printf()详解之终极无惑

1.printf()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, ... );

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ferror来检查输入输出流的错误标志。

调用格式： printf()函数的调用格式为:printf("格式化字符串",输出表列)。

格式化字符串包含三种对象，分别为： （1）字符串常量； （2）格式控制字符串； （3）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。

注：本文的所有示例代码均在Linux环境下以g++ 4.4.6编译成64位程序的执行。

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

分别为：

%[标志][最小宽度][.精度][类型长度]类型。

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）%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0.120.120.1_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，所以二进制阶码就是3。最后的结果就是0x1.e4ccccccccccdp+3。

（3）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

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%06d
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

输出结果：

00001000
1000.12345679
1000.12345600
1000.1235
abcdefgh

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16bits的short int，32bits的int，也有64bits的long int，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printf.C++ reference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); //输出有符号长整型unsigned long int

输出结果：

65
193
32767
65535
9223372036854775807
18446744073709551615

注意： 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long int也就是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要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，输出时会及时的输到屏幕[3][3]^{[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函数的实现源码。

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

该小结写在2018年1月15日。两年后的今日，在网上苦苦搜索寻求答案，终于解决了之前的疑惑。

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
}

上面的代码中语句1和语句二不能同时存在，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. 

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(多字节流)或wprintf(宽字符流)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);

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为何实现的如此受限。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);

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。 例如：

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

或

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

（2）使用freopen清空流定向。

//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");

上面可以让printf与wprintf同时使用。

6.小结

耗时将近两年，终于完成了此篇看似基础，但却纷繁复杂的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。

参考文献

[1]浅谈C中的wprintf和宽字符显示 [2]printf.C++ reference [3]Why does printf not flush after the call unless a newline is in the format string? [4]格式规范语法：printf 和 wprintf 函数 [5]The GNU C Library Section 12.6 Streams in Internationalized Applications [6]fwide.C++ reference