C語言標準 I/O 深度解析：流、緩衝區、I/O 函數族與輸入緩衝清理

流的抽象模型

• 所有 I/O 視為位元組流，隱藏裝置細節
• 兩類流：文字流（行導向、\n 結尾）與 二進位流（原始位元組）
• UNIX 不區分兩者

三大標準流

程式啟動自動開啟，正常結束時自動 fclose 並沖洗緩衝區。

緩衝區三種模式

1. 全緩衝：緩衝區滿才實際 I/O（磁碟檔案預設）
2. 行緩衝：遇 \n 執行 I/O（終端機輸入輸出預設）
3. 無緩衝：直接系統呼叫（stderr、setbuf(fp, NULL)）

緩衝區控制函數

void setbuf(FILE *fp, char *buf);           // buf=NULL 關閉緩衝
int setvbuf(FILE *fp, char *buf, int mode, size_t size);
// mode: _IOFBF(全), _IOLBF(行), _IONBF(無)
// 必須在檔案開啟後、任何操作前呼叫

核心 I/O 函數族

單字元

int getc(FILE*); int fgetc(FILE*); int getchar(void);  // getchar() ≡ getc(stdin)
int putc(int, FILE*); int fputc(int, FILE*); int putchar(int); // putchar(c) ≡ putc(c, stdout)
// getc/putc 可能為巨集，fgetc/fputc 保證為函數

行導向

char *fgets(char *str, int n, FILE *fp);  // 讀最多 n-1 字元，含 \n
// gets() 不安全，禁用
int fputs(const char *str, FILE *fp);     // 寫字串，不寫 \0
int puts(const char *str);                // 寫字串 + 自動加 \n

格式化

int printf(const char *fmt, ...);
int fprintf(FILE *fp, const char *fmt, ...);
int sprintf(char *buf, const char *fmt, ...);
int snprintf(char *buf, size_t n, const char *fmt, ...);

int scanf(const char *fmt, ...);
int fscanf(FILE *fp, const char *fmt, ...);
int sscanf(const char *buf, const char *fmt, ...);

輸入緩衝區清理：正確與錯誤做法

❌ 錯誤：fflush(stdin)

C 標準未定義輸入流 fflush 行為。VC 允許，GCC/Clang 無效，不可移植。

❌ 不穩：setbuf(stdin, NULL)

關閉緩衝，但非標準保證行為，不建議依賴。

✅ 正確：手動讀取丟棄

int c;
while ((c = getchar()) != '\n' && c != EOF);

循環讀取直到換行或 EOF，標準、可移植、無副作用。

⚠️ 替代：scanf 格式字串

scanf("%*[^\n]%*c");  // 讀取並丟棄非換行字元，再丟棄換行符

但留下換行符需額外處理，易出錯，不推薦常用。

printf 實現機制

• 變參函數，透過 <stdarg.h> 巨集（va_list、va_start、va_arg、va_end）遍歷參數
• 解析格式字串，按轉換規格取對應引數
• 內部常用 write() 系統呼叫輸出

效能提示

• fgets/fputs + 手動處理 \n 最穩健
• 大量資料用 fread/fwrite 區塊 I/O
• 避免在效能關鍵路徑用 scanf/printf（格式解析開銷大）