03.循环和选择

目录介绍

  • 3.1 语句和程序块
  • 3.2 选择结构
    • 3.2.1 if语句
    • 3.2.2 单行格式if语句
    • 3.2.3 多行格式if语句
    • 3.2.3 多行格式if语句
    • 3.2.4 多条件的if语句
    • 3.2.5 嵌套if语句
    • 3.2.6 三目运算符
    • 3.2.7 switch语句
  • 3.3 循环结构
    • 3.3.1 while循环语句
    • 3.3.2 do...while循环
    • 3.3.3 for循环语句
  • 3.4 跳出循环
    • 3.4.1 break语句
    • 3.4.2 continue语句
    • 3.4.3 goto语句
  • 3.5 课后的习题

3.1 语句和程序块

C 语言的程序是顺序执行，即先执行前面的语句，再执行后面的语句。开发者如果想要控制程序执行的流程，就必须使用流程控制的语法结构，主要是条件执行和循环执行。

C/C++支持最基本的三种程序运行结构：==顺序结构、选择结构、循环结构==

  • 顺序结构：程序按顺序执行，不发生跳转
  • 选择结构：依据条件是否满足，有选择的执行相应功能
  • 循环结构：依据条件是否满足，循环多次执行某段代码

3.2 选择结构

3.2.1 if语句

**作用：**执行满足条件的语句

if语句的三种形式

  • 单行格式if语句

  • 多行格式if语句

  • 多条件的if语句

3.2.2 单行格式if语句

if语句用于条件判断，满足条件时，就执行指定的语句。

if (expression) statement

上面式子中，表达式expression为真（值不为0）时，就执行statement语句。

示例中，当变量x为10时，就会输出一行文字。对于只有一个语句的语句体，语句部分通常另起一行。

if (x == 10)
  printf("x is 10\n");

如果有多条语句，就需要把它们放在大括号里面，组成一个复合语句。

if (line_num == MAX_LINES) {
  line_num = 0;
  page_num++;
}

3.2.3 多行格式if语句

if语句可以带有else分支，指定条件不成立时（表达式expression的值为0），所要执行的代码。

if (expression) statement
else statement

下面是一个例子。

if (i > j)
  max = i;
else
  max = j;

3.2.4 多条件的if语句

如果else的语句部分多于一行，同样可以把它们放在大括号里面。else可以与另一个if语句连用，构成多重判断。

if (expression)
  statement
else if (expression)
  statement
...
else if (expression)
  statement
else
  statement

3.2.5 嵌套if语句

如果有多个if和else，可以记住这样一条规则，else总是跟最接近的if匹配。

if (number > 6)
  if (number < 12)
    printf("The number is more than 6, less than 12.\n");
else
  printf("It is wrong number.\n");

上面示例中，else部分匹配最近的if（即number < 12），所以如果number等于6，就不会执行else的部分。

这样很容易出错，为了提供代码的可读性，建议使用大括号，明确else匹配哪一个if。

if (number > 6) {
  if (number < 12) {
    printf("The number is more than 6, less than 12.\n");
  }
} else {
  printf("It is wrong number.\n");
}

上面示例中，使用了大括号，就可以清晰地看出else匹配外层的if。

3.2.6 三目运算符

C 语言有一个三元表达式?:，可以用作if...else的简写形式。

<expression1> ? <expression2> : <expression3>

这个操作符的含义是，表达式expression1如果为true（非0值），就执行expression2，否则执行expression3。

下面是一个例子，返回两个值之中的较大值。

(i > j) ? i : j;

上面的代码等同于下面的if语句。

if (i > j)
  return i;
else
  return j;

3.2.7 switch语句

switch 语句是一种特殊形式的 if...else 结构，用于判断条件有多个结果的情况。它把多重的else if改成更易用、可读性更好的形式。

switch (expression) {
  case value1: statement
  case value2: statement
  default: statement
}

上面代码中，根据表达式expression不同的值，执行相应的case分支。如果找不到对应的值，就执行default分支。

下面是一个例子。

switch (grade) {
  case 0:
    printf("False");
    break;
  case 1:
    printf("True");
    break;
  default:
    printf("Illegal");
}

上面示例中，根据变量grade不同的值，会执行不同的case分支。如果等于0，执行case 0的部分；如果等于1，执行case 1的部分；否则，执行default的部分。default表示处理以上所有case都不匹配的情况。

每个case语句体的结尾，都应该有一个break语句，作用是跳出整个switch结构，不再往下执行。如果缺少break，就会导致继续执行下一个case或default分支。

switch (grade) {
  case 0:
    printf("False");
  case 1:
    printf("True");
    break;
  default:
    printf("Illegal");
}

上面示例中，case 0的部分没有break语句，导致这个分支执行完以后，不会跳出switch结构，继续执行case 1分支。

利用这个特点，如果多个case分支对应同样的语句体，可以写成下面这样。

switch (grade) {
  case 0:
  case 1:
    printf("True");
    break;
  default:
    printf("Illegal");
}

上面示例中，case 0分支没有任何语句，导致case 0和case 1都会执行同样的语句体。

case后面的语句体，不用放在大括号里面，这也是为什么需要break的原因。

default分支用来处理前面的 case 都不匹配的情况，最好放在所有 case 的后面，这样就不用写break语句。这个分支是可选的，如果没有该分支，遇到所有的 case 都不匹配的情况，就会直接跳出整个 switch 代码块。

3.3 循环结构

3.3.1 while循环语句

while语句用于循环结构，满足条件时，不断执行循环体。

while (expression)
  statement

上面代码中，如果表达式expression为非零值（表示真），就会执行statement语句，然后再次判断expression是否为零；如果expression为零（表示伪）就跳出循环，不再执行循环体。

while (i < n)
  i = i + 2;

上面示例中，只要i小于n，i就会不断增加2。

如果循环体有多个语句，就需要使用大括号将这些语句组合在一起。

while (expression) {
  statement;
  statement;
}

下面是一个例子。

i = 0;

while (i < 10) {
  printf("i is now %d!\n", i);
  i++;
}

printf("All done!\n");

上面代码中，循环体会执行10次，每次将i增加1，直到等于10才退出循环。

只要条件为真，while会产生无限循环。下面是一种常见的无限循环的写法。

while (1) {
  // ...
}

上面的示例虽然是无限循环，但是循环体内部可以用break语句跳出循环。

3.3.2 do...while循环

do...while结构是while的变体，它会先执行一次循环体，然后再判断是否满足条件。如果满足的话，就继续执行循环体，否则跳出循环。

do statement
while (expression);

上面代码中，不管条件expression是否成立，循环体statement至少会执行一次。每次statement执行完毕，就会判断一次expression，决定是否结束循环。

i = 10;

do --i;
while (i > 0);

上面示例中，变量i先减去1，再判断是否大于0。如果大于0，就继续减去1，直到i等于0为止。

如果循环部分有多条语句，就需要放在大括号里面。

i = 10;

do {
  printf("i is %d\n", i);
  i++;
} while (i < 10);

printf("All done!\n");

上面例子中，变量i并不满足小于10的条件，但是循环体还是会执行一次。

3.3.3 for循环语句

for语句是最常用的循环结构，通常用于精确控制循环次数。

for (initialization; continuation; action)
  statement;

上面代码中，for语句的条件部分（即圆括号里面的部分）有三个表达式。

  • initialization：初始化表达式，用于初始化循环变量，只执行一次。
  • continuation：判断表达式，只要为true，就会不断执行循环体。
  • action：循环变量处理表达式，每轮循环结束后执行，使得循环变量发生变化。

循环体部分的statement可以是一条语句，也可以是放在大括号里面的复合语句。下面是一个例子。

for (int i = 10; i > 0; i--)
  printf("i is %d\n", i);

上面示例中，循环变量i在for的第一个表达式里面声明，该变量只用于本次循环。离开循环体之后，就会失效。

条件部分的三个表达式，每一个都可以有多个语句，语句与语句之间使用逗号分隔。

int i, j;
for (i = 0, j = 999; i < 10; i++, j--) {
  printf("%d, %d\n", i, j);
}

上面示例中，初始化部分有两个语句，分别对变量i和j进行赋值。

for的三个表达式都不是必需的，甚至可以全部省略，这会形成无限循环。

for (;;) {
  printf("本行会无限循环地打印。\n" );
}

上面示例由于没有判断条件，就会形成无限循环。

3.4 跳出循环

3.4.1 break语句

break语句有两种用法。一种是与switch语句配套使用，用来中断某个分支的执行，这种用法前面已经介绍过了。另一种用法是在循环体内部跳出循环，不再进行后面的循环了。

for (int i = 0; i < 3; i++) {
  for (int j = 0; j < 3; j++) {
    printf("%d, %d\n", i, j);
    break;
  }
}

上面示例中，break语句使得循环跳到下一个i。

while ((ch = getchar()) != EOF) {
  if (ch == '\n') break;
  putchar(ch);
}

上面示例中，一旦读到换行符（\n），break命令就跳出整个while循环，不再继续读取了。

注意，break命令只能跳出循环体和switch结构，不能跳出if结构。

if (n > 1) {
  if (n > 2) break; // 无效
  printf("hello\n");
}

上面示例中，break语句是无效的，因为它不能跳出外层的if结构。

3.4.2 continue语句

continue语句用于在循环体内部终止本轮循环，进入下一轮循环。只要遇到continue语句，循环体内部后面的语句就不执行了，回到循环体的头部，开始执行下一轮循环。

for (int i = 0; i < 3; i++) {
  for (int j = 0; j < 3; j++) {
    printf("%d, %d\n", i, j);
    continue;
  }
}

上面示例中，有没有continue语句，效果一样，都表示跳到下一个j。

while ((ch = getchar()) != '\n') {
  if (ch == '\t') continue;
  putchar(ch);
}

上面示例中，只要读到的字符是制表符（\t），就用continue语句跳过该字符，读取下一个字符。

3.4.3 goto语句

goto 语句用于跳到指定的标签名。这会破坏结构化编程，建议不要轻易使用，这里为了语法的完整，介绍一下它的用法。

char ch;

top: ch = getchar();

if (ch == 'q')
  goto top;

上面示例中，top是一个标签名，可以放在正常语句的前面，相当于为这行语句做了一个标记。程序执行到goto语句，就会跳转到它指定的标签名。

infinite_loop:
  print("Hello, world!\n");
  goto infinite_loop;

上面的代码会产生无限循环。

goto 的一个主要用法是跳出多层循环。

for(...) {
  for (...) {
    while (...) {
      do {
        if (some_error_condition)
          goto bail;    
      } while(...);
    }
  }
}
    
bail:
// ... ...

上面代码有很复杂的嵌套循环，不使用 goto 的话，想要完全跳出所有循环，写起来很麻烦。

goto 的另一个用途是提早结束多重判断。

if (do_something() == ERR)
  goto error;
if (do_something2() == ERR)
  goto error;
if (do_something3() == ERR)
  goto error;
if (do_something4() == ERR)
  goto error;

上面示例有四个判断，只要有一个发现错误，就使用 goto 跳过后面的判断。

注意，goto 只能在同一个函数之中跳转，并不能跳转到其他函数。

3.5 课后的习题

贡献者: yangchong211