🖨️ C 語言輸入與輸出指令

在 C 語言程式設計中，與使用者或檔案進行互動的核心是輸入 (Input) 與輸出 (Output)，統稱為 I/O。C 語言透過其標準函式庫 (Standard Library) 提供了一系列豐富的 I/O 函式。這些函式大多被宣告在 <stdio.h> 這個標頭檔 (Header File) 中，因此在使用它們之前，我們幾乎總會在程式的開頭寫上 #include <stdio.h>。

本章將探討幾組常用的 I/O 函式，從格式化 I/O、字串 I/O 到字元 I/O，並分析它們的原理、用法與差異。

練習一： scanf 與 printf（格式化 I/O）

這是 C 語言中最常用的一對 I/O 函式，它們能夠根據指定的格式來讀取和寫入多種資料型態。

• printf(格式字串, ...): 將資料（變數、常數等）依照指定的格式轉換成文字，並輸出到標準輸出（通常是螢幕）。
• scanf(格式字串, ...): 從標準輸入（通常是鍵盤）讀取文字，並依照指定的格式將其解析、轉換後存入指定的變數位址中。

#include <stdio.h>

int main() {
    // === 範例一：讀取與輸出多個整數 ===
    printf("請輸入三個整數 (以空格分隔): ");
    int input1, input2, input3;
    scanf("%d %d %d", &input1, &input2, &input3); // 注意變數名前的 '&'
    printf("您輸入的數字是: %d %d %d\n", input1, input2, input3);

    // === 範例二：讀取字串 ===
    printf("\n請輸入一個單字 (不含空格): ");
    char str1[20];
    scanf("%s", str1); // 讀取字串時，陣列名稱本身就是位址，不需加 '&'
    printf("您輸入的單字是: %s\n", str1);
    
    return 0;
}

📥 scanf 原理與常見行為

• scanf 會從標準輸入（鍵盤）讀取資料，依照格式控制符（如 %d, %s）將輸入的資料存入對應變數。
• scanf 在讀取時，預設會以空白字元 (Whitespace)，包含空格、Tab、換行符等，作為資料的分隔符。當使用 %s 讀取字串時，它會在遇到第一個空白字元時停止讀取。
• scanf 會讀取並跳過輸入緩衝區中的換行符。
• 讀取整數時，如果沒輸入足夠個數，程式會卡在那行直到輸入完畢。
• & 運算子：scanf 的目的是要「改變」變數的值，所以必須傳遞變數的記憶體位址給它，因此在變數名前要加上取址運算子 &。唯一的例外是字串陣列，因為陣列名稱本身就代表了其起始位址。

📤 printf 原理與常見行為

• printf 負責格式化輸出資料到螢幕。
• 只有在格式字串裡明確加上 \n 才會換行。
• 可以輸出任何格式的資料（整數、字串、浮點數等）。
• 輸出時保留空格、換行，完全由格式字串決定。

練習二：sscanf 與 sprintf（字串格式化 I/O）

這對函式的功能與 scanf/printf 非常相似，但它們的操作對象不是標準輸入/輸出流，而是記憶體中的字串。

• sprintf(目標字串緩衝區, 格式字串, ...): 將格式化的資料「印」到一個字串中，而不是螢幕。
• sscanf(來源字串, 格式字串, ...): 從一個字串中「讀取」格式化的資料。

#include <stdio.h>

int main() {
    char str[10];
    int dec;
    float pi;
    // 使用 sscanf 從字串中解析資料
    char input_source[] = "abc 50 3.145";
    sscanf(input_source, "%s %d %f", str, &dec, &pi);
    printf("從字串 \"%s\" 解析出的資料:\n", input_source);
    printf("字串: %s, 整數: %d, 浮點數: %.3f\n\n", str, dec, pi);

    // 使用 sprintf 將資料格式化並存入字串
    char output_buffer[80];
    sprintf(output_buffer, "圓周率的值是: %.3f", pi);
    printf("將資料格式化後存入字串，結果為:\n");
    printf("%s\n", output_buffer);

    return 0;
}

🗃️ sscanf 原理與常見行為

• sscanf 是「string scan formatted」，和 scanf 類似，但來源不是鍵盤輸入，而是「一段字串」。
• 格式控制與 scanf 完全一樣。會依空白字元（空格、tab、換行）分隔不同資料欄位。
• 如 sscanf(str, "%d %f", &a, &b); 可從 str 字串中解析兩個欄位。
• 不會因為有換行就停止，除非字串中真的有 \n 或結尾。

🏷️ sprintf 原理與常見行為

• sprintf 是「string print formatted」，會將格式化後的內容寫入指定的字串陣列，而不是螢幕。
• 和 printf 幾乎一樣，差別在於「輸出目標」是陣列不是螢幕。
• 使用 sprintf 時要特別小心，必須確保目標字串緩衝區 (output_buffer) 足夠大，能夠容納所有格式化後的內容，否則會造成緩衝區溢位 (Buffer Overflow)，這是一個嚴重的安全漏洞。更安全的替代方案是 snprintf，它允許指定最大寫入長度。
• 不會自動換行，必須自行在格式字串中加 \n。

練習三：gets 與 puts（行導向 I/O (注意：gets 已被棄用)）

這組函式以「行」為單位來處理字串。

• puts(字串): 輸出一行字串到標準輸出，並自動在結尾加上一個換行符 \n。
• gets(字串緩衝區): 從標準輸入讀取一行字串，直到遇到換行符為止。

#include <stdio.h>

int main() {
    // puts 的使用
    char str_s[] = "I love coding.";
    puts("--- puts 範例 ---");
    puts(str_s); // 會輸出 I love coding. 並換行
    
    // 比較 puts 與 printf
    char str_s2[] = "I don't love coding.";
    puts("\n--- printf 範例 (無 \\n) ---");
    printf("%s", str_s2); // 只輸出 I don't love coding. 不會自動換行
    printf(" (printf 輸出的結尾)\n");
    
    /* * gets 的範例在此省略，因為它極度不安全。
     * char input_str[10];
     * gets(input_str); // 如果使用者輸入超過9個字元，就會發生緩衝區溢位！
    */
    
    return 0;
}

重點解析

• gets 的危險性：gets 函式在讀取輸入時，完全不檢查目標緩衝區的大小。如果使用者輸入的字串長度超過了陣列的容量，多出的字元會覆寫到相鄰的記憶體，引發不可預期的行為或安全漏洞。
• C11 標準：由於其固有的危險性，gets 函式已在 C11 標準中被正式移除。絕對不要在任何新的程式碼中使用 gets。請永遠使用 fgets 作為替代。
• puts 的便利性：puts 會自動加上換行符，對於單純輸出整行字串的場景，比 printf 更簡潔。

練習四： fgets 與 fputs（安全的檔案/流導向 I/O）

這組函式是 gets 和 puts 的安全且更通用的版本，它們可以對任何檔案流 (File Stream) 進行操作，包括標準輸入 (stdin) 和標準輸出 (stdout)。

• fgets(緩衝區, 大小, 檔案流): 從指定的流讀取一行字串。
• fputs(字串, 檔案流): 將一個字串寫入指定的流。

#include <stdio.h>

int main() {
    // fgets 從標準輸入讀取一行
    char str_fgets[20];
    printf("請輸入一行文字 (最多19個字元): ");
    fgets(str_fgets, sizeof(str_fgets), stdin); // sizeof(str_fgets) 確保不會溢位
    printf("fgets 的讀取結果: %s", str_fgets);

    // fputs 寫入到標準輸出
    char str_puts[] = "I love you. ";
    char str_puts1[] = "And you?";
    fputs(str_puts, stdout);
    fputs(str_puts1, stdout);
    printf("\n");

    return 0;
}

重點解析

• fgets 的安全性：fgets 最重要的特性是它的第二個參數（大小）。它告訴函式緩衝區最多能容納多少個字元。fgets 讀取時絕不會超過這個大小減一（保留一個位置給結尾的 \0），從而徹底避免了緩衝區溢位。
• 換行符處理：fgets 會讀取並保留輸入中的換行符 \n（如果緩衝區空間足夠的話）。這就是為什麼上面範例的 printf 輸出後面通常會多一個換行。
• fputs 的行為：與 puts 不同，fputs 不會自動在結尾添加換行符。如範例所示，兩次 fputs 的輸出會連在一起。
• 檔案流與標頭檔：stdin 和 stdout 是在 <stdio.h> 中定義的兩個預設檔案流，分別代表標準輸入和標準輸出。fgets 和 fputs 的設計使其可以輕易地用於檔案讀寫，只需將 stdin/stdout 替換成一個用 fopen() 開啟的檔案指標即可。

練習五：getchar/putchar 與 getc/putc（字元導向 I/O）

這幾組函式是 C 語言中最基礎的 I/O，它們一次只處理一個字元。
getchar(): 等同於 getc(stdin)，從標準輸入讀取一個字元。
putchar(字元): 等同於 putc(字元, stdout)，將一個字元寫入標準輸出。

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("請輸入一個字元: ");
    char c = getc(stdin);
    printf("putc 的輸出: ");
    putc(c, stdout);
    
    // 清除輸入緩衝區中的換行符
    while (getchar() != '\n'); 
    
    printf("\n\n請再輸入一個字元: ");
    char b = getchar();
    printf("putchar 的輸出: ");
    putchar(b);
    printf("\n");

    return 0;
}

重點分析：

• 單字元處理：它們嚴格地一次只讀寫一個字元。
• 數字也是字元：如果您輸入數字 1，getchar() 讀取到的是字元 '1'（其 ASCII 碼為 49），而不是整數值 1。
• 原理：getchar/putchar 是 getc/putc 針對標準輸入輸出的特化版本（巨集定義），使用上更簡潔。而 getc/putc 則更通用，可以操作任何檔案流。
• 緩衝區問題：鍵盤輸入通常是行緩衝的，意思是您輸入的內容（包括最後的 Enter 鍵）會先被放在一個緩衝區裡。getchar 從中讀取第一個字元後，其餘的字元（包括 \n）仍會留在緩衝區中，可能會影響下一次的輸入讀取。範例中 while (getchar() != '\n'); 是一種常見的清空緩衝區的方法。

⛳ 比較與實用重點