输入输出与格式化字符串（C/C++）
头文件<stdio.h>
C标准库头文件 <stdio.h> 中定义了三个变量类型、一些宏和各种函数来执行输入和输出。
三个库变量
下面是头文件 <stdio.h> 中定义的变量类型：
| 序号 | 变量 & 描述 |
|---|---|
| 1 | size_t 这是无符号整数类型，它是 sizeof 关键字的结果。 |
| 2 | FILE 这是一个适合存储文件流信息的对象类型。 |
| 3 | fpos_t 这是一个适合存储文件中任何位置的对象类型。 |
库宏
下面是头文件 stdio.h 中定义的宏：
| 序号 | 宏 & 描述 |
|---|---|
| 1 | NULL 这个宏是一个空指针常量的值。 |
| 2 | _IOFBF、_IOLBF 和 _IONBF 这些宏扩展了带有特定值的整型常量表达式，并适用于 setvbuf 函数的第三个参数。 |
| 3 | BUFSIZ 这个宏是一个整数，该整数代表了 setbuf 函数使用的缓冲区大小。 |
| 4 | EOFM 这个宏是一个表示已经到达文件结束的负整数。 |
| 5 | FOPEN_MAX 这个宏是一个整数，该整数代表了系统可以同时打开的文件数量。 |
| 6 | FILENAME_MAX 这个宏是一个整数，该整数代表了字符数组可以存储的文件名的最大长度。如果实现没有任何限制，则该值应为推荐的最大值。 |
| 7 | L_tmpnam 这个宏是一个整数，该整数代表了字符数组可以存储的由 tmpnam 函数创建的临时文件名的最大长度。 |
| 8 | SEEK_CUR、SEEK_END 和 SEEK_SET 这些宏是在These macros are used in the fseek 函数中使用，用于在一个文件中定位不同的位置。 |
| 9 | TMP_MAX 这个宏是 tmpnam 函数可生成的独特文件名的最大数量。 |
| 10 | stderr、stdin 和 stdout 这些宏是指向 FILE 类型的指针，分别对应于标准错误、标准输入和标准输出流。 |
库函数
下面是头文件 stdio.h 中定义的函数：
| 序号 | 函数 & 描述 |
|---|---|
| 1 | int fclose(FILE stream) 关闭流 stream。刷新所有的缓冲区。 |
| 2 | void clearerr(FILE stream) 清除给定流 stream 的文件结束和错误标识符。 |
| 3 | int feof(FILE stream) 测试给定流 stream 的文件结束标识符。 |
| 4 | int ferror(FILE stream) 测试给定流 stream 的错误标识符。 |
| 5 | int fflush(FILE stream) 刷新流 stream 的输出缓冲区。 |
| 6 | int fgetpos(FILE stream, fpos_t pos) 获取流 stream 的当前文件位置，并把它写入到 pos。 |
| 7 | FILE fopen(const char filename, const char mode) 使用给定的模式 mode 打开 filename 所指向的文件。 |
| 8 | size_t fread(void ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE stream) 从给定流 stream 读取数据到 ptr 所指向的数组中。 |
| 9 | FILE freopen(const char filename, const char mode, FILE stream) 把一个新的文件名 filename 与给定的打开的流 stream 关联，同时关闭流中的旧文件。 |
| 10 | int fseek(FILE stream, long int offset, int whence) 设置流 stream 的文件位置为给定的偏移 offset，参数 offset 意味着从给定的 whence 位置查找的字节数。 |
| 11 | int fsetpos(FILE stream, const fpos_t pos) 设置给定流 stream 的文件位置为给定的位置。参数 pos 是由函数 fgetpos 给定的位置。 |
| 12 | long int ftell(FILE stream) 返回给定流 stream 的当前文件位置。 |
| 13 | size_t fwrite(const void ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE stream) 把 ptr 所指向的数组中的数据写入到给定流 stream 中。 |
| 14 | int remove(const char filename) 删除给定的文件名 filename，以便它不再被访问。 |
| 15 | int rename(const char old_filename, const char new_filename) 把 old_filename 所指向的文件名改为 new_filename。 |
| 16 | void rewind(FILE stream) 设置文件位置为给定流 stream 的文件的开头。 |
| 17 | void setbuf(FILE stream, char buffer) 定义流 stream 应如何缓冲。 |
| 18 | int setvbuf(FILE stream, char buffer, int mode, size_t size) 另一个定义流 stream 应如何缓冲的函数。 |
| 19 | FILE tmpfile(void) 以二进制更新模式(wb+)创建临时文件。 |
| 20 | char tmpnam(char str) 生成并返回一个有效的临时文件名，该文件名之前是不存在的。 |
| 21 | int fprintf(FILE stream, const char format, ...) 发送格式化输出到流 stream 中。 |
| 22 | int printf(const char format, ...) 发送格式化输出到标准输出 stdout。 |
| 23 | int sprintf(char str, const char format, ...) 发送格式化输出到字符串。 |
| 24 | int vfprintf(FILE stream, const char format, va_list arg) 使用参数列表发送格式化输出到流 stream 中。 |
| 25 | int vprintf(const char format, va_list arg) 使用参数列表发送格式化输出到标准输出 stdout。 |
| 26 | int vsprintf(char str, const char format, va_list arg) 使用参数列表发送格式化输出到字符串。 |
| 27 | int fscanf(FILE stream, const char format, ...) 从流 stream 读取格式化输入。 |
| 28 | int scanf(const char format, ...) 从标准输入 stdin 读取格式化输入。 |
| 29 | int sscanf(const char str, const char format, ...) 从字符串读取格式化输入。 |
| 30 | int fgetc(FILE stream) 从指定的流 stream 获取下一个字符（一个无符号字符），并把位置标识符往前移动。 |
| 31 | char fgets(char str, int n, FILE stream) 从指定的流 stream 读取一行，并把它存储在 str 所指向的字符串内。当读取 (n-1) 个字符时，或者读取到换行符时，或者到达文件末尾时，它会停止，具体视情况而定。 |
| 32 | int fputc(int char, FILE stream) 把参数 char 指定的字符（一个无符号字符）写入到指定的流 stream 中，并把位置标识符往前移动。 |
| 33 | int fputs(const char str, FILE stream) 把字符串写入到指定的流 stream 中，但不包括空字符。 |
| 34 | int getc(FILE stream) 从指定的流 stream 获取下一个字符（一个无符号字符），并把位置标识符往前移动。 |
| 35 | int getchar(void) 从标准输入 stdin 获取一个字符（一个无符号字符）。 |
| 36 | char gets(char str) 从标准输入 stdin 读取一行，并把它存储在 str 所指向的字符串中。当读取到换行符时，或者到达文件末尾时，它会停止，具体视情况而定。 |
| 37 | int putc(int char, FILE stream) 把参数 char 指定的字符（一个无符号字符）写入到指定的流 stream 中，并把位置标识符往前移动。 |
| 38 | int putchar(int char) 把参数 char 指定的字符（一个无符号字符）写入到标准输出 stdout 中。 |
| 39 | int puts(const char str) 把一个字符串写入到标准输出 stdout，直到空字符，但不包括空字符。换行符会被追加到输出中。 |
| 40 | int ungetc(int char, FILE stream) 把字符 char（一个无符号字符）推入到指定的流 stream 中，以便它是下一个被读取到的字符。 |
| 41 | void perror(const char str) 把一个描述性错误消息输出到标准错误 stderr。首先输出字符串 str，后跟一个冒号，然后是一个空格。 |
输入流
scanf
函数原型
int scanf(const char *format, ...);
描述
从标准输入 stdin 读取格式化输入。
参数
- format -- 这是C字符串，包含了以下各项中的一个或多个：空格字符、非空格字符和format说明符（format说明符将在下面单独重点讲解）。
- 附加参数 -- 根据不同的format字符串，函数可能需要一系列的附加参数，每个参数包含了一个要被插入的值，替换了format参数中指定的每个%标签。参数的个数应与%标签的个数相同。
返回值
如果成功，该函数返回成功匹配和赋值的个数。如果到达文件末尾或发生读错误，则返回EOF（-1）。
sscanf
函数原型
int sscanf(const char *str, const char *format, ...);
描述
从字符串读取格式化输入。
参数
- str -- 这是C字符串，是函数检索数据的源。
- format -- 这是C字符串，包含了以下各项中的一个或多个：空格字符、非空格字符和format说明符。
- 附加参数 -- 这个函数接受一系列的指针作为附加参数，每一个指针都指向一个对象，对象类型由format字符串中相应的 % 标签指定，参数与 % 标签的顺序相同。
针对检索数据的format字符串中的每个format说明符，应指定一个附加参数。如果您想要把sscanf操作的结果存储在一个普通的变量中，您应该在标识符前放置引用运算符（&），例如：
int n; sscanf (str,"%d",&n);
返回值
如果成功，该函数返回成功匹配和赋值的个数。如果到达文件末尾或发生读错误，则返回EOF（-1）。
fscanf
函数原型
int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);
描述
从流stream读取格式化输入。
参数
- stream -- 这是指向FILE对象的指针，该FILE对象标识了流。
- format -- 这是C字符串，包含了以下各项中的一个或多个：空格字符、非空格字符和format说明符。
- 附加参数 -- 根据不同的format字符串，函数可能需要一系列的附加参数，每个参数包含了一个要被插入的值，替换了format参数中指定的每个%标签。参数的个数应与%标签的个数相同。
返回值
如果成功，该函数返回成功匹配和赋值的个数。如果到达文件末尾或发生读错误，则返回EOF（-1）。
format说明符
又称格式化字符串，输入流的format形式为%[*][width][modifiers]type]，具体讲解如下：
| 参数 | 描述 |
| * | 这是一个可选的星号，表示从流stream中读取数据，但是忽略（跳过）它，即不将它存储在参数中。 |
| width | 指定了当前读取操作中可读取的最大字符数。 |
| modifiers |
为对应的附加参数所指向的数据指定一个不同于整型、无符号整型或浮点型的大小。 h：短整型（针对d、i和n）或无符号短整型（针对o、u和x） l：长整型（针对d、i和n）或无符号长整型（针对o、u和x），或双精度型（针对e、f和g） L：长双精度型（针对e、f和g） |
| type | 一个字符，指定了要被读取的数据类型以及数据读取方式，具体参见下一个表格。 |
scanf 类型说明符
| 类型 | 合格的输入 | 参数类型 |
|---|---|---|
| c | 单个字符：读取下一个字符。如果指定了一个不为1的宽度 width，函数会读取width个字符，并通过参数传递，把它们存储在数组中连续位置。在末尾不会追加空字符。 | char |
| d | 十进制整数：数字前面的+或-号是可选的。 | int |
| e,E,f,g,G | 浮点数：包含了一个小数点、一个可选的前置符号+或-、一个可选的后置字符e或E，以及一个十进制数字。两个有效的实例 -732.103和7.12e4 | float |
| o | 八进制整数。 | int |
| s | 字符串。这将读取连续字符，直到遇到一个空格字符（空格字符可以是空白、换行和制表符）。 | char |
| u | 无符号的十进制整数。 | unsigned int |
| x,X | 十六进制整数。 | int * |
输出流
printf
函数原型
int printf(const char *format, ...);
描述
发送格式化输出到标准输出stdout。
参数
- 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（格式化字符串format将在下面单独重点讲解）。
- 附加参数 -- 根据不同的format字符串，函数可能需要一系列的附加参数，每个参数包含了一个要被插入的值，替换了format参数中指定的每个 % 标签。参数的个数应与 % 标签的个数相同。
返回值
如果成功，则返回写入的字符总个数，否则返回一个负数。
sprintf
函数原型
int sprintf(char *str, const char *format, ...);
描述
发送格式化输出到 str 所指向的字符串。
参数
- str -- 这是指向一个字符数组的指针，该数组存储了C字符串。
- format -- 这是字符串，包含了要被写入到字符串str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。
- 附加参数 -- 根据不同的format字符串，函数可能需要一系列的附加参数，每个参数包含了一个要被插入的值，替换了format参数中指定的每个%标签。参数的个数应与%标签的个数相同。
返回值
如果成功，则返回写入的字符总数，不包括字符串追加在字符串末尾的空字符。如果失败，则返回一个负数。
fprintf
函数原型
int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
描述
发送格式化输出到流stream中。
参数
- stream -- 这是指向FILE对象的指针，该FILE对象标识了流。
- format -- 这是C字符串，包含了要被写入到流stream中的文本。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。
- 附加参数 -- 根据不同的format字符串，函数可能需要一系列的附加参数，每个参数包含了一个要被插入的值，替换了format参数中指定的每个%标签。参数的个数应与%标签的个数相同。
返回值
如果成功，则返回写入的字符总个数，否则返回一个负数。
vprintf
函数原型
int vfprintf(FILE *stream, const char *format, va_list arg);
描述
使用参数列表发送格式化输出到流 stream 中。
参数
- stream -- 这是指向FILE对象的指针，该FILE对象标识了流。
- format -- 这是C字符串，包含了要被写入到流stream中的文本。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。
- arg -- 一个表示可变参数列表的对象。这应被 中定义的va_start宏初始化。
返回值
如果成功，则返回写入的字符总数，否则返回一个负数。
vsprintf
函数原型
int vsprintf(char *str, const char *format, va_list arg);
描述
使用参数列表发送格式化输出到字符串。
参数
- str -- 这是指向一个字符数组的指针，该数组存储了C字符串。
- format -- 这是字符串，包含了要被写入到字符串str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。
- arg -- 一个表示可变参数列表的对象。这应被 中定义的va_start宏初始化。
返回值
如果成功，则返回写入的字符总数，否则返回一个负数。
vfprintf
函数原型
int vfprintf(FILE *stream, const char *format, va_list arg);
描述
使用参数列表发送格式化输出到流stream中。
参数
- stream -- 这是指向 FILE 对象的指针，该 FILE 对象标识了流。
- format -- 这是 C 字符串，包含了要被写入到流 stream 中的文本。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。
- arg -- 一个表示可变参数列表的对象。这应被 中定义的va_start宏初始化。
返回值
如果成功，则返回写入的字符总数，否则返回一个负数。
printf中的格式化字符串
输出流以printf函数为基础，有一系列功能各异的输出函数（fprintf、sprintf、snprintf等），它们都在输出时使用了强大的格式化字符串。格式化字符串以一个%开始，以类型字段（d、f、x等）结束，完整格式如下：
%[参数][标志][宽度][.精度][长度]类型
注意：除了%和类型之外均为可选字段。
参数
参数字段为POSIX扩展功能，非C99标准定义。使用 m$ 指定格式化字符串之后的第$m$个参数，从$14开始编号。假如使用了参数字段，则所有的参数必须都至少使用一次，即从 1$ 到 n$ 都必须至少出现一次（其中 n 为格式化字符串之后的参数个数），否则编译时将产生如下警告：
warning: missing $ operand number in format [-Wformat=]
借助参数字段，可以实现参数的多次使用、乱序使用等，而不需要重复书写参数。例如： printf("%2$d %2$#x; %1$d %1$#x",16,17); 将输出 17 0x11; 16 0x10 ，两个参数都使用了两次，且先使用第二个参数（同时也使用了下一节的 # 标志）。
标志
- - ：左对齐（默认为右对齐）
- + ：给正数附加符号前缀（默认为正数没有任何前缀）
- ``(空格)：给正数附加空格前缀（默认为正数没有任何前缀）
- 0 ：指定了宽度字段（见下文）且为右对齐时，前缀补0（默认补空格；当使用 - 标志指定了左对齐时， 0 标志失效）
- # ：使用「备选格式」。对于g和G类型，不省略小数点部分最后的0；对于f、F、e、E、g、G类型，总是输出小数点；对于o、x、X类型，分别在非零数值前附加0、0x、0X 前缀。上一节的例子中就使用了 # 标志。
宽度
宽度字段指定输出字符的最小长度。长度不足的输出将使用填充字符补齐，填充字符及对齐方式使用上述的 0 标志和 - 标志确定；超长的输出不受影响（当然可使用下文的精度字段限定）。
当指定宽度字段时，可使用确定的整数值静态指定，也可使用 * 号由某个参数动态指定。例如 printf("%0*d", 5, 10); 将输出 00010 。注意：此例不能写成 %*0d 即颠倒了标志字段和宽度字段，否则将产生编译警告：
warning: unknown conversion type character ‘0’ in format [-Wformat=] warning: too many arguments for format [-Wformat-extra-args]
精度
精度字段指定输出字符的最大长度。对浮点型数据来说，精度字段指定了小数点后的最长有效位数；对字符串来说，精度字段指定了输出的最大字符数。
与宽度字段相同，指定精度字段时，也可使用确定的整数值静态确定或 * 号动态确定。为了与宽度字段做区分，精度字段前必须加句点。例如 printf("%.*s", 3, "abcdef")； 将输出 abc 。假如没有句点，将被解析成宽度字段（最小长度）为$3$而精度字段（最大长度）未指定，因此将输出 abcdef 。
长度
- hh : 用于将 char 型参数转换成 int 型输出。
- h : 用于将 short 型参数转换成 int 型输出。
- l : 用于输出 long 型参数。对于浮点型无效果。
- ll : 用于输出 long long 型参数。
- L : 用于输出 long double 型参数。
- z : 用于输出 size_t 型参数。
- j : 用于输出 intmax_t 型参数。
- t : 用于输出 ptrdiff_t 型参数。
另有一些平台特定的非标准长度字符，如 I 、 I32 、 I64 、 q 等，可参考维基百科printf format string词条。
类型
- % : 原样输出一个 % 符号。此类型不接收任何其它字段，即只能使用 % 。
- d, i : 输出十进制 signed int 型数据。二者仅在使用 scanf 输入时有区别（使用 %i 将0x开头的数解析为十六进制，将0开头的数解析为八进制）。
- u : 输出十进制 unsigned int 型数据。
- f, F : 以定点数表示法输出 double 型数据。二者区别在于无限小数和NaN输出时是全小写的 inf 、 infinity 、 nan 还是全大写的 INF 、 INFINITY 、 NAN 。
- e, E : 以指数表示法输出 double 型数据。二者区别在于字符 e 的大小写。
- g, G : 根据指数自动选择定点数表示法或指数表示法。二者区别同样在于输出字符的大小写。以定点数表示法输出时与 f 和 F 的区别在于，可能省略小数部分最后的0或小数点（数据为整数时）。
- x, X : 输出十六进制 unsigned int 型数据。二者区别在于十六进制数的字符大小写。
- o : 输出八进制 unsigned int 型数据。
- s : 输出以 \0 结束的字符串。
- c : 输出一个 char 字符。
- p : 输出 void * ，输出格式信赖于具体实现。
- a, A : 输出十六进制 double 型数据，前缀0x或0X。
- n : 将当前的格式化字符串中已成功输出的字符数写入一个整型参数，字符数不包括 \n 、 \t 等转义字符。从输入输出的方向来说，此类型使用时更像是在 scanf 中接受输入，只不过输入不是来自用户、而是来自系统计数。注意：此计数仅对当前格式化字符串有效，重新开始一个格式化字符串时，计数将重置为0。例如 printf("%n", &num); 将把 num 赋值为0。
代码示例
可变宽度
可变宽度对于根据不同层次输出不同的缩进有奇效，例如：
<kernel/resource.c> seq_printf(m, "%*s%0*llx-%0*llx : %s\n", depth * 2, "", width, start, width, end, r->name ? r->name : "<BAD>");
其中的 %*s 表示输出 depth * 2 个空字符，字符个数是深度的两倍；两个 %0*llx 分别将 start 和 end 以十六进制 long long 型输出，最小宽度为 width ，宽度不足则以前导 0 补足。
十六进制输出
内核中大量使用了 # 标志配合 x 类型输出十六进制数，随便举一个例子：
<mm/slab.c> seq_printf(m, "%s+%#lx/%#lx", name, offset, size);
其中的两个 %#lx 即分别将 offset 和 size 以十六进制 long 型输出，并自动附加0x前缀。注意：此例中的 + 号不是 + 标志而是原样输出的字符，因为并不出现在 % 与类型字段之间。
另外，内核的 printk 所使用的格式化字符串有一些自定义的格式，可参考内核文档 How to get printk format specifiers right。
（整理自网络）
参考资料：
https://wiki.jikexueyuan.com/project/c/c-standard-library-stdio-h.html
https://blog.lancitou.net/format-string-in-printf/
