Ввод данных в языке Си. Функция scanf

В прошлой заметке мы научились выводить значения, хранящиеся в переменных, на экран. Основная задача текущего шага — научиться получать данные от пользователя и записывать их в переменные.

Продублируем последний листинг из прошлой заметки:

Листинг 1. Заготовка программ сложения двух чисел

#include <stdio.h>

int main(void)
{
        int a, b, res;

        a = 10;
        b = 7;

        res = a + b;
        printf("%d + %d = %d\n", a, b, res);

        return 0;
}

И хотя эта программа может вычислить сумму значений, хранящихся в переменных a и b, но ей явно не хватает интерактивности! Значения переменных a и b заданы в исходном коде программы (иногда в таких случаях говорят, что значения захардкожены). Если нам потребуется вычислить сумму двух других чисел, то надо будет изменить исходник программы, заново её скомпилировать и запустить.

Чтобы научить программу работать с данными, которые вводит пользователь, воспользуемся функцией scanf. Эта функция, так же как и функция printf, объявлена в заголовочном файле stdio.h. Т.к. он у нас уже подключен в первой строке, то мы можем свободно использовать функцию scanf в своей программе.

Чтобы считать данные, которые ввёл пользователь, и сохранить их в переменную, нужно вызвать функцию scanf со следующими параметрами:

Рис.1 Пример вызова функции scanf для считывания целого числа в переменную a

В двойных кавычках указываем спецификатор формата. Спецификатор формата должен соответствовать типу переменной, куда мы собираемся сохранить данные.

Основные спецификаторы формата:

• %d — целые числа типа int;
• %f — вещественное число типа float;
• %lf — вещественное число типа double (первый символ английская буква эль в нижнем регистре, сокращение от long float);
• %c — символ.

После формат-строки нужно указать адрес переменной, в которую мы будем сохранять данные. Звучит страшно, но на самом деле, зная имя переменной, получить её адрес достаточно легко. Для этого достаточно перед её именем записать знак & (амперсанд).

Если передать в функцию только имя переменной, а не её адрес, то функция scanf не сможет записать данные в переменную. Подробнее об этом читайте в дополнительных материалах к этому уроку.

Торжественный момент! Мы готовы написать программу для сложения двух целых чисел.

Листинг 2. Программа «sum2» — программа сложения двух целых чисел.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
        int a = 0, b = 0, res;

        scanf("%d", &a); // считываем целое значение в переменную a
        scanf("%d", &b); // считываем целое значение в переменную b

        res = a + b;
        printf("%d + %d = %d\n", a, b, res);
        
        return 0;
}

Скомпилируйте и запустите эту программу. После запуска программа будет ждать, пока вы введёте данные. Ввести данные можно различными способами, попробуйте, например, следующие варианты:

// символом \n обозначается нажатие клавиши Enter
// символом \t обозначается нажатие клавиши Tab
// пробелом обозначается нажатие клавиши Пробел

10 5\n
10 \t\t 5\n
    10       5\n
10\n5\n

Во всех четырёх случаях результат будет один и тот же. Программа корректно считает число 10 в переменную a, число 5 в переменную b, вычислит их сумму и выведет на экран:

10 + 5 = 15

Рис.2 Пример работы программы «sum2»

Пока не знаешь, как функция scanf обрабатывает данные из потока ввода, может показаться, что здесь происходит какая-то магия. Но, конечно, никакой магии тут нет.

Думаю, что вы уже догадались, что на самом деле, функция scanf — это функция форматного ввода (от английского scan formatted). Первый аргумент — это формат-строка, а далее следуют адреса переменных, в которые требуется записать данные в соответствии со спецификаторами формата.

Как работает функция scanf

Как вы уже догадались, функция scanf считывает данные из стандартного потока ввода (вы же ещё помните, что обычно он связан с клавиатурой) в соответствии с формат-строкой.

Формат-строка задаёт шаблон в соответствии с которым обрабатывается входной поток. Все символы, входящие в формат-строку, можно разделить на три группы:

• спецификаторы формата (начинаются с %);
• пробельные символы;
• все остальные символы.

Спецификаторы формата

Спецификаторы формата указывают функции scanf, данные какого типа нужно считать из стандартного потока ввода.

Разберём построчно работу двух функций scanf в примере из Листинга 2. Продублируем этот кусок кода отдельно:

Листинг 3. Считывание данные в программе «sum2»

scanf("%d", &a); // считываем целое значение в переменную a
scanf("%d", &b); // считываем целое значение в переменную b

Предположим, что, запустив программу, пользователь ввёл число 10, нажал клавишу Пробел, ввёл число 5 и нажал клавишу Enter. Так как о стандартных потоках можно думать просто как о последовательности символов, которые поступают в программу, то описанный пользовательский ввод можно представить в виде последовательности символов 10 5\n.

Формат-строка "%d" означает, что требуется считать целое число из стандартного потока ввода.

Разберём первый вызов scanf("%d", &a);. Функция scanf читает по одному символы из входного потока.

1. Видит 1 → "Это цифра, значит начинаем собирать число";
2. Видит 0 → "Это тоже цифра, добавляем к предыдущей" (получается 10);
3. Видит пробел → "Это не цифра, следовательно число закончилось";
4. Преобразует собранные цифры 10 в целое число и записывает в переменную a, после чего завершает работу.

При этом сам пробел и всё что идёт после него остаётся в потоке ввода для следующего чтения.

Разберём следующий вызов scanf("%d", &b). В потоке ввода осталась последовательность: 5\n.

Функция читает поток ввода посимвольно:

1. Видит пробел → "Это пробельный символ, он не может быть частью целого числа, поэтому пропускаем его";
2. Видит 5 → "Это цифра, начинаем собирать число";
3. Видит \n → "Это не цифра, значит число закончилось";
4. Преобразует собранную цифру 5 в целое число и записывает в переменную b, после чего завершает работу. При этом символ переноса строки \n остаётся в потоке ввода.

Интересный момент, функция scanf переходит в "режим собирания числа" не только встретив цифру, но и знаки + или -, а также спокойно обрабатывает числа с лидирующими нулями. Например, если мы запустим программу «sum2» и введём строку -123 +00077\n, то программа корректно "распознает" введённые числа. Проверьте это самостоятельно.

Рис.3 Результат работы программы «sum2» с числами -123 и +00077

Какие важные нюансы мы увидели в этом примере:

1. Режим собирания числа завершается, как только встречается первый символ, который не может быть составной частью числа.
2. Если мы не находимся в режиме собирания числа, то любые пробельные символы просто считываются и игнорируются. Пробельными символами являются, например, пробел, перенос строки (\n), горизонтальная табуляция (\t).

Теперь вы можете самостоятельно прогнать любой из четырёх вариантов ввода двух чисел, которые были указаны ранее, и убедиться, что он корректно обработается фукнцией scanf.

Кстати говоря, вместо двух вызовов функции scanf мы могли бы обойтись и одним вызовом:

Листинг 4. Версия программы «sum2» с одним вызовом scanf

#include <stdio.h>

int main(void)
{
        int a = 0, b = 0, res;

        scanf("%d%d", &a, &b); // считываем два целых числа в переменные a и b

        res = a + b;
        printf("%d + %d = %d\n", a, b, res);
        
        return 0;
}

Давайте пошагово разберём, как отработает вызов scanf из Листинга 4 на примере ввода 10 \t\t 5\n:

1. Видит 1 → "Это цифра, начинаем собирать первое число";
2. Видит 0 → "Это тоже цифра, добавляем к предыдущей" (получается 10);
3. Видит пробел → "Это не цифра, первое число закончилось";
4. Записывает число 10 в переменную a;
5. Видит пробел → "Это пробельный символ, пропускаем его, т.к. мы не в режиме собирания числа";
6. Видит \t → "Это пробельный символ, пропускаем его, т.к. мы не в режиме собирания числа";
7. Видит \t → "Это пробельный символ, пропускаем его, т.к. мы не в режиме собирания числа";
8. Видит пробел → "Это пробельный символ, пропускаем его, т.к. мы не в режиме собирания числа";
9. Видит 5 → "Это цифра, начинаем собирать второе число";
10. Видит \n → "Это не цифра, второе число закончилось";
11. Записывает число 5 в переменную b.

Как видите, результат получился аналогичным. Если не верите, можете запустить программу и убедиться в этом самостоятельно.

Считывание чисел по форматам %f и %lf работает аналогично считыванию по формату %d. Имеется лишь один небольшой нюанс:

Например, следующий вызов функции scanf:

float real_number;

scanf("%f", &real_number);

• для ввода 3.1415\n сохранит в переменную real_number значение 3.1415;
• для ввода -2.7182\n сохранит в переменную real_number значение -2.7182;
• для ввода .001\n сохранит в переменную real_number значение 0.001;
• для ввода 000123.456\n сохранит в переменную real_number значение 123.456;
• для ввода +6.4321\n сохранит в переменную real_number значение 6.4321;

Отдельно остановимся на работе спецификатора %c. Он используется для считывания одного любого символа (в том числе и любого пробельного символа) из потока ввода.

Рассмотрим следующий пример:

Листинг 5. Программа для считывания одного произвольного символа

#include <stdio.h>

int main(void)
{
        char symbol;
        
        scanf("%c", &symbol);

        printf("|%c|\n", symbol);
         
        return 0;
}

Скомпилируем эту программу, а потом запустим её пять раз. В первый раз отправим во входной поток 3\n, во второй — C\n, в третий — Language\n, в чётвёртый — \t\n, а в пятый раз — \n.

Для наглядности я добавил в вывод символы |. Результат работы программы для всех пяти случаев представлен на следующем рисунке:

Рис.4 Запуск программы Листинг 5 на различных входных данных

А как же быть, если мы всё-таки хотим проигнорировать пробельные символы при считывании по формату %c? Для этого в формат-строку перед спецификатором %с нужно добавить пробел, т.е. заменить "%с" на " %c".

Чтобы понять, почему это сработает, давайте изучим, как обрабатываются

Пробельные символы в формат-строке

Если в формат-строке функции scanf встречается любой пробельный символ, то это означает, что на его месте в потоке ввода может быть произвольное количество (даже нулевое) любых пробельных символов. Иначе говоря, один пробельный символ в формат-строке может соответствовать любому количеству пробелов, табуляций и переводов строки в потоке ввода.

Формат-строку "%d%d" из Листинга 4 можно было бы записать вот так "%d %d" или вот так " %d\t%d" и даже вот так "\t\t\n %d \t\n\t %d". Результат работы функции scanf от этого никак не изменится.

Давайте прогоним вход 10 5\n через вызов scanf(" %d\t%d", &a, &b);:

1. Видит пробел в формат-строке → "Нужно пропустить любое количество пробельных символов. Т.к. пробельных символов в потоке ввода нет, то считаем, что встретилось нуль пробельных символов."
2. Видит 1 → "Это цифра, начинаем собирать первое число"
3. Видит 0 → "Это тоже цифра, добавляем к предыдущей" (получается 10)
4. Видит пробел → "Это не цифра, первое число закончилось"
5. Записывает число 10 в переменную a
6. Видит символ \t в формат-строке → "Это пробельный символ, значит нужно пропустить любое количество пробельных символов. Т.к. далее в потоке ввода идёт пробел, то он пропускается."
7. Видит 5 → "Это цифра, начинаем собирать второе число"
8. Видит \n → "Это не цифра, второе число закончилось"
9. Записывает число 5 в переменную b

Как видите, результат точно такой же, как и при использовании формат-строки "%d%d". Пробельные символы в формат-строке просто явно говорят функции "пропусти любое количество пробельных символов", поэтому не важно, сколько их там стоит и какие именно это пробельные символы.

Подытожим:

И хотя можно добавлять сколько угодно пробельных символов в формат строку, всё же в программах следует избегать лишних пробельных символов в формат-строке. Например, заменить "%d%d" на "%d %d" — нормально, так как это улучшает читаемость строки формата, но писать что-то вроде "\t\n%d\t\t%d" не стоит.

Другие символы в формат-строке

Если в формат-строке функции scanf встречается какой-то другой символ (не спецификатор формата и не пробельный символ), то это означает, что в потоке ввода на этом месте должен присутствовать точно такой же символ.

Например, формат-строка вида "%d,%d" означает, что во входном потоке должны быть записаны два целых числа, причём сразу за первым числом должна стоять запятая.

Разберём вызов scanf("%d,%d", &a, &b); на различных входных данных.

Входной поток: 10, 5\n:

1. Видит 1 → "Это цифра, начинаем собирать первое число";
2. Видит 0 → "Это тоже цифра, добавляем к предыдущей" (получается 10);
3. Видит запятую → "Это не цифра, первое число закончилось";
4. Записывает число 10 в переменную a;
5. В формат-строке запятая → "Нужно найти точно такой же символ во входном потоке";
6. Видит запятую во входном потоке → "Отлично, символы совпали, идём дальше";
7. Видит пробел → "Это пробельный символ, пропускаем его";
8. Видит 5 → "Это цифра, начинаем собирать второе число";
9. Видит \n → "Это не цифра, второе число закончилось";
10. Записывает число 5 в переменную b.

А теперь разберём входной поток 10 5\n:

1. Видит 1 → "Это цифра, начинаем собирать первое число";
2. Видит 0 → "Это тоже цифра, добавляем к предыдущей" (получается 10);
3. Видит пробел → "Это не цифра, первое число закончилось";
4. Записывает число 10 в переменную a;
5. В формат-строке запятая → "Нужно найти точно такой же символ во входном потоке";
6. Видит пробел → "Это не запятая! Ошибка чтения!";
7. Функция прекращает работу, не дойдя до чтения второго числа. В потоке ввода остаётся 5\n.

Как видите, если в формат-строке есть непробельный символ (в данном случае запятая), то во входном потоке обязательно должен быть точно такой же символ на этом месте. Иначе функция завершит работу не дочитав оставшиеся данные.

Давайте проверим наши теоретические рассуждения и убедимся на практике, что нарушение формата входных данных приведёт к проблемам.

Листинг 6. Версия программы «sum2» с формат-строкой "%d,%d"

#include <stdio.h>

int main(void)
{
        int a = 0, b = 0, res;

        scanf("%d,%d", &a, &b);

        res = a + b;
        printf("%d + %d = %d\n", a, b, res);
        
        return 0;
}

Результат работы этой программы представлен на картинке ниже:

Рис.5 Результат несоответствия входных данных формат-строке

Как видите, при входном потоке 10 5\n значение в переменную b не было записано. Из-за чего итоговая сумма получилась неправильной (10 вместо 15).

Раз уж мы затронули тему ошибок, возникающих при работе с функцией scanf, то сразу оговорим основные правила работы с этой функцией.

Посмотрим на проблемы, к которым может привести нарушение этих правил

Листинг 7.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
        double real;

        scanf("%f", &real); // частая ошибка
        // %f подходит для переменных типа float
        // переменная real имеет тип double
 
        printf("%f\n", real);
        
        return 0;
}

Результат работы программы Листинг 7:

Рис.6 Ошибка! Несоответствие используемого спецификатора и типа переменной

Листинг 8.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
        int a = 0, b = 0, c = 0;

        scanf("%d %d", &a, &b, &c); // количество спецификаторов
        // не совпадает с количеством переменных
 
        printf("%d\n", a + b + c);
        
        return 0;
}

Результат работы программы Листинг 8.

Рис.7 Ошибка! Несоответствие количества спецификаторов количеству переменных

Особое коварство подобных ошибок заключается в том, что функция scanf не прерывает выполнение программы. И если о потенциальных проблемах в Листингах 7 и 8 нас предупредит компилятор, то проблему из Листинга 6 он отловить не в силах, т.к. она происходит непосредственно во время выполнения программы.

Значение, возвращаемое функцией scanf

Функция scanf возвращает целое число — количество переменных, в которые функция scanf успешно записала значения из входного потока. Давайте посмотрим на это значение.

Немного модифицируем программу из Листинга 6. Добавим в неё переменную для хранения возвращаемого значения функции scanf.

Листинг 9. Демонстрация значения, возвращаемого функцией scanf

#include <stdio.h>

int main(void)
{
        int a = 0, b = 0, values_read, res;

        // значение, возвращаемое функцией scanf,
        // присваиваем переменной values_read
        values_read = scanf("%d,%d", &a, &b); 

        // выводим количество успешно записанных переменных на экран
        printf("Number of values read: %d\n", values_read);

        res = a + b;
        printf("%d + %d = %d\n", a, b, res); 
        
        return 0;
}

Запустим эту программу на входных данных:

• соответствующих формат-строке 10, 5\n;
• не соответствующих формат-строке 10 5\n.

В первом случае в переменной value_read будет записано значение 2, т.к. функция scanf успешно считает оба значения и запишет их в соответствующие переменные. Во втором случае в переменной value_read будет хранится значение 1, т.к. из-за несоответствия входных данных формат-строке функция scanf не сможет прочитать второе значение и в результате своей работы присвоит значение лишь одной переменной a.

Далее в курсе (в шестом уроке), вы изучите особые конструкции языка Си, которые позволят вам в зависимости от того, сколько данных было считано, изменять поведение программы, например, выводить ошибку, если не получилось сохранить введённые данные.

Мы разобрали лишь самые базовые возможности функции scanf. Но даже так понятно, что формат-строка функции scanf устроена посложнее, чем формат-строка функции printf. На данном этапе вам будет достаточно этих знаний, а когда появится необходимость использовать что-то большее, вы сможете подтянуть этот материал самостоятельно по справочным руководствам.

Практика

• Решите задачи с автоматической проверкой решения на Stepik

• Попробуйте удалить в программе «sum2» (Листинг 2) символ & в каком-нибудь из вызовов функции scanf. Посмотрите как отреагирует на это ваш компилятор.

• Самостоятельно прогоните через вызов scanf("%d%d", &a, &b); следующие варианты входных потоков 10 5\n, 10\n5\n. Опишите пошагово, как функция scanf будет пошагово их обрабатывать. Ваши ответы можете скидывать на проверку в комментарии к этому уроку.

Исследовательские задачи для хакеров

• Замените в программе Листинг 4 формат-строку на "%d %d ". Используя знания о том, как обрабатывается формат-строка, разберитесь, как прервать выполнение функции scanf. Когда разберётесь, напишите об этом в комментариях к этому уроку.

• Запустите программу Листниг 7. Совпадает ли ваш результат с тем, что получилось у меня? Напишите об этом в комментариях к уроку, указав используемую вами IDE и/или компилятор.

• Попробуйте использовать спецификатор %f для типа double, а спецификатор %lf для типа float. Каковы результаты? Напишите об этом в комментариях к этому уроку. Не забудьте указать название вашей IDE или компилятора.

• У спецификаторов формата в функции scanf тоже есть модификаторы формата, например * и ширина поля ввода (например, %2d). Разберитесь самостоятельно как они работают.

Дополнительные материалы

1. Представьте: вы написали программу «sum2». Вы знаете, как она работает, потому что сами её создали. Но когда программу запустит другой человек, он увидит просто пустой экран и мигающий курсор. Что делать дальше? Что вводить?

Одним из вариантов решения этой проблемы — подсказать пользователю, что от него требуется. Давайте посмотрим на пример:

Следующая программа считает количество калорий, расходуемое на базовый обмен веществ по формуле Миффлина-Сан Жеора. Для расчета нужны: возраст, рост и вес.

Листинг 10. Программа рассчёта базового обмена веществ (BMR, basal metabolic rate)

#include <stdio.h>

int main(void)
{
        int age, height, weight;
        double bmr_male, bmr_female;

        printf("Enter your age (in years, integer number):\n");
        scanf("%d", &age); // считываем целое значение в переменную age

        printf("Enter your height (in centimeters, integer number):\n");
        scanf("%d", &height); // считываем  значение в переменную height

        printf("Enter your weight (in kilograms, integer number):\n");
        scanf("%d", &weight); // считываем значение в переменную weight

        bmr_male = 10*weight + 6.25*height - 5*age + 5;
        bmr_female = 10*weight + 6.25*height - 5*age - 161;

        printf("|       BMR       |\n");
        printf("|  male  | female |\n");
        printf("|%8.2f|%8.2f|\n", bmr_male, bmr_female);

        return 0;
}

2. В уроке сказано, что при передаче переменных в функцию scanf необходимо перед именем переменной добавлять значок &. Но почему? Зачем это нужно? Всё дело в том, как в языке Си устроена передача аргументов в функцию.

Когда вы передаете переменную в функцию, происходит следующее:

1. В памяти компьютера для этой переменной выделяется новое место;
2. Значение переменной копируется в это место;
3. Функция работает только с этой копией.

Это называется передача по значению (pass by value).

Вернёмся к нашей любимой аналогии с коробками. Представьте, что у вас есть коробка с важным числом (переменная). Когда вы вызываете функцию, вы не отдаете ей свою коробку, а делаете временную копию и отдаете её. Что бы функция ни делала с этой копией, ваша оригинальная коробка в безопасности.

Но функция scanf — это особый случай. Эта функция должна записать новое значение в вашу переменную. Копия тут не прокатит — нужен доступ к оригиналу. Поэтому мы используем &. В этом случае функция получает не какую-то там жалкую копию, а информацию о том, где в памяти находится наша переменная, а потому может записать в неё введенное пользователем значение.

Логика в этом примерно следующая. Мы относимся к любым функциям как к потенциально опасным объектам, которые могут повредить данные. Поэтому по умолчанию функции получают только копии данных — это защищает от случайных изменений. А чтобы позволить функции работать с оригинальными данными, мы должны совершить сознательное действие — передать адрес переменной.

Мы ещё подробнее обсудим этот механизм, когда будем изучать, как можно создавать собственные функции.

3. У функции printf есть специальный спецификатор %p, который используется, чтобы вывести адрес на экран.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
        int x = 10;

        printf("value x:\t %d\n", x);  // выводим значение переменной
        printf("address:\t %p\n", &x); // выводим адрес переменной в памяти
 
        return 0;
}

Более того, для хранения адреса можно использовать специальный тип переменных, который называется указателями. Ближе к концу курса мы познакомимся поближе с этим понятием.

4. В некоторых случаях функция scanf может вернуть отрицательное число (обычно -1). Это происходит в случаях, когда произошла ошибка чтения потока (например, в потоке не оказалось данных) или был достигнут конец файла (например, если поток был связан с каким-то текстовым файлом).

5. В разделе про стандартные потоки ввода и вывода было сказано, что фактически программа не работает напрямую ни с клавиатурой, ни с экраном консоли, а взаимодействует лишь с потоками ввода и вывода. В видео ниже это наглядно демонстрируется на примере программы «sum2», написанной в этом уроке:

Зеркало на RuTube, на VK.Видео