零基础学C语言——循环与控制结构

这是一个C语言系列文章,如果是初学者的话,建议先行阅读之前的文章。笔者也会按照章节顺序发布。

本篇详细讲解循环结构与控制结构。对于每一种编程语言来说,这都是必不可少的结构。

循环结构

循环结构是为了简化重复工作而给出一种语句

前面函数一文中曾提及,函数是对一种功能的封装,以便日后直接使用这种功能。看似都是简化重复工作,但它们之间并非替代关系。

例如有一个需求:向文件中写入一千万行相同数据。

未学习循环时,只有将写数据函数在代码文件中写一千万行来完成。

这样的代码...

编辑代码极慢,且生成的二进制文件相较于同功能使用循环的代码来说要大很多(一千万个call指令)。

然而利用循环,上述的需求三行代码即可搞定。

来简单看看循环结构的执行流程

循环结构流程图

通常,程序执行到循环结构时会先判断循环条件是否满足,满足循环条件,则进入循环内部执行相应语句(上例的调用写文件函数),然后继续判断循环条件(是否不足一千万次)是否满足,如此往复,直至循环条件不满足时,跳出循环。

在C语言中有三种循环结构:

  • while
  • do-while
  • for

while

while语句的一般形式如下:

while (循环条件) { ...//循环内的语句}//如果循环内只有一条语句,也可省略大括号,其实{}及其内部语句这个整体也可以看作为一个语句,叫块语句while (循环条件) ...;//某一条语句

关于大括号{}形成的块语句,我将在后续作用域相关的文章中提及。

例如:

int i = 0;while (i < 10) {  ++i;}//也可写成while (i < 10)  ++i;

do-while

我们先看下do-while的一般形式

do { ...//循环内语句} while (循环条件);

do-while与while的差别在于,循环条件的检查是前置还是后置。

while的执行流程与上面的流程图一致,即先验证循环条件是否满足,满足则进入循环。

而do-while则是先执行循环内语句,然后检查循环条件,满足循环条件则继续执行循环内语句,如此往复,直至循环条件不满足时退出循环。

for

先看一下for循环结构的一般形式

for (表达式1;表达式2;表达式3) {  ...//循环内语句}//如果循环内只有一条语句,可省略大括号for (表达式1;表达式2;表达式3)  ...;//某一条语句

for循环中三个表达式均可以根据需求给出或者省写。三个表达式的含义如下:

  • 表达式1——循环的前置处理,即在检查循环条件前被执行,一般都是用来初始化循环条件相关的变量
  • 表达式2——循环条件,每一轮执行循环内语句前都要验证表达式2的值是否为真,为真则执行循环内语句
  • 表达式3——循环后置处理,每一轮循环内语句执行后,在检测循环条件(表达式2)前被执行,一般用于修改循环条件相关的变量值

看个例子:

int i;for (i = 0; i < 10; ++i) { printf('%d\n', i);}

这个例子中,利用for循环让程序执行10次printf函数的调用,而printf将会在终端打印每一次循环时i的值。再来看几个例子:

int i = 0;for (; i < 10; ) {  printf('%d\n', i);  ++i;}int i;for (i = 0; i < 10; ++i)  printf('%d\n', i);

这两个例子的功能与上一个代码区的代码功能完全一样,只是for循环结构写法略有不同而已。


控制结构

控制结构是用来对程序执行流程进行控制的,例如满足什么条件执行哪些语句。

看一下控制结构的一般流程

控制结构流程图

程序进入控制结构后一般先进行条件判断,如果满足条件则执行一段语句,如果不满足条件则不执行语句或执行另一段语句。这类流程一般称为分支结构。除却分支结构外,流程控制还包含一些其他功能。

在C语言中,流程控制包含如下内容:

  • if-else
  • switch
  • break
  • continue
  • goto

if-else

这是最典型的分支结构,其形式非常直观。

假设我们定义了如下两个变量:

int a = 90, b = 80;

我希望a>b时向终端输出a的值,那么代码可以写成:

if (a > b) {  printf('%d\n', a);}

如果同时我希望a<=b时,输出b的值呢?

if (a > b) { printf('%d\n', a);} else { printf('%d\n', b);}

if-else语句的一般形式

if (判断条件) {  ...//条件成立时的一段语句} else {  ...//条件不成立时的一段语句}

其中,如果{}中只有一条语句,那么大括号可以省写。

if-else也可以嵌套,看下面这个例子:

if (a > b) { if (a-b > 10) { //潜入if判断,a-b的值大于10则调用printf printf('%d\n', a-b);//打印a-b的值 }} else { if (a%b == 1) { //此处大括号不可省写,因为内部包含多于1条语句 a = 100; printf('%d\n', a%b); } else //此处大括号可以省写,因为只有一条函数调用语句 printf('%d\n', b);}

如果我对a - b的结果有多种处理时,除了上述的嵌套,还可以怎么写呢?

if (a-b == 10) {  printf('%d\n', a);} else if (a-b == 9) {  printf('%d\n', b);} else if (a-b == 8) {  printf('%d\n', a);} else {  printf('%d\n', b);}

这里其实也是嵌套,因为else后跟的是一条if语句,因此大括号省略。将if直接写在else后,代码读起来更容易理解。

switch

如果上例中的分支条件有很多的话,则会写出一长串if-else,这样的代码会很蠢笨,有没有更优雅的写法呢?来一起看看switch吧,重写上面a-b的例子:

switch (a-b) { case 10: printf('%d\n', a); break; case 9: printf('%d\n', b); break; case 8: printf('%d\n', a); break; default: printf('%d\n', b); break;}

这段代码的含义与上面的if-else版本的完全一样,但这样看着是不是更简洁一些?

来看下switch的一般形式

switch (表达式) {  case 数值1:    ...//一些语句  case 数值2: {    ...//一些语句  }  ...  default:    ...//一些语句}

表达式的值的数据类型必须为基本数据类型,且不能为指针类型。上例中,表达式a-b的值为整型。

switch中对每个分支做的都是等值判断

case关键字后跟的数值,这些数值的数据类型都必须是基本数据类型,且不能为指针类型

上面的例子中用到了break,我们马上就会说到。break本是用来跳出循环的,但也可用于switch结构中。如果a-b的例子(a=90, b=80)中不加入break,那么终端输出结果就会是:

90809080

即,会从第一个满足等值匹配的case处执行其中语句,并在下一个case处进行等值判断,直接执行其中语句,如此直至switch中的后续分支都被执行完。

此外,case后可以写{}也可不写,但这两者的差别并不是在于case中语句数量,而是是否可以定义新的变量。

switch (a - b) {  case 10:    int c = a - b;    break;  default:    break;}

这样的写法是不符合语法的,case内如果不加{},则不允许定义变量。如果一定要定义,可以如下写:

switch (a - b) { case 10: { int c = a - b; break; } default: break;}

break

在switch中提到过,break是用来跳出循环的,我们举个例子:

int i;for (i = 0; i < 10; ++i) {  if (i % 10 == 3)    break;}

这段代码利用for循环结构做10次循环,但是我希望在第4次循环(i=3)时退出循环。我们可以利用if语句做判断,然后利用break关键字配以分号所组成的语句跳出循环。

continue

除了跳出循环,有时我们发现循环中有一些变量的内容未达到预期时,希望暂时不执行循环内的一些语句处理。例如:

int i = 0, j = 0;for (i = 0; i < 10; ++i, ++j) {//for中的是表达式,逗号表达式也可以被应用在此 if (j < 5) continue; j *= 10;}

这个例子中,我期望j在小于5时不要乘10,此时,我可以用if语句来判断j的内容,如果小于5,则用continue关键词配以分号所组成的语句,让循环中的执行流程不继续往下执行,而是直接走到for的第三个表达式处理,然后流程再进入for的第二个表达式判断,满足第二个表达式条件后继续进入for中从头执行语句,如此往复,直到j满足条件后,才每轮循环都执行j *= 10;这条语句。

goto

有时,我们不在循环中时,也会有跳转的需求,尽管这类需求极少。在日常工程中,也不推荐使用goto关键词,因为滥用goto会让代码维护难度增加。

我们来看一个goto的例子:

int main(void){  int a = 10;again:  ++a;  if (a < 12)    goto again;  return 0;}

这里,again是一个标号(label),其命名规则与变量命名规则一致,其后必须跟随冒号。标号在其所在作用域(即其所在函数)内唯一。

goto的必须配合label一同使用,因为编译器需要知道流程跳转到什么位置。

上面的这段代码的含义就是,定义了整型变量a,然后a自加,判断a的值是否小于12,小于的话,跳转到again的位置继续执行其后的语句(也就是从++a;开始的部分)。如果a >= 12了,那么正常返回。

一个综合使用的例子

#include <stdio.h>int main(void){ int i; char s[] = 'Hello World'; for (i = 0; i < sizeof(s); ++i) { if (s[i] == '\0') break; switch (s[i]) { case 'H': case 'W': printf('up-case\n'); break; case ' ': printf('blank\n'); break; default: printf('low-case\n'); break; } } return 0;}

其中,case部分如果不写任何语句,那么流程在匹配后会继续向下一个case前进,但不会对下一个case的值进行等值验证,直接进入其语句部分执行。


今天所提及的这些循环结构与控制结构都是可组合使用的。学习语言要将知识点融会贯通,这需要一个过程,需要多进行尝试,尝试出错不要怕,想清原因并尝试如何修正将会大大提升编程水平与信心。

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感谢阅读!

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