getchar()和stdin

Question

一个相关的问题是here，但我的问题不同。

但是，我想更多地了解getchar()和stdin的内部结构。我知道getchar()最终会调用fgetc(stdin)。

我的问题是关于缓冲、stdin和getchar()行为。给出一个经典的K&R示例：

#include <stdio.h>

main()
{
    int c;

    c = getchar();
    while (c != EOF) {
        putchar(c);
        c = getchar();
    }
}

在我看来，getchar()的行为可以描述如下：

如果stdin缓冲区中没有任何内容，则让操作系统接受用户输入，直到按enter键。然后返回缓冲区中的第一个字符。

假设程序正在运行，用户输入“anchovies”。

因此，在上面的代码清单中，第一次调用getchar()等待用户输入，并将缓冲区中的第一个字符分配给变量c。在循环中，第一次迭代调用getchar()时会说：“嘿，缓冲区中有东西，返回缓冲区中的下一个字符。”但是while循环的第N次迭代导致getchar()说：“嘿，缓冲区中什么都没有，所以让stdin收集用户输入的内容。

我花了一点时间在c源代码上，但看起来这更像是stdin的行为工件，而不是fgetc()。

我说错了吗？谢谢你的洞察。

Answer 1

我知道getchar()最终会调用fgetc(stdin)。

不一定。getchar和getc也可以扩展到从文件中读取数据的实际过程，fgetc实现为

int fgetc(FILE *fp)
{
    return getc(fp);
}

嘿，缓冲区里什么都没有，所以让

收集用户输入的内容。..。看起来这更像是stdin的行为工件，而不是fgetc()。

我只能告诉你我所知道的，这就是Unix/Linux的工作原理。在该平台上，FILE (包括stdin所指向的东西)保存一个文件描述符(一个int)，该文件描述符被传递给操作系统，以指示FILE从哪个输入源获取数据，外加一个缓冲区和一些其他记账内容。

"gather“部分的意思是”调用文件描述符上的read系统调用，再次填充缓冲区“。不过，这在不同的C实现中是不同的。

Answer 2

您所观察到的行为与C和getchar()无关，而是与OS内核中的电传(TTY)子系统有关。

为此，您需要了解进程如何从您的键盘获取输入，以及如何将它们的输出写入您的终端窗口(我假设您使用UNIX，下面的解释特别适用于UNIX，即Linux、macOS等)：

​

​

上图中标题为“终端”的框是您的终端窗口，例如xterm、iTerm或Terminal.app。在旧时代，由键盘和屏幕组成的分开的硬件设备的终端，它们通过串行线(RS-232)连接到(可能是远程的)计算机。在终端键盘上键入的每个字符都通过这条线路发送到计算机，并由连接到终端的应用程序使用。应用程序作为输出产生的每个字符都通过同一行发送到终端，终端将其显示在屏幕上。

现在，终端不再是硬件设备，而是移动到计算机内部，成为被称为终端仿真器的进程。xterm、iTerm2、Terminal.app等都是终端仿真器。

然而，应用程序和终端仿真器之间的通信机制与硬件终端保持相同的。终端模拟器模拟硬件终端。这意味着，从应用程序的角度来看，今天与终端仿真器(例如iTerm2)对话的功能与1979年与真实终端(例如DEC VT100)对话的功能相同。此机制保持不变，以便为硬件终端开发的应用程序仍可与软件终端仿真器一起工作。

那么这种通信机制是如何工作的呢？UNIX在内核中有一个名为teletype的子系统(TTY代表teletype，这是计算机终端的最早形式，甚至没有屏幕，只有键盘和打印机)。您可以将TTY看作是终端的通用驱动程序。TTY从终端所连接的端口读取字节(来自终端的键盘)，并将字节写入该端口(发送到终端的显示器)。

连接到计算机的每个终端(或计算机上运行的每个终端模拟器进程)都有一个TTY实例。因此，TTY实例也被称为TTY device (从应用程序的角度来看，与TTY实例对话就像与终端设备对话)。在使驱动程序接口作为文件可用的UNIX方式中，这些TTY设备以某种形式呈现为/dev/tty*，例如，在macOS上，它们是/dev/ttys001、/dev/ttys002等。

应用程序可以将其标准流(stdin、stdout、stderr)定向到TTY设备(实际上，这是默认设置，您可以使用tty命令找出您的shell连接到哪个TTY设备)。这意味着用户在键盘上键入的内容将成为应用程序的标准输入，而应用程序写入其标准输出的内容将被发送到终端屏幕(或终端仿真器的终端窗口)。所有这些都是通过TTY设备实现的，即应用程序只与内核中的TTY设备(这种类型的驱动程序)通信。

现在，关键的一点是: TTY设备不仅仅是将每个输入字符传递给应用程序的标准输入。默认情况下，TTY设备将所谓的线路规程应用于接收到的字符。这意味着，它在本地对它们进行缓冲，并解释delete、backspace和其他行编辑字符，只有在收到回车符或换行符时才将它们传递给应用程序的标准输入，这意味着用户已经完成了整行的输入和编辑。

这意味着在用户点击return之前，getchar()不会在标准输入中看到任何内容。到目前为止，好像什么都没有输入过。只有当用户点击return时，TTY设备才会将这些字符发送到应用程序的标准输入，在那里getchar()会立即将它们读取为。

从这个意义上说，getchar()的行为没有什么特别之处。当stdin中的字符可用时，它会立即读取这些字符。您观察到的行缓冲发生在内核中的TTY设备中。

现在到有趣的部分:这个TTY设备可以被配置。例如，您可以使用stty命令从shell执行此操作。这允许您配置TTY设备应用于传入字符的行规则的几乎所有方面。或者，您可以通过将TTY设备设置为raw模式来禁用任何处理。在这种情况下，TTY设备立即将每个接收到的字符转发到应用程序的标准输入，而不进行任何形式的编辑。

如果您在TTY设备中启用raw模式，您将看到getchar() 会立即接收您在键盘上键入的每个字符。下面的C程序演示了这一点：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>   // STDIN_FILENO, isatty(), ttyname()
#include <stdlib.h>   // exit()
#include <termios.h>

int main() {
    struct termios tty_opts_backup, tty_opts_raw;

    if (!isatty(STDIN_FILENO)) {
      printf("Error: stdin is not a TTY\n");
      exit(1);
    }
    printf("stdin is %s\n", ttyname(STDIN_FILENO));

    // Back up current TTY settings
    tcgetattr(STDIN_FILENO, &tty_opts_backup);

    // Change TTY settings to raw mode
    cfmakeraw(&tty_opts_raw);
    tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &tty_opts_raw);

    // Read and print characters from stdin
    int c, i = 1;
    for (c = getchar(); c != 3; c = getchar()) {
        printf("%d. 0x%02x (0%02o)\r\n", i++, c, c);
    }
    printf("You typed 0x03 (003). Exiting.\r\n");

    // Restore previous TTY settings
    tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &tty_opts_backup);
}

该程序将当前进程的TTY设备设置为raw模式，然后在循环中使用getchar()从标准输入中读取和打印字符。字符以十六进制和八进制记数法打印为ASCII代码。该程序专门将ETX字符(ASCII码0x03)解释为终止的触发器。您可以通过键入Ctrl-C在键盘上生成此字符。

Answer 3

getchar()的输入是行缓冲的，输入缓冲区是有限的，通常是4 kB。你首先看到的是你输入的每个字符的回显。当你按ENTER时，然后getchar()开始返回字符直到LF (被转换为CR- LF )。当你在没有LF的情况下连续按键一段时间后，它在4096个字符后停止回显，你必须按ENTER继续。