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简记C语言清空输入残留内容

为了在命令行程序中实现和用户的交互，我们编写的程序的运行过程中往往涉及到对标准输入/输出流的多次读写。

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在C语言中接受用户输入这一块，有着一个老生常谈的问题：“怎么样及时清空输入流中的数据？”

这也是这篇小笔记的主题内容。

先从缓冲区说起。

缓冲区是内存中划分出来的一部分。通常来说，缓冲区类型有三种：

  • 全缓冲
  • 行缓冲
  • 无缓冲

行缓冲

在C语言中缓冲区这个概念的存在感还是挺强的，比较常用到的缓冲区类型则是行缓冲了，如标准输入流 stdin 和标准输出流 stdout一般（终端环境下）就是在行缓冲模式下的。

行缓冲，顾名思义，就是针对该缓冲区的I/O操作是基于行的。

  • 在遇到换行符前，程序的输入和输出都会先被暂存到流对应的缓冲区中

  • 而在遇到换行符后（或者缓冲区满了），程序才会进行真正的I/O操作，将该缓冲区中的数据写到对应的流 (stream) 中以供后续读取。

就标准输入stdin而言，用户的输入首先会被存到相应的输入缓冲区中，每当用户按下回车键输入一个换行符，程序才会进行I/O操作，将缓冲区暂存的数据写入到stdin中，以供输入函数使用。

而对标准输出stdout来说，输出内容也首先会被暂存到相应的输出缓冲区中，每当输出数据遇到换行符时，程序才会将缓冲区中的数据写入stdout，继而打印到屏幕上。

这也是为什么在缓冲模式下，输出的内容不会立即打印到屏幕上：

#include 
int main()
{
	// 设置缓冲模式为行缓冲，缓冲区大小为10字节
	setvbuf(stdout, NULL, _IOLBF, 10);
	fprintf(stdout, ""); // 这里先向stdout对应的缓冲区中写入了7字节
	getchar(); // 这里等待用户输入
	printf("89"); // 再向stdout对应的缓冲区中写入了2字节
	getchar(); // 接着等待用户输入
	printf("Print!"); // 再向stdout对应的缓冲区中写入了6字节
	getchar(); // 最后再等待一次用户输入
	return 0;
}

运行效果：

可以看到，直到执行到第二个getchar()时，屏幕上没有新的输出。

而在执行了printf("Print!")之后，输出缓冲区被填满了，输出缓冲区中现有的10字节的数据被写入到stdout中，继而才在屏幕上打印出P。

缓冲区内容被读走后，剩余的字符串rint!接着被写入输出缓冲区。程序运行结束后，输出缓冲区中的内容会被全部打印到屏幕上，所以会在最后看到rint!。

C语言中常用的输入函数

输入函数做的工作主要是从文件流中读取数据，亦可将读取到的数据储存到内存中以供后续程序使用。

基于字符

// 从给定的文件流中读一个字符 (fgetc中的 f 的意思即"function")
int fgetc( FILE *stream ); 

// 同fgetc，但是getc的实现*可能*是基于宏的
int getc( FILE *stream ); 

// 相当于是getc(stdin)，从标准输入流读取一个字符
int getchar(void);

// 返回获取的字符的ASCII码值，如果到达文件末尾就返回EOF（即返回-1）

基于行

// 从给定的文件流中读取(count-1)个字符或者读取直到遇到换行符或者EOF
// fgets中的f代表“file”，而s代表“string”
char *fgets( char *restrict str, int count, FILE *restrict stream );

// 返回指向字符串的指针或者空指针NULL

格式化输入

// 按照format的格式从标准输入流stdin中读取所需的数据并储存在相应的变量中
// scanf中的f代表“format”
int scanf( const char *restrict format, ... );

// 按照format的格式从文件流stream中读取所需的数据并储存在相应的变量中
// fscanf中前一个f代表“file(stream)”，后一个f代表“format”
int fscanf( FILE *restrict stream, const char *restrict format, ... );

// 按照format的格式从字符串buffer中截取所需的数据并储存在相应的变量中
// sscanf中的第一个s代表“string”，字符串
int sscanf( const char *restrict buffer, const char *restrict format, ... );

// 返回一个整型数值，代表成功根据格式赋值的变量数（arguments）

最常到的输入流问题

先来个不会出问题的示例：

#include 
int main()
{
	char test1[200];
	char test2[200];
	char testChar;
	printf("Input a Character: \n");
	testChar = getchar();
	fprintf(stdout, "Input String1: \n");
	scanf("%s", test1);
	fprintf(stdout, "Input String2: \n");
	scanf("%s", test2);
	printf("Got String1: [ %s ]\n", test1);
	printf("Got String2: [ %s ]\n", test2);
	printf("Got Char: [ %c ]\n", testChar);
	return 0;
}

运行效果：

出问题的示例：

#include 
int main()
{
	char test[200];
	char testChar1, testChar2, testChar3;
	fprintf(stdout, "Input String: \n");
	scanf("%3s", test);
	printf("[1]Input a Character: \n");
	testChar1 = getchar();
	printf("[2]Input a Character: \n");
	testChar2 = fgetc(stdin);
	printf("[3]Input a Character: \n");
	testChar3 = getchar();
	printf("Got String: [ %s ]\n", test);
	printf("Got Char1: [ %c ]\n", testChar1);
	printf("Got Char2: [ %c ]\n", testChar2);
	printf("Got Char3: [ %c ]\n", testChar3);
	return 0;
}

运行效果：

因为我将格式设置为了%3s，所以scanf最多接收包含三个字符的字符串。

在这个示例中，我按要求输入了一条字符串Hello，并按下回车输入一个换行符，缓冲区数据Hello\n被写入到了stdin中。而scanf只从标准流stdin中读走了Hel这一部分字符串。

此时，标准流stdin中实际上还剩3个字符：

  1. l
  2. o
  3. \n (回车输入的换行符)

于是接下来三次针对字符的输入函数只会分别从stdin中取走这三个字符，而不会等待用户输入，这就没有达到我想要的效果。

在基本的命令行程序中很容易遇到这类问题，这也是为什么需要及时清空输入流stdin中的数据。

如何处理残余内容

???? 以下内容假设stdout和stdin两个标准流都是在行缓冲模式下的。

标准输出流stdout

虽然本文主要是写输入流，但这里我还是掠过一下标准输出流stdout。C语言标准库中提供了一个用于刷新输出流缓冲区的函数：

int fflush( FILE *stream );
// 如果成功了，返回0，否则返回EOF(-1)

要清空标准输出流对应的缓冲区，只需要使用fflush(stdout)即可。上面的这个例子可以修改成这样：

#include 
int main()
{
	// 设置缓冲模式为行缓冲，缓冲区大小为10字节
	setvbuf(stdout, NULL, _IOLBF, 10);
	fprintf(stdout, ""); // 这里先向stdout对应的缓冲区中写入了7字节
	fflush(stdout); // 刷新缓冲区，将缓冲区中的数据写入到标准输出流中
	getchar(); // 这里等待用户输入
	printf("89"); // 再向stdout对应的缓冲区中写入了2字节
	fflush(stdout); 
	getchar(); // 接着等待用户输入
	printf("Print!"); // 再向stdout对应的缓冲区中写入了6字节
	getchar(); // 最后再等待一次用户输入
	return 0;
}

运行效果：

可以看到，加入fflush(stdout)后，输出缓冲区的内容会被及时写入stdout中，继而打印到屏幕上。

值得注意的是，fflush(stdin)的行为是未定义（不确定）的：

For input streams (and for update streams on which the last operation was input), the behavior is undefined.

不同平台的编译器对此有不同的解释。

  • 比如在Windows平台上，无论是VC6.0这种目前一些学校教学还在使用的古董编译器，还是gcc 8.x.x，大体还是支持通过这种操作清空输入流的。

  • 但是在Linux平台上的gcc编译器就不买账了，是不支持fflush(stdin)这种操作的。

因此，尽量避免fflush(stdin)这种写法，这十分不利于代码的可移植性。

标准输入流stdin

上面提到因为可移植性要避免fflush(stdin)这种写法，接下来记录一下可移植性高的写法。

接受格式化输入时去除多余空白符

这一种其实用的比较少，但我觉得还是得记一下。

whitespace characters: any single whitespace character in the format string consumes all available consecutive whitespace characters from the input. Note that there is no difference between "\n", " ", "\t\t", or other whitespace in the format string.

上面这段解释来自于cppreference，也就是说，格式化字符串中的空白符（如"\n", " ", "\t\t"）会吸收输入字符串中的一段连续的空白符。

也就是说，下面这句格式化输入函数：

scanf(" %c %c",&recvChar1,&recvChar2);

可以从stdin中读取形如 \n a b， \t a b这样的数据。其中a之前的空白符和a与b之间的空白符都会被吸收，scanf得以能准确获取字符a和b。

依靠这个特性，我们可以在接收输入时自动剔除stdin中残留的空白符：

// 因为格式%s不会匹配多余的空白符，这里按回车后，stdin中会残留一个换行符\n
scanf("%s",recvStr);
// 在格式%c前加一个空格，可以吸收掉上面残留的换行符\n，程序便能如预期接受用户输入
scanf(" %c",&recvChar);

然而，这一种方法仅只能剔除多余的空白符。

使用中括号字符集

这个解决方法可以和上面剔除空白符的方法进行结合。

格式化输入有一个说明符 %[set]，它的功能和正则表达式中的中括号[ ]十分类似：

  • 其中set代表一个用于匹配的字符集，一般情况下匹配的是存在字符集中的字符

  • 字符集的第一个字符如果是^，则表示取反，匹配的是不存在于该字符集中的字符

  • 可以在中括号中使用短横线 - 来表达一个范围，比如%[0-9]代表匹配0-9之间的字符。值得注意的是，对于短横线-，可能在不同编译器之间有不同实现，它是implementation-defined的。

另还有一个说明符 * ，它被称为赋值抑制或赋值屏蔽符。如字面意思，在%引导的格式转换字串中如果包含*，这个格式匹配的内容不会被赋给任何变量。

于是，可以给出如下的语句：

// 星号 * 代表不会把匹配到的内容赋给变量，相当于“吸收”掉了
// [^\n] 代表除了换行符外一律匹配
scanf("%*[^\n]");

因为用户结束一次输入的标志通常是按回车输入一个换行符，残留的内容往往末尾是一个换行符。上面这句的原理就是吸收掉stdin中所有的残余字符，直至达到最后一个字符，也就是换行符。

然而，换行符不会被上面这句所吸收，所以在接下来的输入中只需要忽略stdin中的残余空白符即可（换行符就是空白符之一）：

scanf("%*[^\n]");
scanf(" %c",&recvChar);

这种方法已经可以解决一般情况下的输入残余问题，不过在后续接受格式化输入时还得忽略换行符\n，还是有点麻烦。

循环取走残余字符

这一种方法能在清除残余时顺便吸收掉末尾的换行符\n。

取字符需要用到取单个字符的输入函数，这里为了方便，选用的是getchar()。

一般情况下可以这样写：

// getchar() 会从 stdin 中取走一个字符
while(getchar() != '\n')
	;

（使用前提：stdin中有残余）

while循环会一直进行，直至getchar()取到的字符为换行符\n为止，这样就可以顺带吸收掉末尾的换行符了，能相对完美地清除掉stdin中的残余内容。
（在行缓冲模式下，用户的一次输入通常以一个换行符结束）

不过咧，还可以考虑更周全点。在getchar()获取字符失败的时候会返回EOF，但此时并不满足while循环的退出条件，对此可以再完善一下：

// 临时储存字符
// 之所以是整型(int)，是因为EOF是一个代表 负值整型（通常为-1） 的宏
int tempChar;
// tempChar=getchar()这种赋值语句本身的返回值就是所赋的值
while ((tempChar = getchar()) != '\n' && tempChar != EOF)
	;

这样一来，当getchar()失败时，程序执行就会跳出循环。

综上，针对stdin中的残余内容的清除，最建议采用的便是最后这种处理方法。

不过其他的方法也是可以在一些场景中使用的，这就见仁见智了...

什么时候会返回EOF

这里提一个题外的点：什么时候getchar()会返回EOF？再进一步想，什么时候程序会认为标准流stdin达到了文件流末尾？

实际上，这里的EOF往往是用户输入的一个特殊二进制值[3]，输入方式：

  • 在Windows系统下是 Ctrl + Z（F6应该也行）

  • 在Linux下是 Ctrl + D

当用户在输入中发送EOF时，标准流stdin就会被标记为EOF，因此getchar()就会获取字符失败而返回EOF。

// 测试用代码
#include 
int main()
{
	char testChar;
	fprintf(stdout, "Input Char: \n");
	testChar = getchar();
	if (testChar == EOF)
	{
		printf("Received EOF\n");
	}
	else
	{
		printf("Received a char\n");
	}
	return 0;
}

EOF在C语言中是一个宏，定义在头文件stdio.h中，其值为一个负值的整型（并不一定是 -1），因此上面用tempChar != EOF来判断getchar()失败。

处理残余的语句放在哪里

现在咱已经搞清楚了清除残余的代码，那么这些代码该放在哪呢？

对于标准输出流stdout来说，fflush语句往往放在输出函数执行完成之后，以立刻将输出内容打印到屏幕上：

printf("Hello ");
printf("World!\n");
fflush(stdout);

当然，如果嫌麻烦可以在输出前直接通过setbuf关闭stdout的缓冲：

setbuf(stdout, NULL);

对于标准输入流stdin来说，处理残余的语句往往放在每次输入函数执行之后，以及时清理流中残余内容：

int c;
char testChar1, testChar2;
scanf("%*s"); // * 用于屏蔽赋值
while ((c = getchar()) != '\n' && c != EOF)
	;
testChar1 = getchar();
while ((c = getchar()) != '\n' && c != EOF)
	;
scanf("%c", &testChar2);

当然，这样就显得有点冗余了。

实际上可以将清除的语句封装进函数或者定义为宏（不过确实不太建议定义为宏），这样也更便于维护。

总结

之前浏览了很多相关文章，标题和内容大多都写着“清空输入缓冲区”。现在想一下，这样写可能是不对的，因为实际我清空的是标准输入流stdin中的残留内容。在用户输入完成（输入换行符）的那一刻，输入缓冲区实际上就已经被清空了。

也就是说，标准流和对应的缓冲区要辨别清楚，二者不是同一个概念（一个stream一个buffer），千万不能混淆了。

最后，感谢你看到这里~
本笔记可能还是有错误出现，也请各位多指教！

参考文献

本笔记相关：

  1. File input/output - cppreference.com

  2. Clarify the difference between input/output stream and input/output buffer - StackOverflow

  3. End of File in stdin - StackOverflow

关于"implementation-defined"

  • Undefined, unspecified and implementation-defined behavior - StackOverflow

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