制整數來表示輸出的最少位數。若實際位數多於指定的寬度，則按實際位數輸出，若實際位數少於定義的寬度則補以空格或0。width的可能取值以下：

width	描述	示例
數值	十進制整數	printf("%06d",1000);輸出:001000
*	星號。不顯示指明輸出最小寬度，而是以星號代替，在printf的輸出參數列表中給出	printf("%0*d",6,1000);輸出:001000

2.4精度（.precision）

精度格式符以「.」開頭，後跟十進制整數。可取值以下：

.precision	描述
.數值	十進制整數。 (1)對於整型（d,i,o,u,x,X）,precision表示輸出的最小的數字個數，不足補前導零，超過不截斷。 (2)對於浮點型（a, A, e, E, f ），precision表示小數點後數值位數，默認爲六位，不足補後置0，超過則截斷。 (3)對於類型說明符g或G，表示可輸出的最大有效數字。 (4)對於字符串（s），precision表示最大可輸出字符數，不足正常輸出，超過則截斷。 precision不顯示指定，則默認爲0
.*	以星號代替數值，相似於width中的*，在輸出參數列表中指定精度。

 

示例：

printf("%.8d\n",1000);			//不足指定寬度補前導0，效果等同於%06d
printf("%.8f\n",1000.123456789);//超過精度，截斷
printf("%.8f\n",1000.123456);	//不足精度，補後置0
printf("%.8g\n",1000.123456);	//最大有效數字爲8位
printf("%.8s\n",「abcdefghij」);	//超過指定長度截斷

•  

輸出結果：

00001000
1000.12345679
1000.12345600
1000.1235
abcdefgh

注意： 在對浮點數和整數截斷時，存在四捨五入。

2.5類型長度（length）

類型長度指明待輸出數據的長度。由於相同類型能夠有不一樣的長度，好比整型有16bits的short int，32bits的int，也有64bits的long int，浮點型有32bits的單精度float和64bits的雙精度double。爲了指明同一類型的不一樣長度，因而乎，類型長度（length）應運而生，成爲格式控制字符串的一部分。

由於Markdown表格不支持單元格合併，背景顏色等樣式，因此直接引用printf.C++ reference的表格。

**注意：**黃色背景行標識的類型長度說明符和相應的數據類型是C99引入的。

示例代碼：

printf("%hhd\n",'A');				//輸出有符號char
printf("%hhu\n",'A'+128);			//輸出無符號char
printf("%hd\n",32767);				//輸出有符號短整型short int
printf("%hu\n",65535);				//輸出無符號短整型unsigned short int
printf("%ld\n",0x7fffffffffffffff);	//輸出有符號長整型long int
printf("%lu\n",0xffffffffffffffff);	//輸出有符號長整型unsigned long int

•  

輸出結果：

65
193
32767
65535
9223372036854775807
18446744073709551615

•  

注意：
long int究竟是32bits仍是64bits跟生成的程序是32bits仍是64bits一一對應，若是使用g++編譯程序的話，可經過-m32或-m64選項分別生成32bits和64bits的程序。因本人測試代碼編譯生成的是64bits的程序，因此long int也就是64btis。

3.轉義字符

轉義字符在字符串中會被自動轉換爲相應操做命令。printf()使用的常見轉義字符以下：

轉義字符	意義
\a	警報（響鈴）符
\b	回退符
\f	換頁符
\n	換行符
\r	回車符
\t	橫向製表符
\v	縱向製表符
\\	反斜槓
"	雙引號

#4.關於printf緩衝
在printf的實現中，在調用write以前先寫入IO緩衝區，這是一個用戶空間的緩衝。系統調用是軟中斷，頻繁調用，須要頻繁陷入內核態，這樣的效率不是很高，而printf實際是向用戶空間的IO緩衝寫，在知足條件的狀況下才會調用write系統調用，減小IO次數，提升效率。

printf在glibc中默認爲行緩衝，遇到如下幾種狀況會刷新緩衝區，輸出內容：
（1）緩衝區填滿；
（2）寫入的字符中有換行符\n或回車符\r；
（3）調用fflush手動刷新緩衝區；
（4）調用scanf要從輸入緩衝區中讀取數據時，也會將輸出緩衝區內的數據刷新。

可以使用setbuf(stdout,NULL)關閉行緩衝，或者setbuf(stdout,uBuff)設置新的緩衝區，uBuff爲本身指定的緩衝區。也可使用setvbuf(stdout,NULL,_IOFBF,0);來改變標準輸出爲全緩衝。全緩衝與行緩衝的區別在於遇到換行符不刷新緩衝區。

printf在VC++中默認關閉緩衝區，輸出時會及時的輸到屏幕[3]

[3]。若是顯示開啓緩衝區，只能設置全緩衝。由於微軟閉源，因此沒法研究printf函數的實現源碼。

Linux和Windows下的緩衝區管理可見：C的全緩衝、行緩衝和無緩衝。

5.printf與wprintf不能同時使用

該小結寫在2018年1月15日。兩年後的今日，在網上苦苦搜索尋求答案，終於解決了以前的疑惑。

在輸出寬字符串時，發現將printf和wprintf同時使用時，則後使用的函數沒有輸出。這裏建議不要同時使用printf和wprintf，以避免發生錯誤。

printf和wprintf不能同時輸出寬字符串的示例代碼以下：

#include <stdio.h>
#include <wchar.h>
#include <locale.h>

int main(int argc,char* argv[])
{
	char test[]="測試Test";
	setlocale(LC_ALL,"zh_CN.UTF-8");
    wchar_t wtest[]=L"0m~K0m~UTest";
	printf("printf:%S\n",wtest);     //語句1：可正常輸出"測試Test"
    wprintf(L"wprintf:%S\n",wtest);  //語句2：無任何內容輸出
}

上面的代碼中語句1和語句二不能同時存在，不然只能正常輸出第一個。也不知道在Windows平臺是否也存在這種問題，有興趣的讀者能夠嘗試一下。關於緣由，GNU官方文檔中有明確說明不能同時使用printf與wprintf，參見The GNU C Library Section 12.6 Streams in Internationalized Applications，內容以下：

It is important to never mix the use of wide and not wide operations on a stream. There are no diagnostics issued. The application behavior will simply be strange or the application will simply crash.

•  

這裏是由於輸出流在被建立時，不存在流定向，一旦使用了printf(多字節流)或wprintf(寬字符流)後，就被設置爲對應的流定向，且沒法更改。可使用以下函數獲取當前輸出流的流定向。

//
//@param:stream:文件流；mode：取值能夠>0，=0或<0
//@ret:<0:流已被設置爲多字節流定向；=0:流還沒有被設置；>0:流已被設置爲寬字符流定向
//
int fwide (FILE* stream, int mode);

//獲取當前標準輸出流定向
int ret=fwide(stdout,0);

經過fwide能夠設置當前流定向，前提是未有任何的I/O操做，也就是當前流還沒有被設置任何流定向。順帶吐槽一下，不知爲什麼標準庫函數fwide爲什麼實現的如此受限。具體操做以下：

//設置標準輸出流定向爲多字節流定向
fwide(stdout,-1);

//設置標準輸出流定向爲寬字符流定向
fwide(stdout,1);

• 1

既然GNU C存在這個問題，那該如何解決呢？這裏有兩種辦法：
（1）統一使用一種函數。
例如：

wprintf(L"%s","a\n");
wprintf(L"b\n");

或

printf("a\n");
printf("%ls\n",L"b");

• 1
• 2

（2）使用freopen清空流定向。

//從新打開標準輸出流，清空流定向
FILE* pFile=freopen("/dev/tty","w",stdout);
wprintf(L"wide freopen succeeded\n");
	
//從新打開標準輸出流，清空流定向
pFile=freopen("/dev/tty","w",stdout);
printf("narrow freopen succeeded\n");

上面可讓printf與wprintf同時使用。

6.小結

耗時將近兩年，終於完成了此篇看似基礎，但卻紛繁複雜的printf()用法。因爲時間和我的水平有限，文章不足之處在所不免，也請讀者批評指正，不甚感激。

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參考文獻

[1]淺談C中的wprintf和寬字符顯示
[2]printf.C++ reference
[3]Why does printf not flush after the call unless a newline is in the format string?
[4]格式規範語法：printf 和 wprintf 函數
[5]The GNU C Library Section 12.6 Streams in Internationalized Applications
[6]fwide.C++ reference