C語言標準輸入完整教學：scanf 與 fgets 的安全用法與範例

1. 前言

在學習C語言的過程中，處理使用者輸入的「標準輸入」是不可避免的重要功能。正確理解並安全地使用標準輸入，可以大幅提升程式的通用性與可靠性。

本文將從基礎到進階，系統性地解說C語言中的標準輸入。為了讓初學者也能輕鬆理解，內容會搭配範例程式碼，請務必將其應用到您自己的程式開發中。

標準輸入的重要性

標準輸入是程式從外部接收資料的基本機制。例如，常見的使用場景包括：

• 使用者輸入數字進行計算的應用程式
• 透過字串進行搜尋的功能
• 根據命令列指令動態執行的程式

在這些情況下，正確處理標準輸入能夠建立高效又安全的程式。

本文將學到的內容

本文將涵蓋以下主題：

1. 標準輸入的基本原理與在C語言中的實作方法
2. scanf 與 fgets 等函式的使用方式
3. 安全且可靠的標準輸入實作方式
4. 進階的資料處理技巧
5. 常見問題與解決方法

適合的讀者

• 第一次學習C語言的初學者
• 對標準輸入用法沒有信心的程式設計師
• 想實現安全且高效輸入處理的人

2. 什麼是標準輸入

在C語言中，標準輸入是程式接收外部資料的基本機制。它屬於「標準輸入輸出」的一部分，通常透過終端機或命令列由使用者提供資料。本節將解釋標準輸入的基本概念與角色。

標準輸入的定義

標準輸入（Standard Input，stdin）指的是程式用來接收外部資料的資料流。在C語言中，可以透過 stdio.h 標頭檔輕鬆操作標準輸入。

• 資料通常由鍵盤輸入。
• 輸入的資料會在程式中處理，並輸出到標準輸出。

標準輸入輸出的機制

C語言內建以下三種標準資料流：

1. 標準輸入（stdin）：用來接收外部資料。
2. 標準輸出（stdout）：用來輸出程式結果。
3. 標準錯誤輸出（stderr）：用來輸出錯誤訊息。

實際範例

以下範例示範如何使用標準輸入讀取數字，並將結果輸出到標準輸出。

#include <stdio.h>

int main() {
    int number;
    printf("請輸入一個數字: ");
    scanf("%d", &number); // 從標準輸入讀取整數
    printf("您輸入的數字是: %d\n", number); // 輸出到標準輸出
    return 0;
}

3. C語言中的標準輸入基礎

在C語言中，為了從使用者取得輸入，有多種函式可用。其中最基本的是 scanf 和 fgets。本節將透過具體範例，說明這些函式的使用方式與特性。

scanf 函式的使用方法

scanf 是透過格式指定子解析輸入資料並存入變數的函式。

基本語法

int scanf(const char *format, ...);

• format：用來指定資料格式的字串。
• ...：儲存輸入資料的變數位址。

常用的格式指定子

使用範例

#include <stdio.h>

int main() {
    int age;
    printf("請輸入年齡: ");
    scanf("%d", &age); // 讀取整數
    printf("您輸入的年齡是: %d\n", age);
    return 0;
}

注意事項

• 若輸入格式不正確，可能會導致錯誤。
• 為避免緩衝區溢位，務必限制輸入大小（例如使用 %s 時）。

fgets 函式的使用方法

fgets 用於逐行讀取字串，相較於 scanf 更安全。

基本語法

char *fgets(char *str, int n, FILE *stream);

• str：用來存放輸入的字元陣列。
• n：最多可讀取的字元數（陣列大小）。
• stream：輸入來源（通常為 stdin）。

使用範例

#include <stdio.h>

int main() {
    char name[50];
    printf("請輸入姓名: ");
    fgets(name, 50, stdin); // 最多讀取49個字元
    printf("您輸入的姓名是: %s", name);
    return 0;
}

注意事項

• 若輸入超過緩衝區大小，超出的資料會被截斷。
• 若包含換行符號，需手動刪除。

刪除換行字元的方法

name[strcspn(name, "\n")] = '\0';

scanf 與 fgets 的比較

該使用哪一個？

• 使用 scanf 的情況：需要直接讀取數字或特定格式資料。
• 使用 fgets 的情況：重視安全性，或需要處理長字串、複雜輸入。

4. 安全的標準輸入實作

在C語言中處理標準輸入時，確保安全性非常重要。不當的輸入處理可能導致緩衝區溢位或未定義行為，進而降低程式的可靠性。本節將透過實例，解說如何安全地實作標準輸入。

防止緩衝區溢位

scanf 雖然方便，但若未限制輸入大小，可能發生緩衝區溢位。解決方法是使用格式指定子限制輸入長度。

限制輸入大小的範例

#include <stdio.h>

int main() {
    char input[10];
    printf("請輸入最多9個字元: ");
    scanf("%9s", input); // 最多讀取9個字元
    printf("您輸入的字串是: %s\n", input);
    return 0;
}

重點

• 使用 %9s 等方式限制輸入大小，避免超過陣列空間。

使用 fgets 來提升安全性

fgets 可指定讀取字數，因此能降低緩衝區溢位風險，特別適合處理長字串或逐行輸入。

fgets 實作範例

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    char buffer[20];
    printf("請輸入字串: ");
    fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin); // 最多讀取19個字元
    buffer[strcspn(buffer, "\n")] = '\0'; // 移除換行
    printf("您輸入的字串是: %s\n", buffer);
    return 0;
}

重點

• 使用 sizeof(buffer) 自動設定緩衝區大小。
• 透過 strcspn 移除換行字元。

驗證輸入資料

為確保安全，必須驗證使用者輸入。例如，當需要整數時，先以字串接收再轉換，並檢查是否正確。

數字輸入驗證範例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>

int main() {
    char buffer[20];
    long number;
    char *endptr;

    printf("請輸入整數: ");
    fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);

    errno = 0; // 重設錯誤狀態
    number = strtol(buffer, &endptr, 10); // 轉換成整數

    if (errno != 0 || endptr == buffer || *endptr != '\0') {
        printf("請輸入有效的整數。\n");
    } else {
        printf("您輸入的整數是: %ld\n", number);
    }

    return 0;
}

重點

• strtol 可檢測轉換時的錯誤。
• 搭配 errno 和 endptr 驗證輸入是否正確。

錯誤處理的最佳實踐

在標準輸入中實作錯誤處理，能有效提升程式可靠性。

錯誤檢查範例

#include <stdio.h>

int main() {
    int value;
    printf("請輸入整數: ");

    if (scanf("%d", &value) != 1) { // 若輸入失敗
        printf("輸入無效。\n");
        return 1; // 錯誤結束
    }

    printf("您輸入的整數是: %d\n", value);
    return 0;
}

重點

• 檢查 scanf 的回傳值，若輸入格式錯誤，執行錯誤處理。

安全輸入處理總結

• 使用 scanf 時，必須限制輸入大小。
• 處理長字串或逐行輸入時，建議使用 fgets。
• 不要完全信任使用者輸入，務必進行驗證與錯誤處理。

5. 標準輸入的進階處理

在掌握標準輸入的基本用法後，進一步學習進階處理方法，可以讓程式應對更複雜的輸入資料與情境。本章將解說如何高效處理多筆輸入、換行與空白字元，以及動態資料。

一次輸入多筆資料

標準輸入常需要一次讀取多筆資料，以下將介紹以空白或逗號分隔資料的處理方式。

處理以空白分隔的輸入範例

#include <stdio.h>

int main() {
    int numbers[5];
    printf("請輸入5個整數（以空白分隔）: ");
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        scanf("%d", &numbers[i]); // 以空白分隔輸入
    }

    printf("您輸入的整數為: ");
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", numbers[i]);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

處理以逗號分隔的輸入範例

#include <stdio.h>

int main() {
    int numbers[3];
    printf("請輸入3個整數（以逗號分隔）: ");
    scanf("%d,%d,%d", &numbers[0], &numbers[1], &numbers[2]); // 以逗號分隔輸入

    printf("您輸入的整數為: %d, %d, %d\n", numbers[0], numbers[1], numbers[2]);
    return 0;
}

處理包含換行與空白的輸入

標準輸入有時會混雜換行符與空白符，以下示範正確處理方式。

處理換行字元範例

可利用 fgets 讀取，再移除換行字元。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    char input[100];
    printf("請輸入一段文字: ");
    fgets(input, sizeof(input), stdin);

    input[strcspn(input, "\n")] = '\0'; // 移除換行
    printf("您輸入的文字為: %s\n", input);

    return 0;
}

處理多行輸入

多行輸入在文字分析或資料處理中十分常見。

逐行處理輸入範例

#include <stdio.h>

int main() {
    char line[100];

    printf("請輸入多行文字（結束請按 Ctrl+D）:\n");
    while (fgets(line, sizeof(line), stdin) != NULL) {
        printf("讀取到的行: %s", line);
    }

    return 0;
}

處理動態輸入資料

若輸入筆數不固定，需要彈性處理。以下範例示範計算多筆整數的總和。

動態資料處理範例

#include <stdio.h>

int main() {
    int number, sum = 0;
    printf("請輸入整數（結束請按 Ctrl+D）:\n");

    while (scanf("%d", &number) == 1) {
        sum += number;
    }

    printf("輸入整數的總和為: %d\n", sum);
    return 0;
}

小結

透過進階的標準輸入技巧，可以更靈活地處理多筆資料、換行與動態輸入。熟悉這些技巧後，能設計出更強大的程式。

6. 常見問題與解決方法

在C語言中處理標準輸入時，初學者經常會遇到一些問題。本章整理了常見的錯誤與解決方法，幫助您建立更可靠的程式。

scanf 的問題與解決方法

問題1: 輸入跳過問題

使用 scanf 讀取字串或整數時，換行或空白字元可能會影響下一次輸入。

範例

#include <stdio.h>

int main() {
    int number;
    char letter;

    printf("請輸入整數: ");
    scanf("%d", &number);

    printf("請輸入字元: ");
    scanf("%c", &letter); // 會讀取到殘留的換行字元

    printf("輸入的整數: %d, 字元: %c\n", number, letter);
    return 0;
}

解決方法

在 scanf 格式前加入空白字元，忽略多餘的換行。

scanf(" %c", &letter); // 空白可忽略多餘換行

問題2: 緩衝區溢位

當使用 scanf 讀取字串時，若輸入超過陣列大小，可能造成程式崩潰。

範例

char input[10];
scanf("%s", input); // 若輸入超過10字元，會溢位

解決方法

在格式指定子中限制輸入大小。

scanf("%9s", input); // 最多讀取9字元

或改用更安全的 fgets。

fgets 的問題與解決方法

問題1: 含有換行字元

fgets 會保留輸入最後的換行符，可能導致字串比較失敗。

範例

char input[20];
fgets(input, sizeof(input), stdin);
if (strcmp(input, "yes") == 0) {
    printf("輸入為 yes。\n");
}

此時 input 內容實際為 "yes\n"，比較會失敗。

解決方法

移除換行字元。

input[strcspn(input, "\n")] = '\0';

處理輸入錯誤的方法

問題1: 無效輸入

當程式期望數字，但使用者輸入字串時，程式可能異常。

範例

int number;
scanf("%d", &number); // 若輸入文字會導致錯誤

解決方法

檢查輸入是否合法。

if (scanf("%d", &number) != 1) {
    printf("輸入無效。\n");
    while (getchar() != '\n'); // 清除輸入緩衝區
}

多行輸入的問題

問題: scanf 與 fgets 混用

在同一程式中混用 scanf 與 fgets，常會出現意料之外的行為。

原因

scanf 不會移除換行符，因此下一個 fgets 會直接讀取換行。

解決方法

在 scanf 之後清空緩衝區。

while (getchar() != '\n');

小結

標準輸入在C語言中容易出現各種問題，但只要理解原因並妥善處理，就能建立更安全與高效的程式。特別是要理解 scanf 與 fgets 的差異，並依需求選擇合適的方法。

7. 使用標準輸入的應用程式範例

本章將介紹一些使用標準輸入的實際程式範例，從基礎到進階，幫助您透過實際代碼理解如何應用。

範例1: 計算數字總和與平均值

此程式會從標準輸入讀取多個整數，並計算總和與平均。

#include <stdio.h>

int main() {
    int numbers[100];
    int count = 0, sum = 0;
    float average;

    printf("請輸入多個整數（以空白分隔，結束請按 Ctrl+D）:\n");

    while (scanf("%d", &numbers[count]) == 1) {
        sum += numbers[count];
        count++;
    }

    if (count > 0) {
        average = (float)sum / count;
        printf("總和: %d, 平均: %.2f\n", sum, average);
    } else {
        printf("未輸入任何數字。\n");
    }

    return 0;
}

範例2: 回文判斷程式

判斷輸入的字串是否為回文（正反讀都一樣）。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdbool.h>

bool isPalindrome(char str[]) {
    int start = 0;
    int end = strlen(str) - 1;

    while (start < end) {
        if (str[start] != str[end]) {
            return false;
        }
        start++;
        end--;
    }
    return true;
}

int main() {
    char input[100];

    printf("請輸入字串: ");
    fgets(input, sizeof(input), stdin);

    // 移除換行字元
    input[strcspn(input, "\n")] = '\0';

    if (isPalindrome(input)) {
        printf("輸入的字串是回文。\n");
    } else {
        printf("輸入的字串不是回文。\n");
    }

    return 0;
}

範例3: 處理CSV格式資料

此程式會讀取CSV（逗號分隔值）資料，並逐一處理各欄位。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    char input[200];
    char *token;

    printf("請輸入CSV格式資料: ");
    fgets(input, sizeof(input), stdin);

    // 移除換行字元
    input[strcspn(input, "\n")] = '\0';

    // 以逗號分割
    token = strtok(input, ",");
    while (token != NULL) {
        printf("值: %s\n", token);
        token = strtok(NULL, ",");
    }

    return 0;
}

範例4: 互動式輸入程式

此程式會多次接收使用者輸入，並依內容進行處理。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    char input[50];

    printf("輸入 'exit' 可結束程式。\n");
    while (1) {
        printf("請輸入指令: ");
        fgets(input, sizeof(input), stdin);

        // 移除換行字元
        input[strcspn(input, "\n")] = '\0';

        if (strcmp(input, "exit") == 0) {
            printf("程式結束。\n");
            break;
        } else {
            printf("輸入的指令: %s\n", input);
        }
    }

    return 0;
}

小結

透過這些應用程式範例，您可以更好地理解標準輸入的用法。請嘗試將其應用到您的專案中，設計出符合需求的互動式程式。

8. 總結

本文從基礎到進階，全面解說了C語言中標準輸入的使用方式。希望透過這些內容，您能理解標準輸入的運作機制、安全處理方法，以及實際應用範例。以下簡單回顧重點。

再次確認標準輸入的重要性

• 標準輸入是程式從外部接收資料並進行動態操作的基本功能。
• 在C語言中，可以使用 scanf 或 fgets 讀取數字或字串。

安全且高效輸入處理的要點

1. 防止緩衝區溢位

• 在 scanf 中限制輸入大小（例如 %9s）。
• 處理長字串或逐行輸入時，優先使用 fgets。

1. 驗證輸入資料

• 使用 strtol 或 strtod 等函式，檢查輸入是否合法。
• 若有不正確輸入，需進行適當的錯誤處理。

1. 進階處理

• 處理多筆輸入或換行字元時，需特別注意正確性與安全性。

下一步建議

在熟悉標準輸入後，建議進一步學習以下內容，以提升程式設計能力：

• 標準輸出與錯誤輸出：掌握如何輸出錯誤訊息與記錄日誌。
• 檔案操作：結合標準輸入與檔案讀寫，製作更進階的程式。
• 實作練習：嘗試修改本文範例，設計適合自己專案的輸入處理。

給讀者的話

標準輸入是C語言程式設計的基礎，但同時也蘊含許多細節與進階技巧。希望本文能幫助您在實作中養成「安全且高效處理輸入」的習慣。無論疑問多小，都應一步步解決，這將成為您程式學習旅程中的重要基石。