C printf() 详解之终极无惑

(给CPP开发者加星标，提升C/C++技能)

来源：CSDN - 恋猫大鲤鱼

https://dablelv.blog.csdn.net/article/details/52252626

编译环境：Linux 环境以 g++ 4.4.6 编译成 64 位程序

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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)

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。

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：

字符	对应数据类型	含义	示例
d/i	int	输出十进制有符号 32bits 整数，i 是老式写法	printf("%i",123);输出123
o	unsigned int	无符号8进制(octal)整数(不输出前缀0)	printf("0%o",123);输出0173
u	unsigned int	无符号10进制整数	printf("%u",123);输出123
x/X	unsigned int	无符号16进制整数，x对应的是abcdef，X对应的是ABCDEF（不输出前缀0x)	printf("0x%x 0x%X",123,123);输出0x7b 0x7B
f/lf	float(double)	单精度浮点数用f,双精度浮点数用lf(printf可混用，但scanf不能混用)	printf("%.9f %.9lf",0.000000123,0.000000123);输出0.000000123 0.000000123。注意指定精度，否则printf默认精确到小数点后六位
F	float(double)	与f格式相同，只不过 infinity 和 nan 输出为大写形式。	例如printf("%f %F %f %F\n",INFINITY,INFINITY,NAN,NAN);输出结果为inf INF nan NAN
e/E	float(double)	科学计数法，使用指数(Exponent)表示浮点数，此处"e"的大小写代表在输出时“e”的大小写	printf("%e %E",0.000000123,0.000000123);输出1.230000e-07 1.230000E-07
g	float(double)	根据数值的长度，选择以最短的方式输出，%f或%e	printf("%g %g",0.000000123,0.123);输出1.23e-07 0.123
G	float(double)	根据数值的长度，选择以最短的方式输出，%f或%E	printf("%G %G",0.000000123,0.123);输出1.23E-07 0.123
c	char	字符型。可以把输入的数字按照ASCII码相应转换为对应的字符	printf("%c\n",64)输出A
s	char*	字符串。输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‘结尾）	printf("%s","测试test");输出：测试test
S	wchar_t*	宽字符串。输出字符串中的字符直至字符串中的空字符（宽字符串以两个空字符’\0‘结尾）	setlocale(LC_ALL,"zh_CN.UTF-8");

wchar_t wtest[]=L"测试Test";
printf("%S\n",wtest);
输出：测试test | | p | void* | 以16进制形式输出指针 | printf("0x%p","lvlv");输出：0x000000013FF73350 | | n | int* | 什么也不输出。%n对应的参数是一个指向signed int的指针，在此之前输出的字符数将存储到指针所指的位置 | int num=0;
printf("lvlv%n",&num);
printf("num:%d",num);
输出:lvlvnum:4 | | % | 字符% | 输出字符‘%’（百分号）本身 | printf("%%");输出:% | | m | 无 | 打印errno值对应的出错内容 | printf("%m\n"); | | a/A | float(double) | 十六进制p计数法输出浮点数，a为小写，A为大写 | printf("%a %A",15.15,15.15);输出：0x1.e4ccccccccccdp+3 0X1.E4CCCCCCCCCCDP+3 |

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 0.1_2 0.12，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：

字符	名称	说明
-	减号	结果左对齐，右边填空格。默认是右对齐，左边填空格。
+	加号	输出符号(正号或负号)
space	空格	输出值为正时加上空格，为负时加上负号
#	井号	type是o、x、X时，增加前缀0、0x、0X。

type是a、A、e、E、f、g、G时，一定使用小数点。默认的，如果使用.0控制不输出小数部分，则不输出小数点。
type是g、G时，尾部的0保留。| | 0 | 数字零 | 将输出的前面补上0，直到占满指定列宽为止（不可以搭配使用“-”） |

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：

width	描述	示例
数值	十进制整数	printf("%06d",1000);输出:001000
*	星号。不显示指明输出最小宽度，而是以星号代替，在printf的输出参数列表中给出	printf("%0*d",6,1000);输出:001000

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：

.precision	描述
.数值	十进制整数。

(1)对于整型（d,i,o,u,x,X）,precision表示输出的最小的数字个数，不足补前导零，超过不截断。
(2)对于浮点型（a, A, e, E, f ），precision表示小数点后数值位数，默认为六位，不足补后置0，超过则截断。
(3)对于类型说明符g或G，表示可输出的最大有效数字。
(4)对于字符串（s），precision表示最大可输出字符数，不足正常输出，超过则截断。
precision不显示指定，则默认为0 | | .* | 以星号代替数值，类似于width中的*，在输出参数列表中指定精度。|

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

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 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 http://www.cplusplus.com/reference/cstdio/printf/?kw=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：

转义字符	意义
\a	警报（响铃）符
\b	回退符
\f	换页符
\n	换行符
\r	回车符
\t	横向制表符
\v	纵向制表符
\\	反斜杠
\"	双引号

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 ] ^{[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(…) 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 http://blog.csdn.net/k346k346/article/details/63259524)。

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 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 http://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/Streams-and-I18N.html#Streams-and-I18N)，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);

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);

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 C 标准库函数 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。

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