C语言：流和缓冲区

对C语言输入输出流的深入理解
C语言缓冲区（缓存）详解 结合缓冲区谈谈C语言getchar()、getche()、getch()的区别 对C语言输入输出流的深入理解 C语言FILE结构体以及缓冲区深入探讨

1对C语言输入输出流的深入理解

流（stream）是一个很抽象的概念，《C程序设计语言》中这样定义：流与磁盘或其它外围设备关联的数据的源或目的地。

在Unix/Linux中，文本流和二进制流是相同的，但在Windows中，稍有差异，所以C标准库提供了这两种类型的流。

文本流是由文本行组成的序列，每一行包含0个或多个字符，并以'\n'结尾。在某些环境中， 可能需要将文本流转换为其它表示形式（例如把'\n'映射成回车符和换行符），或从其它表示形式转换为文本流。

二进制流是由未经处理的字节构成的序列，这些字节记录着内部数据， 并具有下列性质：如果在同一系统中写入二进制流，然后再读取该二进制流，则读出和写入 的内容完全相同。

在操作系统中，为了统一对各种硬件的操作，简化接口，不同的硬件设备都被映射成一个文件。对这些文件的操作，等同于对磁盘上普通文件的操作。

不同文件对应的硬件设备

文件	硬件设备
stdin	标准输入设备（键盘）；scanf()、getchar() 等函数从 stdin 获取输入。
stdout	标准输出设备（显示器）；printf()、putchar() 等函数向 stdout 输出数据。
stderr	标准错误输出设备（显示器）；perror() 等函数向 stderr 输出数据。
stdprn	标准打印设备（打印机）。
stdaux	标准辅助输入输出设备（异步串行口）。

打开一个流，将把该流与一个文件或设备连接起来，关闭流将断开这种连接，打开一个文件将返回一个指向FILE结构体类型的指针，该指针记录了控制该流的所有必要信息，在不引起歧义的情况下，我们在下文中将不再区分“文件指针”和“流”。

程序开始执行时，默认会打开 stdin、stdout和stderr三个文件，所以我们使用 scanf()、printf() 等函数时就不需要再使用 fopen() 显式打开这些文件。

C语言打开文件时，先将文件内容载入缓冲区（缓存），并返回一个指向FILE结构体的指针，接下来对文件的操作，都映射成对缓冲区的操作，只有当强制刷新缓冲区、关闭文件或程序运行结束时，才将缓冲区中的内容更新到文件。就像编辑word文档，并不是立刻将编辑好的内容写入到磁盘上的文件，而是对缓存中的副本进行操作，只有当保存文件时，才将副本同步到磁盘上的文件。

缓冲区有很多类型，我们这里指的缓冲区是主存（内存条）上的一块特殊区域，专门用来缓存数据，供程序读写。

而由于硬件不同，将缓冲区的内容同步到文件的过程可能比较繁杂，不易操作，这些都由操作系统完成，对编程人员不可见，编程人员只要能操作接口简单的缓冲区即可。

2 C语言缓冲区（缓存）详解

缓冲区又称为缓存，它是内存空间的一部分。也就是说，在内存空间中预留了一定的存储空间，这些存储空间用来缓冲输入或输出的数据，这部分预留的空间就叫做缓冲区。

缓冲区根据其对应的是输入设备还是输出设备，分为输入缓冲区和输出缓冲区。

为什么要引入缓冲区

比如我们从磁盘里取信息，我们先把读出的数据放在缓冲区，计算机再直接从缓冲区中取数据，等缓冲区的数据取完后再去磁盘中读取，这样就可以减少磁盘的读写次数，再加上计算机对缓冲区的操作大大快于对磁盘的操作，故应用缓冲区可大大提高计算机的运行速度。

又比如，我们使用打印机打印文档，由于打印机的打印速度相对较慢，我们先把文档输出到打印机相应的缓冲区，打印机再自行逐步打印，这时我们的CPU可以处理别的事情。

现在您基本明白了吧，缓冲区就是一块内存区，它用在输入输出设备和CPU之间，用来缓存数据。它使得低速的输入输出设备和高速的CPU能够协调工作，避免低速的输入输出设备占用CPU，解放出CPU，使其能够高效率工作。

缓冲区的类型

缓冲区 分为三种类型：全缓冲、行缓冲和不带缓冲。

1) 全缓冲
在这种情况下，当填满标准I/O缓存后才进行实际I/O操作。全缓冲的典型代表是对磁盘文件的读写。

2) 行缓冲
在这种情况下，当在输入和输出中遇到换行符时，执行真正的I/O操作。这时，我们输入的字符先存放在缓冲区，等按下回车键换行时才进行实际的I/O操作。典型代表是标准输入(stdin)和标准输出(stdout)。

3) 不带缓冲
也就是不进行缓冲，标准出错情况stderr是典型代表，这使得出错信息可以直接尽快地显示出来。

ANSI C( C89 )要求缓存具有下列特征：

• 当且仅当标准输入和标准输出并不涉及交互设备时，它们才是全缓存的。
• 标准出错决不会是全缓存的。

但是，这并没有告诉我们如果标准输入和输出涉及交互作用设备时，它们是不带缓存的还是行缓存的，以及标准输出是不带缓存的，还是行缓存的。

大部分系统默认使用下列类型的缓存：

• 标准出错是不带缓存的。
• 如果是涉及终端设备的流，则它们是行缓存的；否则是全缓存的。

我们经常要用到标准输入输出流，而ANSI C对stdin、stdout和stderr的缓存特征没有强行的规定，以至于不同的系统可能有不同的stdin、stdout和stderr的缓存特征。目前主要的缓存特征是：stdin和stdout是行缓存；而stderr是无缓存的。 

缓冲区的大小

如果我们没有自己设置缓冲区的话，系统会默认为标准输入输出设置一个缓冲区，这个缓冲区的大小通常是512个字节的大小。

缓冲区大小由 stdio.h 头文件中的宏 BUFSIZ 定义，如果希望查看它的大小，包含头文件，直接输出它的值即可：

printf("%d", BUFSIZ);

缓冲区的大小是可以改变的，也可以将文件关联到自定义的缓冲区，详情可以查看 setvbuf() 和 setbuf() 函数。

缓冲区的刷新（清空）

下列情况会引发缓冲区的刷新：

• 缓冲区满时；
• 行缓冲区遇到回车时；
• 关闭文件；
• 使用特定函数刷新缓冲区。

3 结合缓冲区谈谈C语言getchar()、getche()、getch()的区别

本文将用到C语言缓冲区的概念，如果您不了解缓冲区，请查看：C语言缓冲（缓存）

三个函数的对比

--	缓冲区	头文件	回显
getchar()	有缓冲区	stdio.h	有回显
getch()	无缓冲区	conio.h	无回显
getche()	无缓冲区	conio.h	有回显

getchar()函数

先来看一下getchar()，其原型为：
    int getchar(void);

当程序调用getchar()函数时，程序就等着用户按键，用户输入的字符被存放在键盘缓冲区中，直到用户按回车为止（回车字符也放在缓冲区中）。当用户键入回车之后，getchar()函数才开始从键盘缓冲区中每次读入一个字符。也就是说，后续的getchar()函数调用不会等待用户按键，而直接读取缓冲区中的字符，直到缓冲区中的字符读完后，才重新等待用户按键。

通俗一点说，当程序调用getchar()函数时，程序就等着用户按键，并等用户按下回车键返回。期间按下的字符存放在缓冲区，第一个字符作为函数返回值。继续调用getchar()函数，将不再等用户按键，而是返回您刚才输入的第2个字符；继续调用，返回第3个字符，直到缓冲区中的字符读完后，才等待用户按键。

下边的一个实例，会让你有深刻的体会：

#include <stdio.h>
int main()
{
    char c;
    //第一次调用getchar()函数
    //程序执行时，您可以输入一串字符并按下回车键，按下回车键后该函数才返回
    c=getchar();
    //显示getchar()函数的返回值
    printf("%c\n",c);
    //暂停
    system("PAUSE");
    while((c=getchar())!='\n')
    {
        printf("%c",c);
    }
    //暂停
    system("PAUSE");
    return 0;
}

这段小代码很简单，并且在代码内部都有注释。

getchar()函数的执行就是采用了行缓冲。第一次调用getchar()函数，会让程序使用者（用户）输入一行字符并直至按下回车键 函数才返回。此时用户输入的字符和回车符都存放在行缓冲区。

再次调用getchar()函数，会逐步输出行缓冲区的内容。

请再看下面一个例子：

#include <stdio.h>
int main()
{
    char ch1;
    char ch2;
    ch1 = getchar();
    ch2 = getchar();
    printf("%d  %d", ch1, ch2);
    return 0;
}

程序的本意很简单，就是从键盘读入两个字符，然后打印出这两个字符的ASCII码值。可是执行程序后会发现出了问题：当从键盘输入一个字符后，就打印出了结果，根本就没有输入第二个字符程序就结束了。例如用户输入字符’a', 打印结果是97，10。这是为什么呢？

getchar()函数是从输入流缓冲区中读取数据的，而不是从键盘(终端)缓冲区读取。当读取遇到回车(\n)结束时，这个'\n'会一起读入到输入流缓冲区的，所以第一次接收输入时取走字符后会留下字符\n，这样第二次getchar()直接从缓冲区中把\n取走了，显然读取成功了，所以不会再从终端读取！其实这里的10恰好是回车符！这就是为什么这个程序只执行了一次输入操作就结束的原因！

getch()和getche()函数

在TC2.0时代，C程序员总是喜欢在程序末尾加上getch()，来实现程序运行完了暂停不退出的效果。如果不这样做，在TC2.0的环境中Ctrl+F9编译并运行后会立即退出程序，根本来不及看到结果。这时如果要看结果，就要按Alt+F5回到DOS环境中去，很麻烦。而如果在程序的结尾加上一行getch();语句，就可以省掉回DOS看结果这个步骤，因为程序运行完了并不退出，而是在程序最后把屏幕停住了，按任意键才退出程序。

实际上，getch()的作用是从键盘接收一个字符，且不带回显。就是说，你按了一个键后它并不在屏幕上显示你按的什么，而继续运行后面的代码，所以在C语言中可以用它来实现“按任意键继续”的效果，即程序中遇到getch();语句，就会停下来，等你按任意键，它接收了这个字符键后再继续执行后面的代码。

getche()和getch()很相似，它也需要引入头文件conio.h，它们之间的区别就在于：getch()无回显，getche()有回显。请看下面的例子：

#include<stdio.h>
#include<conio.h>
void main()
{
    char ch;
    int i;
    for(i=0;i<5;i++)
    {
        ch=getch();
        printf("%c",ch);
    }
}

首先这是个连续5次的循环来实现5次停顿，等待你输入。编译并运行这个程序，假设输入的是abcde，那么屏幕上显示的结果也是abcde，这个abcde并不是在ch=getch();中输出的。把printf("%c",ch);这行语句去掉，就会发现按5次任意键程序就结束了，但屏幕上什么都没有显示。

你可以把代码中的getch()换成getche()看看有什么不同。如果还是输入abcde，那么屏幕上显示的结果是aabbccddee，我们把printf("%c",ch);这行语句再去掉，显示的结果就是abcde了，说明程序在执行ch=getche();这条语句的时候就把我们输入的键返回显示在屏幕上，有无回显就是它们的唯一区别。

请大家再看下面一个例子：

#include<stdio.h>
#include<conio.h>
void main()
{
    char ch='*';
    while(ch=='*')
    {
        printf("\n按 * 继续循环，按其他键退出！");
        ch=getch();
    }
    printf("\n退出程序！");
}

你可以在这个循环体中添加你想要的功能，程序中按*继续循环，其他任意键退出，而且利用getch()无回显的特性，不管你按什么键，都不会在屏幕上留下痕迹，使你的界面达到美观效果。

还有getchar是很值得研究的：getchar()是stdio.h中的库函数，它的作用是从stdin流（标准输入流）中读入一个字符，也就是说，如果stdin有数据的话不用输入它就可以直接读取了。而getch()和getche()是conio.h中的库函数，它的作用是从键盘接收字符。

与前面两个函数的区别在于： getchar()函数等待输入直到按回车才结束（前提是缓冲区没有数据），回车前的所有输入字符都会逐个显示在屏幕上。但只有第一个字符作为函数的返回值。

#include<stdio.h>
#include<conio.h>
void main()
{
    char c;
    // 从键盘读入字符直到回车结束
    //getchar()在这里它只返回你输入字符串的第一个字符，并把返回值赋值给c
    c=getchar();
    // 显示输入的第一个字符
    putchar(c);
}

看到这个程序，相信你肯定会有疑问。这个就是从缓冲区中读取字符的例子。第一次getchar()时，确实需要人工的输入，但是如果你输了多个字符，以后的getchar()再执行时就会直接从缓冲区中读取了。

#include<stdio.h>
#include<conio.h>
void main()
{
    char c;
    // 每个getchar()依次读入一个字符
    while ((c=getchar())!='\n')
        printf("%c",c);  // 按照原样输出
}

程序运行后，首先停下来，等待输入一个字符串，输入完毕后，它会把你输入的整个字符串都输出来了。

这是为什么？getchar()不是只返回第一个字符么，这里为什么全部输出了？

因为我们输入的字符串并不是取了第一个字符就把剩下的字符串丢掉了，它还在我们的缓冲区中，就好像开闸放水，你把水放到闸里去以后，开一次闸就放掉一点，开一次就放掉一点，直到放光了为止，这里开闸动作就相当于调用一次getchar()。我们输入的字符串也是这么一回事，首先我们输入的字符串是放在内存的缓冲区中的，我们调用一次getchar()就把缓冲区中里出口最近的一个字符输出，也就是最前面的一个字符输出，输出后，就把它释放掉了，但后面还有字符串，所以我们就用循环把最前面的一个字符一个个的在内存中释放掉，直到不满足循环条件退出为止。

例子中循环条件里的'\n'实际上就是你输入字符串后的回车符，所以意思就是说，直到遇到回车符才结束循环，而getchar()函数就是等待输入（或缓冲区中的数据）直到按回车才结束，所以实现了整个字符串的输出。当然，我们也可以把循环条件改一下，比如while ((c=getchar())!='a')，就是遇到字符'a'就停止循环，当然意思是如果你输入“12345a213123/n”那么只会输出到a，结果是12345。

请注意：用getchar()是到标准输入流中读取数据，所以第一个getchar()接受的是刚刚中断的流队列中即将出列的第一个字符（不限于回车符，上面举过例子了），如果流队列不为空，执行getchar()就继续放水，直到把回车符也放空为止，空了之后再在执行getchar()就停下等待你的输入了。

那么为什么getch()每次都是等待用户的输入呢？因为getch()是从键盘接收，即时的接收，并不是从stdin流（标准输入流）中去读取数据。

4 C语言FILE结构体以及缓冲区深入探讨

在C语言中，用一个指针变量指向一个文件，这个指针称为文件指针。通过文件指针就可对它所指的文件进行各种操作。

定义文件指针的一般形式为：
    FILE  *fp;

这里的FILE，实际上是在stdio.h中定义的一个结构体，该结构体中含有文件名、文件状态和文件当前位置等信息。我们通过fopen返回一个文件指针(指向FILE结构体的指针)来进行文件操作。

注意：FILE是文件缓冲区的结构，fp也是指向文件缓冲区的指针。

不同编译器 stdio.h 头文件中对 FILE 的定义略有差异，这里以标准C举例说明：

#define NULL 0
#define EOF (-1)
#define BUFSIZ 1024
#define OPEN_MAX 20  // 一次打开的最大文件数
// 定义FILE结构体
typedef struct _iobuf {
    int cnt;  // 剩余的字符，如果是输入缓冲区，那么就表示缓冲区中还有多少个字符未被读取
    char *ptr;  // 下一个要被读取的字符的地址
    char *base;  // 缓冲区基地址
    int flag;  // 读写状态标志位
    int fd;  // 文件描述符
} FILE;
extern FILE _iob[OPEN_MAX];
#define stdin (&_iob[0])  // stdin 的文件描述符为0
#define stdout (&_iob[1])  // stdout 的文件描述符为1
#define stderr (&_iob[2])  // stdout 的文件描述符为2
enum _flags {
    _READ =01,  // 读文件
    _WRITE =02,  // 写文件
    _UNBUF =04,  // 无缓冲
    _EOF = 010,  // 文件结尾EOF
    _ERR = 020  // 出错
};
int _fillbuf(FILE *);  // 函数声明，填充缓冲区
int _flushbuf(int, FILE *);  // 函数声明，刷新缓冲区
#define feof(p) ((p)->flag & _EOF) != 0)
#define ferror(p) ((p)->flag & _ERR) != 0)
#define fileno(p) ((p)->fd)
#define getc(p) (--(p)->cnt >= 0 \
    ? (unsigned char) *(p)->ptr++ : _fillbuf(p))
#define putc(x,p) (--(p)->cnt >= 0 \
    ? *(p)->ptr++ = (x) : _flushbuf((x),p))
#define getchar() getc(stdin)
#define putcher(x) putc ((x), stdout)

看吧，我们经常使用的 NULL、EOF、feof()、getc() 等都是 stdio.h 中定义的宏。

注意：一个长的 #define 语句可以用反斜杠(\)分成多行。

下面说一下如何控制缓冲区。

我们知道，当我们从键盘输入数据的时候，数据并不是直接被我们得到，而是放在了缓冲区中，然后我们从缓冲区中得到我们想要的数据 。如果我们通过setbuf()或setvbuf()函数将缓冲区设置10个字节的大小，而我们从键盘输入了20个字节大小的数据，这样我们输入的前10个数据会放在缓冲区中，因为我们设置的缓冲区的大小只能够装下10个字节大小的数据，装不下20个字节大小的数据。那么剩下的那10个字节大小的数据怎么办呢？暂时放在了输入流中。请看下图：

上面的箭头表示的区域就相当是一个输入流，红色的地方相当于一个开关，这个开关可以控制往深绿色区域（标注的是缓冲区）里放进去的数据，输入20个字节的数据只往缓冲区中放进去了10个字节，剩下的10个字节的数据就被停留在了输入流里！等待下去往缓冲区中放入！接下来系统是如何来控制这个缓冲区呢？

再说一下 FILE 结构体中几个相关成员的含义：
    cnt  // 剩余的字符，如果是输入缓冲区，那么就表示缓冲区中还有多少个字符未被读取
    ptr  // 下一个要被读取的字符的地址
    base  // 缓冲区基地址

在上面我们向缓冲区中放入了10个字节大小的数据，FILE结构体中的 cnt 变为了10 ，说明此时缓冲区中有10个字节大小的数据可以读，同时我们假设缓冲区的基地址也就是 base 是0x00428e60 ，它是不变的 ，而此时 ptr 的值也为0x00428e60 ，表示从0x00428e60这个位置开始读取数据，当我们从缓冲区中读取5个数据的时候，cnt 变为了5 ，表示缓冲区还有5个数据可以读，ptr 则变为了0x0042e865表示下次应该从这个位置开始读取缓冲区中的数据 ，如果接下来我们再读取5个数据的时候，cnt 则变为了0 ，表示缓冲区中已经没有任何数据了，ptr 变为了0x0042869表示下次应该从这个位置开始从缓冲区中读取数据，但是此时缓冲区中已经没有任何数据了，所以要将输入流中的剩下的那10个数据放进来，这样缓冲区中又有了10个数据，此时 cnt 变为了10 ，注意了刚才我们讲到 ptr 的值是0x00428e69 ，而当缓冲区中重新放进来数据的时候这个 ptr 的值变为了0x00428e60 ，这是因为当缓冲区中没有任何数据的时候要将 ptr 这个值进行一下刷新，使其指向缓冲区的基地址也就是0x0042e860这个值！因为下次要从这个位置开始读取数据！

在这里有点需要说明：当我们从键盘输入字符串的时候需要敲一下回车键才能够将这个字符串送入到缓冲区中，那么敲入的这个回车键(\r)会被转换为一个换行符\n，这个换行符\n也会被存储在缓冲区中并且被当成一个字符来计算！比如我们在键盘上敲下了123456这个字符串，然后敲一下回车键（\r）将这个字符串送入了缓冲区中，那么此时缓冲区中的字节个数是7 ，而不是6。

缓冲区的刷新就是将指针 ptr 变为缓冲区的基地址 ，同时 cnt 的值变为0 ，因为缓冲区刷新后里面是没有数据的！