本文探讨了C语言在Windows和Linux系统中printf输出的差异，主要原因是输入输出缓存的存在。在Windows系统中，每次printf后都会立即刷新缓存，而在Linux系统中则会在程序结束时统一刷新。文章详细讲解了输出缓存区的刷新时机，行缓存的概念，以及输入缓存区的工作原理。同时介绍了无缓存输入函数getch和getche的使用，它们可以直接从键盘获取输入，无需等待回车。
C语言教程笔记
二十二. 输入输出缓存
1. 探究printf的现象
我们分别在windows系统和linux系统上使用代码做以下操作： 输出"HelloWorld"十次，每次输出后暂停500毫秒。
1.1 windows系统上的代码
// windows系统
#include <stdio.h>
#include <windows.h>
int main()
{
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
printf("Hello World %d", i);
Sleep(500); // 使用Sleep函数休眠500毫秒
}
return 0;
}
在windows系统上，我们使用 windows.h 头文件中提供的 Sleep 函数，每次输出后休眠500毫秒。
1.2 linux系统上的代码
// linux系统
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
for(int i = 0; i < 10; i++)
{
printf("Hello World %d", i);
usleep(1000 * 500); // 使用usleep函数休眠500毫秒
}
return 0;
}
在linux系统上，我们使用 unistd.h 头文件中提供的 usleep 函数，每次输出后休眠500毫秒。 usleep 的单位为1微秒，1000微秒为1毫秒。代码中给 usleep 传入1000 * 500，表示500毫秒。
两份代码除了休眠使用的函数不同，其他都是一致的，按理说效果也应当一致。我们来看看运行后的具体情况。
1.3 windows系统上的表现
windows系统上打印出一个 HelloWorld 后，休眠500毫秒，再打印下一个。
1.4 linux系统上的表现
linux系统上，休眠5000毫秒，打印出所有 HelloWorld 。
为什么呢？
计算机为了减少不必要的操作开销。为了解释这一现象，所以要学习输入输出缓存区、
2. 输入输出缓存区
2.1 输出缓存区
在向控制台打印字符时，程序会先将需要打印的字符串放在输出缓存区中，到特定时刻，再一起显示到控制台。
缓存区就类似于存放脏衣服的桶子，里面存放了一定量的数据，等待批量处理。
在计算机中，需要将显示在屏幕上的数据发送至显卡，再由显卡进行显示。显然，累积一串字符再批量处理发送，比起单个单个发送更有效率。
2.1.1 何时刷新输出缓存
我们将缓存中的数据发送至目的地并清空缓存，这一行为称之为 刷新缓存 。
在windows系统下，使用printf后，数据被写入到输出缓存区。随后，立即刷新缓存区。
在linux系统下，使用printf后，数据被写入到输出缓存区。后续的printf会在缓存区中累积数据。直到程序结束才刷新缓存区。
2.1.2 行(háng)缓存的刷新时机
输入输出缓存属于行缓存，即一行结束后必须刷新缓存。
另外，还有一种缓存形式为完全缓存，这种缓存的形式需要等到整个缓存区被填满，才会刷新缓存。
对于行缓存，如果我们想要刷新缓存，只要将一行结束即可。那么文本中如何表示一行结束呢，当然是换行符 ‘\n’ 了。
// linux系统
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
for(int i = 0; i < 10; i++)
{
printf("Hello World %d\n", i); // 字符串末尾加上‘\n’
usleep(1000 * 500); // 使用usleep函数休眠500毫秒
}
return 0;
}
我们将printf输出的字符串末尾加上’\n’，再将其运行在linux系统上，观察程序执行的行为。
程序的运行效果为每一行HelloWorld逐行显示了。
在windows系统中似乎不那么在乎一行字符是否结束。但是在linux下却严格遵循一行字符结束才刷新缓存。
注意输出缓存是一个系统特性，而不是函数特性。所有输出函数，包括printf，putchar等，均存在输出缓存。
2.2 输入缓存区
类似于输出函数（如printf，putchar）存在输出缓存，输入函数（如scanf，getchar）也存在输入缓存。
并且这些输入函数属于阻塞函数，当输入缓存区没有内容时。程序将阻塞在输入函数中，等待用户从键盘键入字符，并按回车确认。
当我们按下了回车键（即换行，存储为’\n’），输入的字符串将进入输入缓存区。
接下来，输入函数将从输入缓存区获取字符，删除缓存区中已获取的字符，并解除阻塞状态继续执行代码。
2.2.1 输入缓存区仍有数据 getchar不阻塞
#include <stdio.h>
int main()
{
char c1, c2;
c1 = getchar();
putchar(c1);
c2 = getchar();
putchar(c2);
return 0;
}
上面的代码期望输入一个字符，程序打印这个字符。再输入第二个字符，程序再打印第二个字符。 我们来看一下它的执行效果。
程序运行到第一个getchar，由于输入缓存区没有数据，getchar进入阻塞状态，等待用户输入。
在输入’A’并按回车后，"A\n"进入了输入缓存区。
第一个getchar获取了字符’A’，解除阻塞状态，继续执行。接着用putchar打印c1。
执行到第二个getchar时，由于缓存区内仍有字符’\n’。getchar无需阻塞等待输入，直接获取了字符’\n’， 接着用putchar打印c2。
换行符’\n’被当做了第二个getchar的输入，显然，我们不希望这样。我们可以用一个getchar来吸收第一 次输入的’\n’。
#include <stdio.h>
int main()
{
char c1, c2;
c1 = getchar();
putchar(c1);
getchar(); // 用于吸收'\n'
c2 = getchar();
putchar(c2);
return 0;
}
由于输入缓存区仍有字符’\n’，第二个getchar将不进入阻塞状态，直接读取缓存区中的’\n’，并继续执行。
运行到第三个getchar时，缓存区已没有数据，因此第三个getchar将进入阻塞状态。 在我们输入了字符’B’并按回车后。字符’B’被第三个getchar获取，并被其后的putchar打印。
2.2.2 使用getchar读取输入字符串
除了用scanf读取一行字符串输入外，getchar也能做到同样的功能，并且更加灵活。
#include <stdio.h>
int main()
{
char str[20];
int i = 0;
while(i < 20 - 1)
{
char c;
c = getchar();
str[i++] = c;
if (c == '\n')
{
break;
}
}
str[i] = '\0';
printf(str);
return 0;
}
代码中声明了一个长度为20的字符数组，这个字符数值可以存储19个字符加上1个结束标记 ‘\0’ 。 接下来，我们用循环getchar来依次从输入缓存区中读取字符。最多读取19次，第20个元素要留给 ‘\0’ 。 此外，如果遇到了’\n’就说明已经是一行字符结束了，可以停止循环了。 停止循环后，记得在数组中存储的字符串最末尾加上 ‘\0’ ，以标记这个字符串结束。 我们输入超过19个字符试试看。
超过19个字符后，循环将退出且还剩"d\n"两个字符未读取。所以，输出的结果少了"d\n"。 既然这两个字符仍然留在输入缓存区中，我们再使用scanf读取完输入缓存区吧。
#include <stdio.h>
int main()
{
char str[20];
int i = 0;
while(i < 20 - 1)
{
char c;
c = getchar();
str[i++] = c;
if (c == '\n')
{
break;
}
}
str[i] = '\0';
printf(str);
// 分割线
printf("\n--------------\n");
// 继续读取循环中未读取完的字符
scanf("%s", str);
printf(str);
return 0;
}
此时，由于输入缓存区内仍有数据，我们将观察到scanf不进入阻塞状态，直接从缓存区中读取数据到 str 中。先将 ‘d’ 放到字符数组 str 中，其后遇到了 ‘\n’ ，scanf认为一行结束了，便将 ‘\0’ 附到字符数组中 的 ‘d’ 后。最后，str被printf打印在控制台上，内容为 “d”。
3. 不带缓存的输入函数
在前面我们介绍了带缓存的输入函数，只有当按下回车键后，输入的字符串才进入输入缓存区，等待程 序进行读取。
而下面即将介绍的不带缓存的输入函数，只要按下键盘，程序就立即能获取到输入的字符。
3.1 getch函数
#include <stdio.h>
#include <conio.h>
int main()
{
while(1)
{
char c;
c = getch(); // 输入后，使用putchar打印在控制台上
putchar(c);
if (c == 'q')
{
break;
}
}
return 0;
}
输入"1234567890q"，程序立刻显示"1234567890q"并退出。
getch 函数相当于无缓存的 getchar 。
程序运行到getch时函数将进入阻塞状态，并等待键盘直接输入一个字符。
按下一个键后（不需要回车送入输入缓存区）， getch 函数立刻就能收到对应的字符，随后通过 putchar 打印在控制台上。
3.2 getche函数
#include <stdio.h>
#include <conio.h>
int main()
{
while(1)
{
char c;
c = getche(); // 输入后，getche自己会将字符打印在控制台上。
if (c == 'q')
{
break;
}
}
return 0;
}
getche 函数与 getch 函数类似，不过它会自己将输入的字符打印在控制台上。
getche 函数相当于无缓存有回显的 getchar 。
请注意这两个函数需要包含头文件 conio.h 才可以被使用。
conio.h 不是一个标准头文件，在windows下默认可以使用。近些年，为了区别平台实现函数与C语言标准函数。平台实现函数前会加上下划线。 getch ， getche 这些平台实现函数，被更名为 _getch ，_getche 。
例如，在Visual Studio 2019\2022中，若使用 getch 函数，编译器会报错并提示改为 _getch 函数。
3.3 无缓存函数直接从键盘输入
#include <stdio.h>
#include <conio.h>
int main()
{
char c = getchar();
putchar(c);
c = getch();
putchar(c);
c = getchar();
putchar(c);
return 0;
}
第一个getchar将进入阻塞状态，等待用户输入并按下回车，将数据送到缓存区。 我们输入了字符串"123\n"，第一个getchar将获取字符’1’，现在缓存区中的数据为"23\n"。 第一个getchar解除阻塞状态。随后’1’被putchar打印到控制台。 程序运行至getch，虽然输入缓存区中仍有数据，但是getch函数将阻塞等待键盘直接输入一个字符。
输入’A’后，getch解除阻塞状态。‘A’被putchar打印到控制台。 第二个getchar将不进入阻塞状态，读取缓存区中的字符’2’。随后putchar将打印’2’到控制台。
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