C printf() 详解之终极无惑

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• 编译环境：Linux 环境以 g++ 4.4.6 编译成 64 位程序

1.简介

printf() 是 C 语言标准库函数，用于将格式化后的字符串输出到标准输出。标准输出，即标准输出文件，对应终端的屏幕。printf() 申明于头文件 stdio.h。

函数原型：

int printf ( const char * format, ... );
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返回值：

正确返回输出的字符总数，错误返回负值。与此同时，输入输出流错误标志将被置值，可由指示器函数 ferror(FILE *stream) 来检查输入输出流的错误标志，如果 ferror() 返回一个非零值，表示出错。

调用格式：

printf("格式化字符串", 输出表列)
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格式化字符串包含三种对象，分别为：

• 字符串常量。
• 格式控制字符串。
• 转义字符。

字符串常量原样输出，在显示中起提示作用。输出表列中给出了各个输出项，要求格式控制字符串和各输出项在数量和类型上应该一一对应。其中格式控制字符串是以 % 开头的字符串，在 % 后面跟有各种格式控制符，以说明输出数据的类型、宽度、精度等。

2.格式控制字符串详解

printf() 的格式控制字符串组成如下：

%[flags][width][.prec][length]type
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分别为：

%[标志][最小宽度][.精度][类型长度]类型。
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2.1 类型（type）

首先说明类型，因为类型是格式控制字符串的重中之重，是必不可少的组成部分，其它的选项都是可选的。type 用于规定输出数据的类型，含义如下：

注意：
（1）使用 printf() 输出宽字符时，需要使用 setlocale 指定本地化信息并同时指明当前代码的编码方式。除了使用 %S，还可以使用 %ls。

（2）printf() 输出 bool 类型无专用类型标识符，实际输出时按照整型 0 或 1 输出布尔值。

（3）%a 和 %A 是 C99 引入的格式化类型，采用十六进制 p 计数法输出浮点数。p 计数法类似 E 科学计数法，但有所不同。数以 0x 开头，然后是 16 进制浮点数部分，接着是 p 后面是以 2 为底的阶码。以上面输出的 15.15 为例，推算输出结果。15.15 转换成二进制为1111.00 1001 1001 1001 1001 ...，因为二进制表示数值的离散特点，计算机对于小数有时是不能精确表示的，比如 0.5 可以精确表示为$0.1_2$，而 0.15 却不能精确表示。将15.15 对应的二进制右移三位，为1.1110 0100 1100 1100 1100 ...转换对应的十六进制就是0x1.e4ccccccccccd，注意舍入时向高位进了1位。由于右移三位，所以二进制阶码是 3。最后的结果就是 0x1.e4ccccccccccdp+3。

（4）格式控制字符串除了指明输出的数据类型，还可以包含一些其它的可选的格式说明，依序有 flags, width, .precision and length。下面一一讲解。

2.2 标志（flags）

flags 规定输出样式，取值和含义如下：

示例：

printf("%5d\n",1000); 				//默认右对齐,左边补空格
printf("%-5d\n",1000); 				//左对齐,右边补空格

printf("%+d %+d\n",1000,-1000);		//输出正负号

printf("% d % d\n",1000,-1000);		//正号用空格替代，负号输出

printf("%x %#x\n",1000,1000);		//输出0x

printf("%.0f %#.0f\n",1000.0,1000.0)//当小数点后不输出值时依然输出小数点

printf("%g %#g\n",1000.0,1000.0);	//保留小数点后后的0

printf("%05d\n",1000);				//前面补0
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输出结果为：

2.3 输出最小宽度（width）

用十进制整数来表示输出的最少位数。若实际位数多于指定的宽度，则按实际位数输出，若实际位数少于定义的宽度则补以空格或0。width的可能取值如下：

2.4 精度（.precision）

精度格式符以“.”开头，后跟十进制整数。可取值如下：

示例：

printf("%.8d\n",1000);			//不足指定宽度补前导0，效果等同于%08d
printf("%.8f\n",1000.123456789);//超过精度，截断
printf("%.8f\n",1000.123456);	//不足精度，补后置0
printf("%.8g\n",1000.123456);	//最大有效数字为8位
printf("%.8s\n",“abcdefghij”);	//超过指定长度截断
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输出结果：

00001000
1000.12345679
1000.12345600
1000.1235
abcdefgh
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注意： 在对浮点数和整数截断时，存在四舍五入。

2.5 类型长度（length）

类型长度指明待输出数据的长度。因为相同类型可以有不同的长度，比如整型有 char（8bits）、short int（16bits）、int（32bits）和 long int（64bits），浮点型有 32bits 的单精度 float 和 64bits 的双精度 double。为了指明同一类型的不同长度，于是乎，类型长度（length）应运而生，成为格式控制字符串的一部分。

因为 Markdown 表格不支持单元格合并，背景颜色等样式，所以直接引用 C++ reference.printf 的表格。

注意： 黄色背景行标识的类型长度说明符和相应的数据类型是 C99 引入的。

示例代码：

printf("%hhd\n",'A');				//输出有符号 char
printf("%hhu\n",'A'+128);			//输出无符号 char
printf("%hd\n",32767);				//输出有符号短整型 short int
printf("%hu\n",65535);				//输出无符号短整型 unsigned short int
printf("%ld\n",0x7fffffffffffffff);	//输出有符号长整型 long int
printf("%lu\n",0xffffffffffffffff);	//输出无符号长整型 unsigned long int
printf("%zu\n",0xffffffffffffffff);	//输出无符号长整型 size_t
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输出结果：

65
193
32767
65535
9223372036854775807
18446744073709551615
18446744073709551615
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注意：
size_t 和 long int 到底是 32bits 还是 64bits 跟生成的程序是 32bits 还是 64bits 一一对应，如果使用 g++ 编译程序的话，可通过-m32或-m64选项分别生成 32bits 和 64bits 的程序。

因本人测试代码编译生成的是 64bits 的程序，所以 size_t 和 long int 是 64btis。

3.转义字符

转义字符在字符串中会被自动转换为相应操作命令。printf() 使用的常见转义字符如下：

4.关于 printf 缓冲

在 printf 的实现中，在调用 write 之前先写入 IO 缓冲区，这是一个用户空间的缓冲。系统调用是软中断，频繁调用，需要频繁陷入内核态，这样的效率不是很高，而 printf 实际是向用户空间的 IO 缓冲写，在满足条件的情况下才会调用 write 系统调用，减少 IO 次数，提高效率。

printf(...) 在 glibc 中默认为行缓冲，遇到以下几种情况会刷新缓冲区，输出内容：
（1）缓冲区填满；
（2）写入的字符中有换行符\n或回车符\r；
（3）调用 fflush(...) 手动刷新缓冲区；
（4）调用 scanf(...) 从输入缓冲区中读取数据时，也会将输出缓冲区内的数据刷新。

可使用setbuf(stdout,NULL)关闭行缓冲，或者setbuf(stdout,uBuff)设置新的缓冲区，uBuff 为自己指定的缓冲区。也可以使用setvbuf(stdout,NULL,_IOFBF,0);来改变标准输出为全缓冲。全缓冲与行缓冲的区别在于遇到换行符不刷新缓冲区。

printf(…) 在 VC++ 中默认关闭缓冲区，输出时会及时输到屏幕${}^{[3]}$。如果显示开启缓冲区，只能设置全缓冲。因为微软闭源，所以无法研究 printf(…) 的实现源码。

Linux 和 Windows 下的缓冲区管理可见：C的全缓冲、行缓冲和无缓冲。

5.printf 与 wprintf 不能同时使用

在输出宽字符串时，发现将 printf 和 wprintf 同时使用时，则后使用的函数没有输出。这里建议不要同时使用 printf 和 wprintf，以免发生错误。

printf 和 wprintf 不能同时输出宽字符串的示例代码如下：

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

int main(int argc,char* argv[]) {
	char test[]="测试Test";
	setlocale(LC_ALL,"zh_CN.UTF-8");
    wchar_t wtest[]=L"0m~K0m~UTest";
	printf("printf:%S\n",wtest);     //语句1：可正常输出"测试Test"
    wprintf(L"wprintf:%S\n",wtest);  //语句2：无任何内容输出
}
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上面的代码中语句 1 和语句 2 不能同时存在，否则只能正常输出第一个。也不知道在 Windows 平台是否也存在这种问题，有兴趣的读者可以尝试一下。关于原因，GNU 官方文档中有明确说明不能同时使用 printf 与 wprintf，参见The GNU C Library Section 12.6 Streams in Internationalized Applications，内容如下：

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. 
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这里是因为输出流在被创建时，不存在流定向，一旦使用了 printf(多字节字符串) 或 wprintf(宽字符串) 后，就被设置为对应的流定向，且无法更改。可以使用如下函数获取当前输出流的流定向。

//
//@param: stream：文件流；mode：取值可以 >0、=0 或 <0
//@ret: <0：流已被设置为多字节流定向；=0：流尚未被设置；>0：流已被设置为宽字符流定向
//
int fwide (FILE* stream, int mode);

//获取当前标准输出流定向
int ret=fwide(stdout,0);
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通过 fwide 可以设置当前流定向，前提是未有任何的 I/O 操作，也就是当前流尚未被设置任何流定向。顺带吐槽一下，不知为何标准库函数 fwide 实现的如此受限。具体操作如下：

// 设置标准输出流定向为多字节流定向
fwide(stdout, -1);

// 设置标准输出流定向为宽字符流定向
fwide(stdout, 1);
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既然 GNU C 存在这个问题，那该如何解决呢？这里有两种办法：

（1）统一使用一种函数。

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

//或
printf("a\n");
printf("%ls\n", L"b");
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（2）使用 C 标准库函数 freopen(…) 清空流定向，可以让printf(...) 与 wprintf(...)同时使用。

// 重新打开标准输出流，清空流定向
FILE* pFile=freopen("/dev/tty", "w", stdout);
wprintf(L"wide freopen succeeded\n");

// 重新打开标准输出流，清空流定向
pFile=freopen("/dev/tty", "w", stdout);
printf("narrow freopen succeeded\n");
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6.小结

耗时将近两年，终于完成了此篇看似基础却纷繁复杂的printf()用法。由于时间和个人水平有限，文章不足之处在所难免，也请读者批评指正，不甚感激。

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参考文献

浅谈C中的wprintf和宽字符显示
C++ reference.printf
Why does printf not flush after the call unless a newline is in the format string?
格式规范语法：printf 和 wprintf 函数
The GNU C Library Section 12.6 Streams in Internationalized Applications
fwide.C++ reference