剛看完信號那章，覺得處理信號時的sigsetjmp/siglongjmp似乎跟異常的跳出很像，于是想去復(fù)習(xí)C++異常，然后發(fā)現(xiàn)了對I/O沒有充分理解的問題。

題目是C++ Primer 5.6.3節(jié)的練習(xí)5.25，描述如下：

1、從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀取2個整數(shù), 輸出第1個整數(shù)除以第2個整數(shù)的結(jié)果。

2、如果第2個整數(shù)為0，拋出異常；

3、用try語句塊捕捉異常，catch語句中為用戶輸出一條提示信息，詢問是否輸入新數(shù)并重新執(zhí)行try語句塊的內(nèi)容。

于是我隨手一寫，就寫出了這樣的代碼

#include <stdio.h> #include <stdexcept>int main() {int x, y;while (1) {try {fputs("input two numbers: ", stdout);scanf("%d %d", &x, &y);if (y == 0)throw std::runtime_error("除數(shù)為0!");printf("%d / %d = %d\n", x, y, x / y);}catch (std::exception& e) {fputs(e.what(), stderr);fputs("是否重新輸入?[Y/n] ", stdout);char ch = getchar();if (ch == 'Y' || ch == 'y')continue;}break;}return 0; }

調(diào)試看看，在getchar()下面加一句printf("%d\n", ch);后重新運行，會發(fā)現(xiàn)打印的是10（ACSII碼中換行符'\n'對應(yīng)的是10）

也就是說getchar()不需要等待我們輸入就獲取了字符。那么這個換行符是怎么來的呢？

哦，剛才輸入了"1 0"后是按了回車，然后scanf才執(zhí)行。scanf讀到第2個int對應(yīng)字符串部分（'0'）終止就不再讀了，也就是'\n'并沒有讀進去。而標(biāo)準(zhǔn)I/O庫采取了緩存策略，標(biāo)準(zhǔn)輸入的字符都放在一個字符串?dāng)?shù)組內(nèi)，比如我剛才輸入1、空格、0、Enter時，在標(biāo)準(zhǔn)輸入（stdin）對應(yīng)的FILE結(jié)構(gòu)中，它的緩存（可以看做一個字符數(shù)組）是這樣的

'1', ' ', '0', '\n', '\0', '\0', ...

FILE結(jié)構(gòu)有個指向當(dāng)前位置的指針（注：下文中的指針均默認指代這個指針），最初是指向'1'的，然后進行scanf，讀第2個int時，指針指向'0'，然后讀取'0'，指針右移，此時指向'\n'，不是一個數(shù)字，開始分析scanf讀到的2個int對應(yīng)字符串"1"和"0"并且轉(zhuǎn)換成int存入x和y的地址（&x和&y）中。

結(jié)果就是，指針指向的是'\n'，調(diào)用getchar()時，標(biāo)準(zhǔn)輸入的緩存中已經(jīng)有字符，那么直接取出即可。只有在標(biāo)準(zhǔn)輸入的指針已經(jīng)到達緩存非'\0'字符的末尾（即所謂字符數(shù)組風(fēng)格字符串的末尾），才會阻塞進程并且等待用戶輸入，用戶的輸入會填入緩存，然后getchar()取得指針指向的字符。

回到這里，指針指向'\n'，那么getchar()就會把它取出來并返回，然后指針右移。因此我們需要接收到用戶新輸入的字符，需要像這樣

getchar(); // 取出剛才的換行符 char ch = getchar();

如果熟悉庫函數(shù)fflush()，很可能會采用fflush(stdin);的方式來取代getchar()，意思就是沖刷標(biāo)準(zhǔn)輸入的緩存。

看似可行，但是，標(biāo)準(zhǔn)輸入不同于標(biāo)準(zhǔn)輸出(stdout)和標(biāo)準(zhǔn)錯誤(stderr)，后兩者被沖刷的話，指針右移直到字符串末尾，然后右移過程中的字符被輸出到屏幕上（雖然這么說，但實際上是一次系統(tǒng)調(diào)用打印出來）。也不同于打開普通文件（txt等等）的FILE*，沖刷它們會把字符串輸出到文本中。

那么，標(biāo)準(zhǔn)輸入又能輸出到哪呢？

POSIX.1-2001 did not specify the behavior for flushing of input streams, but the behavior is specified in POSIX.1-2008.

在POSIX.1-2001標(biāo)準(zhǔn)中，沖刷輸入流的行為是未定義的。雖然POSIX新標(biāo)準(zhǔn)定義了其行為，我沒有具體查看，但是在Ubuntu 16.04 gcc 5.4.0下，用-std=gnu++11編譯得到的結(jié)果并不是我們期望的那樣。盡管網(wǎng)上能搜到很多C語言考題會考fflush(stdin)，還是VC6.0環(huán)境（我就不多說了，點到即止）

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本來像上面那樣更改代碼后就OK了，但是健壯性較好的做法是只判斷第1個字符即可，后面的字符隨便輸入，比如卸載軟件的命令

我輸入了yabcd wufq ue這一段瞎按的字符串，只有首字母為y，但是卸載程序仍然執(zhí)行了。

那么我的程序是否也能如此呢？

僅僅是輸入了2個字符，結(jié)果不僅重新輸入了一些信息，還直接返回了。

來分析一下程序的執(zhí)行流程：

1、我輸入了yy，此時從指針指向的位置起，緩存字符是'\n', 'y', 'y'；

2、getchar()讀取'\n'，第2個getchar()讀取'y'返回并賦值給字符ch，然后if語句判斷ch是否為'Y'或'y'

3、if語句為真，執(zhí)行continue;跳過while循環(huán)中剩余代碼（即break;），重新進入while循環(huán)。

就此打住，注意，現(xiàn)在stdin的緩存是'y'，而scanf會根據(jù)格式化字符串"%d %d"讀取，也就是首先要讀1個int，如果碰到正負號和數(shù)字之外的字符會怎樣呢？

把代碼的scanf那句改成下面這樣，檢查返回值（scanf的返回值為成功格式化寫入的變量個數(shù)）

int n = scanf("%d %d", &x, &y); if (n != 2) {fprintf(stderr, "scanf實際讀取int的數(shù)量: %d\n", n);return 1; }

運行結(jié)果如下

實際上碰到數(shù)字、正負號（還有空白字符）之外的字符就會返回，因為格式化輸入已經(jīng)不合法了。

關(guān)于printf和scanf的具體實現(xiàn)，主要是利用了C語言的可變參數(shù)類型va_list，具體可以參考C語言的經(jīng)典教材《C程序設(shè)計語言》作者是丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie），C語言之父&UNIX之父。7.3節(jié) 變長參數(shù)表里面提供了一份簡化版printf的實現(xiàn)。

如果自己動手試著實現(xiàn)下，對printf/scanf的理解會更深刻。

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于是回到問題，那我們該怎么解決呢？一個自然而然想到的方法是像剛才getchar()一樣，把stdin的緩存全部讀完，即在if語句之前加上

while (getchar() != '\n') { }

但是這會有調(diào)用函數(shù)的開銷，比如我輸入了10000個字符，那么就要調(diào)用getchar() 10000次。函數(shù)調(diào)用次數(shù)過多的話，開銷就不能忽視了，因為每次函數(shù)調(diào)用都伴隨著參數(shù)的入棧、出棧，函數(shù)棧幀的建立和銷毀。

但是從性能的角度，可以采取更好的方法

char buf[BUFSIZ]; while (!fgets(buf, sizeof(buf), stdin)) { }

那就是減少函數(shù)調(diào)用的次數(shù)，每次獲取BUFSIZ個字符，這樣輸入10000個字符的話只需要調(diào)用函數(shù)10000 / BUFSIZ次。

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從實踐的角度看，這種優(yōu)化在這里其實沒有必要，首先，沒有誰那么無聊輸入這么多字符，頂多不小心多按了幾個字母。比如手滑按Enter鍵時把旁邊的鍵給按下了。其次，這個程序本身就非常簡單，甚至都不用考慮效率。

但是了解這些是有意義的?？丛创a不是為了重復(fù)造輪子，重復(fù)造輪子也不是僅僅為了重復(fù)造輪子，而是加深對底層實現(xiàn)的理解。既然選擇了C/C++，就不得不去面對名為“效率”的怪物，不得不去了解底層實現(xiàn)。

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最后再補充一點，C語言標(biāo)準(zhǔn)I/O庫在終端I/O上默認是行緩沖，標(biāo)準(zhǔn)I/O庫其實也要從應(yīng)用態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)去調(diào)用內(nèi)核的read/write等函數(shù)，10000次用戶函數(shù)調(diào)用的開銷也許不大，但是10000次上下文切換的開銷就不小了。內(nèi)核的I/O也有自己的一套緩存。所謂行緩沖，就是輸入換行符時，一次性把目前為止輸入/輸出的所有字符進行I/O，也就是每讀取一行（只要這一行不是特別特別長）只進行1次系統(tǒng)調(diào)用（system call）。（參考《Unix環(huán)境高級編程》）

因此每次輸入換行符時，才把鍵盤輸入的字符串一次性給搬運到內(nèi)存中，然后scanf從頭開始分析字符串。

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/Harley-Quinn/p/6741677.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的从C++Primer某习题出发，谈谈C语言标准I/O的缓存问题的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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