[C++知识库]最最最详细的C语言教程笔记零起步（4）小白必备 同笔者一起学习

九. printf 函数

1. printf函数使用公式

printf(“XXX占位1 XXX占位2 XXX占位3”，替换1，替换2，替换3)；

示例代码：

#include <stdio.h> 

 int main() 
 {     
     int a = 1;     
     float b = 2.345;     
     char c = 'a';     
     printf("整型a为%d 浮点b为%f 字符c为%c 字符c对应的ASCII码为%d", a, b, c, c);     

     return 0; 
  }

printf 的用法：

1. printf 是一个变参函数。(参数的数量和类型不确定)
2. printf 的第一个参数是字符串。
3. printf 的第一个参数是需要输出的字符以及需要被替换的占位符。
4. printf 的第二及后续参数将依次替换占位符。
5. 占位符的类型和数量需要与后续的参数类型和数量对应。

1.1 printf是一个变参函数

它的参数个数是不确定的，同时参数类型也是不确定的。

printf("%d", 1);                    //  两个参数 
printf("%d %f", 1, 2.3);            //  三个参数 
printf("%d %f %c", 1, 2.3, 'H');    //  四个参数

1.2 第一个参数必须字符串

printf("整型a为%d 浮点b为%f 符号c为%c 字符c对应的ASCLL码为%d", a，b,c,d,c);

1.3 第一个参数包含需要输出的字符以及需要被替换的占位符

printf("整型a为%d 浮点b为%f 符号c为%c 字符c对应的ASCLL码为%d", a，b,c,d,c);

这个字符串包含了需要输出的字符，以及需要被替换的占位符。

1.4 第二及后续参数将依次替换占位符

printf("整型a为%d 浮点b为%f 符号c为%c 字符c对应的ASCLL码为%d", a，b,c,d,c);

1.5 占位符的类型和数量需要与后续的参数类型和数量对应

printf("整型a为%d 浮点b为%f 符号c为%c 字符c对应的ASCLL码为%d", a，b,c,d,c);

%d 整型int的占位
%f 浮点double的占位
%c 字符char的占位

2. 整型类型的占位符

在前面的 printf 函数的使用当中， %d 作为整型 int 类型的占位符。对于其他的整型类型， 它们的占位符分别都是什么呢？

printf 是一个可变参数函数，在C语言中将参数传入函数的可变参数中，变量会发生自动类型提升。

2.1 有符号整型的类型提升

对于有符号位的整型 char ， short ，传入 printf 的可变参数时，会被提升为 int 。而比 int 更高级的 整型则不发生变化。

所以，在处理 char ， short ， int 时，均可使用 %d 来占位。

而在Visual Studio 2019中 int 与 long 的范围一致，按理来说也可以使用 %d 来占位。 但是为了程序的可移植性，在切换到别的平台下时， int 和 long 有可能不一致。 所以，请使用 %ld 来为 long 占位。更高级的 long long 则需要使用 %lld 来占位。

结论：
char，shor，int使用 %d
long使用 %ld
long long使用 %lld

2.2 无符号整型的类型提升

对于无符号整型，需要将 d 替换成 u 表明最高位不被看做符号位，而是数值位。
忘了符号位和数值位点这里（ 3. 三位二进制表示的数值范围 ）

结论：
unsigned char
unsigned short
unsigned int使用 %u
unsigned long使用 %lu
unsigned long long使用 %llu

2.3 浮点类型的类型提升

float 会被提升为 double ， double 不发生变化。

结论： float，double均使用 %f 。

3. 转换规范

为了易于理解，前面称以 % 开始的一串字符 为 占位符 。这是一个为了让大家理解的说法，其实这个说法并不准确。

更准确地说，它们应该被称为转换规范。

3.1 转换规范总览

转换规范以%百分号开始，依次具有下面这些元素：

1. 零个或多个标志字符(-,+,0,#)。
2. 一个可选的十进制整数常量表示的最小字段宽度。
3. 一个可选的用点号表示的精度范围，它的后面可以跟一个十进制整数。
4. 一个可选的长度指示符，可以用下列字母组合之一来表示：h、hh、l、LL，z。
5. 由单个字符表示的转换操作，取自下面这个集合:c、d、e、E、f、i、o、s、u、x、X。
   在这里插入图片描述

3.2 转换操作

转换操作由单个字符表示，取自下面这个集合: c、d、e、E、f、i、o、s、u、x、X 。 printf可以根据 转换操作 使用不同的 转换方式 ，取 n字节的二进制数据 并转换成字符。

4. 长度指示符

#include <stdio.h>
 int main() 
{    
     long l = 2147483647;    
     long long ll = 9223372036854775807;    
     printf("%d\n", l);    
     printf("%d\n", ll);    
     
     return 0; 
}

sizeof(long long)却比sizeof(int)长得多，所以变量 ll 被错误输出

要正常输出long long数据类型，我们必须加宽转换操作获取的二进制数据长度。也就是我们即将讨论的 长度指示符。

#include <stdio.h>
 int main() 
{    
     long long ll = 9223372036854775807;    
     unsigned long long ull = 0xFFFFFFFFFFFFFFFF;    
     printf("%lld\n", ll);   //  ll将d获取的二进制数据长度加长到sizeof(long long)    
     printf("%llX\n", ull);  //  ll将X获取的二进制数据长度加长到sizeof(unsigned long long)    
     
     return 0; 
}

#include <stdio.h>
 int main() 
 {   
     unsigned int un = 0x12345678;    
     printf("%hX\n", un);   //  h将X获取的二进制数据长度加缩短sizeof(unsigned short)    
     printf("%hhX\n", un);  //  hh将X获取的二进制数据长度缩短到sizeof(unsigned char)    
     
     return 0; 
 }

5. 精度

转换操作可以制定一个可选的精度范围，用一个点号以及它后面一个可选的十进制正数表示。 精度范围用于控制：

1. d、i、o、u、x、X所打印的最小数字位数，不足将补齐。
2. e，E，和 f 转换中小数点右边的数字位数。

#include <stdio.h> 
 int main() 
{    
     int un = 123;    
     double df = 123.456789;
    
     printf("%.6d\n", un);   //  限制为6个最小数字位数，所以前面添加了0，补到6个数字。
     printf("%f\n", df);     //  不限制小数点后的数字个数    
     printf("%.0f\n", df);   //  小数点后的数字个数限制为0，小数点后无数字。    
     printf("%.4f\n", df);   //  小数点后的数字个数限制为限制为4，小数点后跟了4个数字。    
     
     return 0; 
 }

精度作用于转换操作d时，限制输出的最小数字位数，123仅有3位，因此补0到6位。 精度用于转换操作f时，限制小数点右边的数字位数。 123.456789，当使用.0精度时，小数点后不输出数字。 使用.4精度时，小数点后输出4个数字。

6. 最小字段宽度

最小字

#include <stdio.h> 
 int main() 
{    
     int un = 1234;    
     double df = 123.456789;
   
     printf("%2d\n", un);    //  最小要求2位，有4位，不做处理。    
     printf("%6d\n", un);    //  只有4位，补齐到6位。    
     printf("%12f\n", df);   //  只有10位，补齐到12位。    
     
     return 0; 
}

7. 标志

标志 0 使用0而不是空格作为填充字符
当我们使用了最小字段宽度时，如果字符不足最小宽度，那么将会用空格补齐到最小宽度。如果指定 了 0 作为标志，则会用字符0，来补齐到最小宽度。

#include <stdio.h> 
 int main() 
{    
     int n = 1234;
     printf("%6d\n", n);    //  只有4位，使用空格，补齐到6位。    
     printf("%06d\n", n);    //  只有4位，使用字符0，补齐到6位。    
     
     return 0;
}

标志 - 打印的字符左对齐

#include <stdio.h> 
 int main() 
{    
     int n = 1234;
     printf("%-6d\n", n);    
     printf("%-06d\n", n);    
     
     return 0; 
}

标志 + 总是产生符号，+ (正数) 或 - (负数)

#include <stdio.h> 
 int main() 
{    int n = 1234;
     printf("%+6d\n", n);   
     printf("%+06d\n", n);    

     return 0; 
}

标志 # 八进制前加0，十六进制前加0x。

 #include <stdio.h> 
  int main() 
 {    
     int n = 1234;
     printf("%o\n", n);   
     printf("%X\n", n);
     printf("%#o\n", n);   
     printf("%#X\n", n);    

     return 0; 
 }

十. printf 函数深入讨论

1. printf 将二进制转换成字符串

printf函数从参数中获取二进制数据，并将它根据转换规范转换成字符串，并打印在控制台上。 运行以下代码，并根据其结果，分析其中原理，从而理解为什么将 以% 开始的一串字符称作转换规范？

#include <stdio.h> 
 int main() 
{     
    int aNum = 2147483647;     
    unsigned int aBiggerNum = 4294967295;     
    printf("%d %u\n", aNum, aNum);     
    printf("%d %u\n", aBiggerNum, aBiggerNum);     

    return 0; 
}

在上面的代码中，整型 int 变量 aNum ，数值为 2147483647 ，使用 %d 或 %u 均能输出正确的结果。
但是无符号整型 unsigned int ，数值为 4294967295 ，使用 %d 无法正确输出结果， %u 却可以正确输出结果。

下面通过它们的二进制表示来分析问题出现的原因，在这之前先回忆一个知识点。
整型在计算机中的存储为补码表示法。设一个十进制数为 n ，模为 mod 。若 n 为正数， n 的补码为 n 的二进制。若 n 为负数，设 dec = mod - |n| ， n 的补码为 dec 的二进制。

1.1 aNum进入printf 后的转换情况

在aNum进入printf函数后，由于aNum的类型为int，所以类型并不会发生转换，仍然为4个字节。

当我们 使用 %u 来做转换规范时，printf会获取4字节的数据，并认为其为无符号整数。 它没有符号位， 因此肯定为一个正数的补码。可以直接将它转换为十进制，转换结果为字符串"2147483647"。

当我们 使用 %d 来做转换规范时，printf会获取4字节的数据，并认为其为有符号整数。 最高位看做符号位，其余为数据位。而在这个二进制中最高位为0，因此它是一个正数的补码，可以直接将它转换为十 进制，转换结果为字符串"2147483647"。

在这种情况下，使用 %u 或 %d 均可以得到正确的转换结果。

由于， 以%开始的一串字符 指示printf函数如何转换二进制数据，所以将其称为转换规则更为准确。

图片来源：你好编程

1.2 aBiggerNum进入printf后的转换情况

图片来源：你好编程

在aBiggerNum进入printf函数后，由于aBiggerNum的类型为unsigned int，所以类型并不会发生转换， 仍然为4个字节。

当我们使用 %u 来做转换规范时，printf会获取4字节的数据，并认为其为无符号整数。 它没有符号位， 因此肯定为一个正数的补码。可以直接将它转换为十进制，转换结果为4294967295。
当我们使用 %d 来做转换规范时，printf会获取4字节的数据，并认为其为有符号整数。 最高位看做符号位，其余为数据位。

而在这个二进制中最高位为1，因此它是某一个负数的补码，我们设这个负数为n。

回忆一下补码的计算规则：若 n 为负数，设 dec = mod - |n| ， n 的补码为 dec 的二进制。

n 的补码为 11111111 11111111 11111111 11111111 ，则dec为4294967295。
四个字节的二进制可以表示2的32次方个数值，模mod为2的32次方4294967296。
mod - |n| = dec，则4294967296 - |n| = 4294967295。n为-1。

1.3 请使用对应的转换规范

2. printf 取用参数的问题

2.1 长度造成的转换规范与参数不匹配

#include <stdio.h>
 int main() 
{    unsigned long l = 4294967295;     
     unsigned long long ll = 18446744073709551615;     
     printf("%u\n", l);     
     printf("%u %u\n", ll);     

     return 0; 
}

在第一个printf函数中，变量 l 被正确打印了。 而在第二个printf函数中，第一个 %u 获取并打印了 ll 的4个字节，第二个 %u 获取并打印了ll的另外4个字节。

unsigned long 和 unsigned long long 均为比 unsigned int 高级的类型，因此它们进入printf函数的时候仍然保持有类型。但是转换规范 %u 或 %d ，它们仅仅取了int或unsigned int类型的大小，也就是4个 字节进行转换。

2.2 长度指示符增加或缩短数据长度

#include <stdio.h> 
 int main() 
{    unsigned long l = 4294967295;     
     unsigned long long ll = 18446744073709551615;     
     printf("%u\n", l);     
     printf("%lu\n", l);     
     printf("%llu\n", ll);     

     return 0; }

与上面的相反，长度指示符 h hh ,可以缩短转换数据字节长度。

#include <stdio.h>
 int main()
{    unsigned long long ll = 18446744073709551615;     
     printf("%hhu\n", ll);   //  缩短到char所占的一个字节     
     printf("%hu\n", ll);    //  缩短到short所占的两个字节     
     printf("%u\n", ll);     //  默认int的四个字节     
     printf("%lu\n", ll);    //  增长到long的四个字节     
     printf("%llu\n", ll);   //  增长到long long的八个字节     

     return 0; 
}

2.3 缩短时先获取再丢弃

值得注意的是，长度指示符 h hh 是通过先获取原有长度的数据，再丢弃一部分数据。从而达到缩短转换数据长度的。

#include <stdio.h>
 int main() 
{     unsigned int n1 = 4294967295; 
      unsigned int n2 = 1234567890;     
      printf("%hu %u", n1, n2);     

      return 0; 
}

图片来源：你好编程

第一个 %hu ，根据 u 获得了n1的4个字节，而 h 导致其丢弃了已经获取的2字节。第二个 %u 正常获得了 n2的4个字节。

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