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id: IO 函数
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title: IO 函数
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data: 2022年3月30日
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C 语言提供了一些函数，用于与外部设备通信，称为输入输出函数，简称 I/O 函数。输入（import）指的是获取外部数据，输出（export）指的是向外部传递数据。
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## 缓存和字节流
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严格地说，输入输出函数并不是直接与外部设备通信，而是通过缓存（buffer）进行间接通信。这个小节介绍缓存是什么。
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普通文件一般都保存在磁盘上面，跟 CPU 相比，磁盘读取或写入数据是一个很慢的操作。所以，程序直接读写磁盘是不可行的，可能每执行一行命令，都必须等半天。C 语言的解决方案，就是只要打开一个文件，就在内存里面为这个文件设置一个缓存区。
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程序向文件写入数据时，程序先把数据放入缓存，等到缓存满了，再把里面的数据会一次性写入磁盘文件。这时，缓存区就空了，程序再把新的数据放入缓存，重复整个过程。
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程序从文件读取数据时，文件先把一部分数据放到缓存里面，然后程序从缓存获取数据，等到缓存空了，磁盘文件再把新的数据放入缓存，重复整个过程。
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内存的读写速度比磁盘快得多，缓存的设计减少了读写磁盘的次数，大大提高了程序的执行效率。另外，一次性移动大块数据，要比多次移动小块数据快得多。
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这种读写模式，对于程序来说，就有点像水流（stream），不是一次性读取或写入所有数据，而是一个持续不断的过程。先操作一部分数据，等到缓存吞吐完这部分数据，再操作下一部分数据。这个过程就叫做字节流操作。
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由于缓存读完就空了，所以字节流读取都是只能读一次，第二次就读不到了。这跟读取文件很不一样。
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C 语言的输入输出函数，凡是涉及读写文件，都是属于字节流操作。输入函数从文件获取数据，操作的是输入流；输出函数向文件写入数据，操作的是输出流。
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## printf()
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`printf()`是最常用的输出函数，用于屏幕输出，原型定义在头文件`stdio.h`，详见《基本语法》一章。
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## scanf()
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### 基本用法
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`scanf()`函数用于读取用户的键盘输入。程序运行到这个语句时，会停下来，等待用户从键盘输入。用户输入数据、按下回车键后，`scanf()`就会处理用户的输入，将其存入变量。它的原型定义在头文件`stdio.h`。
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`scanf()`的语法跟`printf()`类似。
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```c
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scanf("%d", &i);
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```
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它的第一个参数是一个格式字符串，里面会放置占位符（与`printf()`的占位符基本一致），告诉编译器如何解读用户的输入，需要提取的数据是什么类型。这是因为 C 语言的数据都是有类型的，`scanf()`必须提前知道用户输入的数据类型，才能处理数据。它的其余参数就是存放用户输入的变量，格式字符串里面有多少个占位符，就有多少个变量。
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上面示例中，`scanf()`的第一个参数`%d`，表示用户输入的应该是一个整数。`%d`就是一个占位符，`%`是占位符的标志，`d`表示整数。第二个参数`&i`表示，将用户从键盘输入的整数存入变量`i`。
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注意，变量前面必须加上`&`运算符（指针变量除外），因为`scanf()`传递的不是值，而是地址，即将变量`i`的地址指向用户输入的值。如果这里的变量是指针变量（比如字符串变量），那就不用加`&`运算符。
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下面是一次将键盘输入读入多个变量的例子。
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```c
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scanf("%d%d%f%f", &i, &j, &x, &y);
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```
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上面示例中，格式字符串`%d%d%f%f`，表示用户输入的前两个是整数，后两个是浮点数，比如`1 -20 3.4 -4.0e3`。这四个值依次放入`i`、`j`、`x`、`y`四个变量。
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`scanf()`处理数值占位符时，会自动过滤空白字符，包括空格、制表符、换行符等。所以，用户输入的数据之间，有一个或多个空格不影响`scanf()`解读数据。另外，用户使用回车键，将输入分成几行，也不影响解读。
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```c
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1
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-20
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3.4
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-4.0e3
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```
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上面示例中，用户分成四行输入，得到的结果与一行输入是完全一样的。每次按下回车键以后，`scanf()`就会开始解读，如果第一行匹配第一个占位符，那么下次按下回车键时，就会从第二个占位符开始解读。
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`scanf()`处理用户输入的原理是，用户的输入先放入缓存，等到按下回车键后，按照占位符对缓存进行解读。解读用户输入时，会从上一次解读遗留的第一个字符开始，直到读完缓存，或者遇到第一个不符合条件的字符为止。
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```c
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int x;
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float y;
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// 用户输入 " -13.45e12# 0"
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scanf("%d", &x);
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scanf("%f", &y);
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```
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上面示例中，`scanf()`读取用户输入时，`%d`占位符会忽略起首的空格，从`-`处开始获取数据，读取到`-13`停下来，因为后面的`.`不属于整数的有效字符。这就是说，占位符`%d`会读到`-13`。
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第二次调用`scanf()`时，就会从上一次停止解读的地方，继续往下读取。这一次读取的首字符是`.`，由于对应的占位符是`%f`，会读取到`.45e12`，这是采用科学计数法的浮点数格式。后面的`#`不属于浮点数的有效字符，所以会停在这里。
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由于`scanf()`可以连续处理多个占位符，所以上面的例子也可以写成下面这样。
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```c
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scanf("%d%f", &x, &y);
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```
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`scanf()`的返回值是一个整数，表示成功读取的变量个数。如果没有读取任何项，或者匹配失败，则返回`0`。如果读取到文件结尾，则返回常量 EOF。
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### 占位符
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`scanf()`常用的占位符如下，与`printf()`的占位符基本一致。
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- `%c`：字符。
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- `%d`：整数。
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- `%f`：`float`类型浮点数。
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- `%lf`：`double`类型浮点数。
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- `%Lf`：`long double`类型浮点数。
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- `%s`：字符串。
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- `%[]`：在方括号中指定一组匹配的字符（比如`%[0-9]`），遇到不在集合之中的字符，匹配将会停止。
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上面所有占位符之中，除了`%c`以外，都会自动忽略起首的空白字符。`%c`不忽略空白字符，总是返回当前第一个字符，无论该字符是否为空格。如果要强制跳过字符前的空白字符，可以写成`scanf(" %c", &ch)`，即`%c`前加上一个空格，表示跳过零个或多个空白字符。
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下面要特别说一下占位符`%s`，它其实不能简单地等同于字符串。它的规则是，从当前第一个非空白字符开始读起，直到遇到空白字符（即空格、换行符、制表符等）为止。因为`%s`不会包含空白字符，所以无法用来读取多个单词，除非多个`%s`一起使用。这也意味着，`scanf()`不适合读取可能包含空格的字符串，比如书名或歌曲名。另外，`scanf()`遇到`%s`占位符，会在字符串变量末尾存储一个空字符`\0`。
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`scanf()`将字符串读入字符数组时，不会检测字符串是否超过了数组长度。所以，储存字符串时，很可能会超过数组的边界，导致预想不到的结果。为了防止这种情况，使用`%s`占位符时，应该指定读入字符串的最长长度，即写成`%[m]s`，其中的`[m]`是一个整数，表示读取字符串的最大长度，后面的字符将被丢弃。
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```c
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char name[11];
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scanf("%10s", name);
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```
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上面示例中，`name`是一个长度为11的字符数组，`scanf()`的占位符`%10s`表示最多读取用户输入的10个字符，后面的字符将被丢弃，这样就不会有数组溢出的风险了。
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### 赋值忽略符
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有时，用户的输入可能不符合预定的格式。
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```c
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scanf("%d-%d-%d", &year, &month, &day);
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```
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上面示例中，如果用户输入`2020-01-01`，就会正确解读出年、月、日。问题是用户可能输入其他格式，比如`2020/01/01`，这种情况下，`scanf()`解析数据就会失败。
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为了避免这种情况，`scanf()`提供了一个赋值忽略符（assignment suppression character）`*`。只要把`*`加在任何占位符的百分号后面，该占位符就不会返回值，解析后将被丢弃。
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```c
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scanf("%d%*c%d%*c%d", &year, &month, &day);
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```
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上面示例中，`%*c`就是在占位符的百分号后面，加入了赋值忽略符`*`，表示这个占位符没有对应的变量，解读后不必返回。
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## sscanf()
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`sscanf()`函数与`scanf()`很类似，不同之处是`sscanf()`从字符串里面，而不是从用户输入获取数据。它的原型定义在头文件`stdio.h`里面。
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```c
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int sscanf(const char* s, const char* format, ...);
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```
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`sscanf()`的第一个参数是一个字符串指针，用来从其中获取数据。其他参数都与`scanf()`相同。
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`sscanf()`主要用来处理其他输入函数读入的字符串，从其中提取数据。
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```c
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fgets(str, sizeof(str), stdin);
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sscanf(str, "%d%d", &i, &j);
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```
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上面示例中，`fgets()`先从标准输入获取了一行数据（`fgets()`的介绍详见下一章），存入字符数组`str`。然后，`sscanf()`再从字符串`str`里面提取两个整数，放入变量`i`和`j`。
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`sscanf()`的一个好处是，它的数据来源不是流数据，所以可以反复使用，不像`scanf()`的数据来源是流数据，只能读取一次。
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`sscanf()`的返回值是成功赋值的变量的数量，如果提取失败，返回常量 EOF。
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## getchar()，putchar()
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**（1）getchar()**
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`getchar()`函数返回用户从键盘输入的一个字符，使用时不带有任何参数。程序运行到这个命令就会暂停，等待用户从键盘输入，等同于使用`scanf()`方法读取一个字符。它的原型定义在头文件`stdio.h`。
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```c
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char ch;
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ch = getchar();
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// 等同于
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scanf("%c", &ch);
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```
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`getchar()`不会忽略起首的空白字符，总是返回当前读取的第一个字符，无论是否为空格。如果读取失败，返回常量 EOF，由于 EOF 通常是`-1`，所以返回值的类型要设为 int，而不是 char。
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由于`getchar()`返回读取的字符，所以可以用在循环条件之中。
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```c
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while (getchar() != '\n')
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;
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```
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上面示例中，只有读到的字符等于换行符（`\n`），才会退出循环，常用来跳过某行。`while`循环的循环体没有任何语句，表示对该行不执行任何操作。
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下面的例子是计算某一行的字符长度。
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```c
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int len = 0;
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while(getchar() != '\n')
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len++;
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```
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上面示例中，`getchar()`每读取一个字符，长度变量`len`就会加1，直到读取到换行符为止，这时`len`就是该行的字符长度。
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下面的例子是跳过空格字符。
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```c
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while ((ch = getchar()) == ' ')
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;
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```
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上面示例中，结束循环后，变量`ch`等于第一个非空格字符。
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**（2）putchar()**
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`putchar()`函数将它的参数字符输出到屏幕，等同于使用`printf()`输出一个字符。它的原型定义在头文件`stdio.h`。
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```c
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putchar(ch);
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// 等同于
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printf("%c", ch);
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```
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操作成功时，`putchar()`返回输出的字符，否则返回常量 EOF。
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**（3）小结**
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由于`getchar()`和`putchar()`这两个函数的用法，要比`scanf()`和`printf()`更简单，而且通常是用宏来实现，所以要比`scanf()`和`printf()`更快。如果操作单个字符，建议优先使用这两个函数。
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## puts()
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`puts()`函数用于将参数字符串显示在屏幕（stdout）上，并且自动在字符串末尾添加换行符。它的原型定义在头文件`stdio.h`。
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```c
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puts("Here are some messages:");
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puts("Hello World");
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```
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上面示例中，`puts()`在屏幕上输出两行内容。
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写入成功时，`puts()`返回一个非负整数，否则返回常量 EOF。
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## gets()
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`gets()`函数以前用于从`stdin`读取整行输入，现在已经被废除了，仍然放在这里介绍一下。
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该函数读取用户的一行输入，不会跳过起始处的空白字符，直到遇到换行符为止。这个函数会丢弃换行符，将其余字符放入参数变量，并在这些字符的末尾添加一个空字符`\0`，使其成为一个字符串。
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它经常与`puts()`配合使用。
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```c
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char words[81];
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puts("Enter a string, please");
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gets(words);
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上面示例使用`puts()`在屏幕上输出提示，然后使用`gets()`获取用户的输入。
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由于`gets()`获取的字符串，可能超过字符数组变量的最大长度，有安全风险，建议不要使用，改为使用`fgets()`。
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