面试题：C语言printf()和scanf()的底层原理及优化

Question

深入分析printf()和scanf()的底层实现机制，包括它们如何解析格式控制字符串、如何与标准输入输出流交互。假设在一个资源受限的嵌入式系统中使用这两个函数，描述可能会遇到的性能瓶颈，并提出至少两种优化方案，同时阐述优化方案对代码可移植性的影响。

Answer 1

printf()底层实现机制

1. 格式控制字符串解析：
   • printf从格式控制字符串的开头开始扫描。遇到普通字符时，直接将其输出到标准输出流。例如，printf("Hello "); 中的“Hello ”会直接输出。
   • 遇到格式说明符（以%开头）时，printf会根据说明符的类型（如%d、%f等），从参数列表中取出相应类型的参数，并进行格式化处理。例如，printf("%d", 10);会从参数列表中取出整数10，并将其格式化为十进制字符串输出。
   • 解析过程中，还会处理格式说明符的修饰符，如宽度、精度等。例如，printf("%5.2f", 3.14159);中，“5”表示宽度，“2”表示精度，会将3.14159格式化为宽度为5，精度为2的浮点数字符串“ 3.14”输出。
2. 与标准输出流交互：
   • printf最终将格式化后的字符串输出到标准输出流（通常是终端显示器）。在标准C库实现中，它会调用系统相关的底层I/O函数，如在Unix - like系统中，可能会调用write函数将数据写入文件描述符stdout（通常为1）所对应的设备。

scanf()底层实现机制

1. 格式控制字符串解析：
   • scanf同样从格式控制字符串开头扫描。遇到普通字符时，它会尝试从输入流中匹配相同的字符。如果匹配失败，scanf会立即返回。例如，scanf("Hello ");会尝试从输入流中读取“Hello ”，若不匹配则返回。
   • 遇到格式说明符（以%开头）时，scanf根据说明符类型（如%d、%f等）从输入流中读取相应类型的数据，并存储到提供的变量地址中。例如，scanf("%d", &num);会从输入流中读取一个整数，并存储到变量num的地址中。
   • 解析过程中也会处理格式说明符的修饰符，如宽度等。例如，scanf("%3d", &num);会读取最多3个数字字符作为整数。
2. 与标准输入流交互：
   • scanf从标准输入流（通常是键盘输入）读取数据。在标准C库实现中，会调用系统相关的底层I/O函数，如在Unix - like系统中，可能会调用read函数从文件描述符stdin（通常为0）所对应的设备读取数据。

在资源受限嵌入式系统中的性能瓶颈

1. 内存消耗：
   • printf和scanf在处理复杂格式说明符和大量数据时，可能需要较多的临时内存来存储格式化后的字符串或解析过程中的中间数据。例如，printf格式化长浮点数时可能需要额外内存进行精度处理，scanf处理复杂格式输入时可能需要缓冲区来存储部分读取的数据。
2. 处理时间：
   • 格式控制字符串的解析是一个复杂的过程，特别是对于printf中多种修饰符组合的情况。每次解析都需要进行字符匹配、类型判断等操作，在资源受限系统中，这会消耗较多的CPU时间。
   • scanf在等待输入时可能会阻塞，尤其是在实时性要求较高的嵌入式系统中，如果输入不及时，会影响系统的整体性能。

优化方案

1. 定制化格式处理：
   • 方案：针对嵌入式系统中特定的格式需求，编写简化的格式化函数。例如，如果系统只需要输出固定格式的整数，可以编写一个专门的my_printf_int函数，避免printf中复杂格式解析的开销。对于scanf，如果只需要读取特定格式的输入，如固定格式的日期，可以编写my_scanf_date函数，减少通用scanf的复杂解析。
   • 对可移植性影响：定制化函数可能降低代码的可移植性，因为它们是针对特定需求编写的，在其他系统或不同需求场景下可能无法直接复用。但如果在编写时遵循一定的接口规范，如函数参数和返回值设计合理，可在一定程度上提高可移植性。
2. 减少I/O操作：
   • 方案：对于printf，可以采用缓存机制，先将格式化后的数据缓存起来，达到一定数量或满足特定条件（如缓存满或定时）时，再一次性输出到标准输出流。对于scanf，可以提前读取一定量的数据到本地缓冲区，减少与标准输入流的频繁交互。
   • 对可移植性影响：缓存机制本身具有一定的可移植性，但具体实现细节可能依赖于目标系统的内存管理和I/O特性。例如，缓存大小的选择可能需要根据不同系统的内存资源进行调整，这会对可移植性有一定影响。如果在实现中遵循标准C库的一些通用原则，如使用标准的内存分配函数等，可以尽量减少对可移植性的损害。