c-programming-chap4

选择结构程序设计

It is easier to write an incorrect program than understand a correct one. [1]

if_switch

选择结构示例

求解一元二次方程

解题思路: 首先要知道求方程式的根的方法。由数学知识已知: 如果b2-4ac≥0，则一元二次方程有两个实根：𝑥1=(−𝑏+√(𝑏2−4𝑎𝑐))/2𝑎，𝑥2=(−𝑏−√(𝑏2−4𝑎𝑐))/2𝑎，将分式分为两项：p=(−𝑏)/2𝑎，q=√(𝑏^2−4𝑎𝑐)/2𝑎，则x1=p+q，x2=p-q，有了这些式子，只要知道a,b,c的值，就能顺利地求出方程的两个根。

在上述程序中进行改进。题目要求解得ax^2+bx+c=0方程的根。由键盘输入a,b,c。假设a,b,c的值任意，并不保证b2-4ac≥0。需要在程序中进行判别，如果b2-4ac≥0，就计算并输出方程的两个实根，如果b2-4ac<0，就输出“此方程无实根”的信息。

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#include <stdio.h>
#include <math.h>  // sqrt函数在此头文件中定义
int main(void)
{
    int a, b, c;
    double delta;
    double x1, x2;
    printf("输入a, b, c(a不为0，数据间以空格隔开)："); // 1 3 -14
    scanf("%d %d %d", &a, &b, &c);
    delta = b * b - 4 * a * c;
    if(delta >= 0)
    {
        x1 = (-b + sqrt( delta ))/(2.0 * a);
        x2 = (-b - sqrt( delta ))/(2.0 * a);
        printf("%.3f %.3f\n",x1,x2 );
        int bp_check = x1;
        return bp_check;
    }
    else
    {   printf("方程无实根。\n");    }
    return 0;
}


选择语句

前面已经讲过C语言的语句主要分为 6 大类。本节我们主要探讨 选择语句：if 语句 和 switch 语句

💥 ❗️ ❗ 判断条件

包括 if 语句在内的某些 C 语句（while，for 等）都必须测试表达式的值是“真”还是“假”。
许多编程语言中，类似 i < j 这样的表达式都具有特殊的“布尔”类型或者“逻辑”类型（C++ 的 bool 和 Java 的 boolean）。这样的类型只有两个值，即真（true）和假（false）。
而在 C 语言中，诸如 i < j 这样的比较会产生整数：0（假）1（真）。

但是，非 0 的其他数也可以表示 真。在今天看来，这是 C 语言设计的弊端，它将布尔类型与整型混为一谈，让我们在变成过程中可能稍不小心就会给自己挖一个坑。

一. 关系运算符

C 语言的关系运算符（relational operator）和数学上的 >,<,≤，≥相对应，只是用在 C 语言的表达式中时产生的结果是 0 或 1 。

例如，表达式 10 < 11 的值是 1，11 < 10 的值是 0 。

关系运算符也可以用于比较整数和浮点数，也允许比较不同类型的操作数。如：5.6 < 5 的值为 0 。

符号 含义
< 小于
> 大于
<= 小于等于
>= 大于等于

关系运算符的优先级低于算数运算符。例如：i + j < k - 1 的意思是 (i + j) < (k - 1)

关系运算符都是左结合的。

注意： 表达式 i < j < k 在 C 语言中是合法的，但是可能不是你所期望的含义。因为 < 运算符是左结合的，所以这个表达式等价于：(i < j) < k

表达式会先检测 i 是否小于 j，然后用比较后产生的结果（1 或 0 ）来和 k 进行比较。这个表达式并不是测试 j 是否位于 i 和 k 之间。（正确的写法是：j > i && j < k）

判等运算符

**判等运算符(equality operator)：**相等用==表示 。注意不是 = ，=表示赋值。

注意：

一定要注意不要将 == 写成 = ，编译器可能会给你报错，但是如果没有，在你查错的时候，注意是不是 == 写错了的问题。

符号 含义
== 等于
!= 不等于

和关系运算符一样，判等运算符是左结合的，也是产生 0（假） 或 1（真） 作为结果。

判等运算符的优先级低于关系运算符。例如：

i < j == j < k 等价于：(i < j) == (j < k)，含义是：如果 i < j 和 j < k 同真或同假 这个表达式的结果为真。

关系运算符优先顺序

WX20220304-233448

二 逻辑运算符

逻辑运算符（logical operator）

符号 含义
! 逻辑非（一元运算符）
&& 逻辑与（二元运算符）
|| 逻辑或（二元运算符）

其实 && 就是 数学中的 且 ，|| 就是数学的的 或

logical_op

逻辑运算符产生的结果仍然是 0 或 1，操作数经常也是 0 或 1，但这不是必需的。逻辑运算符将任何 非0值操作数当作真来处理，任何0值操作数当作假来处理。

💥 ❗️ ❗ “短路”计算

&& 和 || 运算符都遵循“短路”原则。

  1. 逻辑或短路（||）:只要一个为真,或结果就为真,后面的不算了。
  2. 逻辑与短路（&&）:只要有一个为假,结果就为假。如果&&左边的算式结果为假,那么右边的不再运行,直接得出结果为假。

如：

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	int i = 0, j = 1;

	if (i && i++) {
		; // 空语句
	}
	printf("%d\n", i); // i 的值没有增加，说明 i++ 没有计算

	if (j || j++) {
		;
	}
	printf("%d\n", j); // j 的值没有增加， 说明 j++ 没有计算
// 输出：
0
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逻辑运算符与关系运算符的优先级排列

逻辑运算符与关系运算符的优先级排列

运算符 ！的优先级和一元正负号优先级相同，运算符 && 和 || 的优先级低于判等运算符。

例如：i < j && k == m 等价于 (i < j) && (k == m)

运算符 ! 是右结合的，&& 和 || 是左结合的。

三 if 语句

1. if

if 语句允许程序通过测试表达式的值从两种选项中选择一种。if 语句的简单格式如下：

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if(表达式){
    语句
}

如果语句部分只有一条语句，也可以写成

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if(表达式)
    语句;

执行 if 语句时，先计算圆括号内表达式的值。如果表达式的值非零（C语言将非零值解释为真值），那么接着执行大括号内的语句。例如：

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if(i > 0)
    printf("正数\n");

为了判定 k < i < j，可以这样写：

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if(i > k && i < j)

为了判定相反的情况，可以写成：

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if(i <= k || i >= j)

例2-1： 程序：为了判定一个数是不是大于零的，如果是，我们就输出提示语，然后让这个数加 1

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if(i > 0){
	printf("是正数\n");
	i++;
}

2. else 子句

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if(表达式)
    语句;
else 
    语句;

如果是复合语句（compound statement），需要加上花括号

加上花括号是一种好习惯。建议不管是不是复合语句，尽量都加上花括号。

例2-2：增加需求：如果这个数不是正数，那么输出提示语，然后让这个数减 1

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if(i > 0){
	printf("是正数\n");
	i++;
}else{
    printf("不是正数\n");
    i--;
}

3. 嵌套的 if 语句

例2-3：找出 i，j，k 中的最大值，并将其保存到 max 中

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if(i > j){
    if(i > k){
        max = i;
    }else{
        max = k;
    }
}else{
    if(j > k){
        max = j;
    }else{
        max = k;
    }
}

4. 级联式 if 语句

编程时常常需要判定一系列的条件，一旦其中某个条件为真就立刻停止。

如何做到呢？

例2-4 程序：判断 n 是大于 0 还是 等于 0 还是小于 0

使用 if else

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if(n < 0){
    printf("n < 0");
}else{
    if(n == 0){
        printf("n = 0");
    }
    else{
        printf("n > 0");
    }
}

使用 else if

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if(n < 0){
    printf("n < 0");
}
else if(n == 0){
    printf("n == 0");
}
else{
    printf("n > 0");
}

这样写可以避免 if else 嵌套，从而提高了书写和理解的难易度。

级联式 if 语句书写形式：

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if(表达式){
 	语句;   
}
else(表达式){
    语句;
}
else{
    语句;
}

5. “悬空 else”问题

请看下面的程序，思考 else 与 那个 if 匹配

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if(y != 0)
    if(x != 0)
        printf("%.2f", x / y);
else
    printf("Error: y is zero!");

如果此时 y = 0, x = 2 会输出什么？

如果 y = 2, x = 0 会输出什么？

虽然缩进格式按时 else 属于外层 if，但是 C 语言遵循的规则是else 子句应该属于离它最近且还未和其他 else 匹配的 if 语句。

所以，此例中 else 属于内层的 if 语句。为了避免这种问题，最好的办法就是加括号。

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if(y != 0){
    if(x != 0)
        printf("%.2f", x / y);
}
else
    printf("Error: y is zero!");

6. 条件表达式

条件运算符(conditional operator)： C 语言运算符中唯一一个三元(ternary)（三个操作数）运算符。

格式：

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[条件表达式]表达式 1 ？ 表达式2 ：表达式3 ;

例2-6

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if(x > 0){
    x++;
}
else{
    x--;
}

上面的程序我们用条件运算符可以这么写：

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x > 0 ? x++ : x--;

判断 k 的值

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i = 1;
j = 2;
k = i > j ? i : j; // k is 2 now
k = (i >= 0 ? i : 0) + j; // k is now 3

条件运算符使程序更短小但也更难以阅读，所以最好避免使用。然而有的情况会常常使用条件表达式。比如：

1）判断返回：

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return i > j ? i : j;

2）printf

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printf("%d\n", i > j ? i : j);

条件表达式也普遍应用于某些类型的宏定义中。

7. 布尔值(自行了解)

C89

多年以来，C语言一直缺乏适当的布尔类型。

一种解决方法是，先声明一个 int 型变量，让后将其赋值为 0 或 1：

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int flag;
flag = 0; // 表示 flag 为 false
...
flag = 1; // 表示 flag 为 true

虽然这种方法可行，但是对于程序的可读性没有多大贡献，因为没有明确的表示 flag 的赋值只能是布尔型，并没有明确指出 0 和 1就是表示真和假。

为了使得程序更加便于理解，C89 程序员通常使用 TRUE 和 FALSE 这样的名字定义宏：

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#define TRUE 1
#define FALSE 0

现在对 flag 的赋值就有了更加自然的形式：

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flag = FALSE;
...
flag = TRUE;

为了判定 flag 是否为真，可以用：

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if(flag == TRUE){
    ...
}

或者只写：

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if(flag){
    ...
}

为了发扬这一思想，我们可以进一步定义一个用作布尔类型的宏：

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#define BOOL int;

声明布尔类型变量时可以用 BOOL 替代 int

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BOOL flag;

现在我们就非常清楚了：flag 不是一个普通的整型变量，而是表示布尔条件。（当然编译器还是将 flag 当作 int 类型的变量。）

C99

C99 中提供了 _Bool 类型：

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_Bool flag;

_Bool是无符号整型。但是和一般的整形不同，_Bool 只能被赋值为 0 或 1 。一般来说，向 _Bool 类型变量中储存非零值会导致变量赋值为 1 。

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_Bool flag = 5;
printf("%u", flag);

// 输出：
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C99 还提供了一个新的头文件<stdbool.h>，改头提供了 bool 宏，用来代表 _Bool ；还提供了 true 和 false 两个宏，分别代表 1 和 0 。于是可以写：

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#include<stdbool.h>

bool flag;
flag = true;
...
flag = false;

四 switch 语句

日常的编程中，常常需要把表达式和一系列值进行比较，从而找出当前匹配的值。

使用级联式 if 语句可以达到这个目的：

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if(grade == 4)
    printf("Excellent");
else if(grade == 3)
    printf("Good");
else if(grade == 2)
    printf("Average");
else if(grade == 1)
    printf("Poor");
else if(grade == 0)
    printf("Failing");
else
    printf("Illegal grade");

C 语言提供了 switch 语句作为这类级联式 if 语句的替换。使用 switch 语句改写上面的程序：

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switch(grade){
    case 4: printf("Excellent"); 
        	break;
    case 3: printf("Good");
    		break;
    case 2: printf("Average");
        	break;
    case 1: printf("Poor");
        	break;
    case 0: printf("Failing");
        	break;
    default:printf("Illegal grade");
        	break;
}

switch 语句常用格式：

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switch(控制表达式){
    case 常量表达式 : 语句
        ...
    case 常量表达式 : 语句
    default : 语句
}

  • 控制表达式： 控制表达式只能用：整型，字符型的变量（C 语言把字符当成整数来处理），不能用浮点数 和 字符串。

  • 分支标号： 每一个分支的开头都有一个冒号，格式如下：

    case 常量表达式:

    常量表达式(constant expression): 必须是整数或字符型，不能包含变量和函数调用。

    5 是常量表达式，5 + 10 也是常量表达式；但是 10 + n 不是常量表达式（除非 n 是表示常量的宏）。

  • 语句： 每个分支标号后可以跟任意数量的语句。不需要用花括号把这些语句括起来。每组语句的最后一条通常是 break 语句。

  • break 的作用： 本节后面会详细讨论。

  • default 语句的作用： 控制表达式的值和所有的标号语句都不匹配的话，会执行 default 后面的语句。（default ：默认的意思）

C 语言不允许有重复的分支标号，但对分支的顺序没有要求，特别是 default 分支不一定要放在最后。

case 后只可以跟随一个常量表达式。但是，多个分支标号可以放置在同一组语句前面 。如：

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switch(grade){
    case 4:
    case 3:
    case 2: 
    case 1: printf("Passing");
        	break;
    case 0: printf("Failing");
        	break;
    default:printf("Illegal grade");
        	break;
}

为了节省空间，可以将拥有相同语句的分支标号放在同一行：

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switch(grade){
    case 4: case 3: case 2:  case 1: 
        	printf("Passing");
        	break;
    case 0: printf("Failing");
        	break;
    default:printf("Illegal grade");
        	break;
}

switch 语句不要求一定有 default 分支。如果 default 不存在，而且控制表达式的值和所有的标号语句都不匹配的话，控制会直接传给 switch 语句后面的语句。

break 语句的作用

break 会使程序“跳出” switch 语句，继续执行 switch 后面的语句。

对控制表达式求值的时，控制会跳转到与 switch 表达式相匹配的分支标号处。分支标号只是说明 switch 内部位置的标记。在执行完分支的最后一句后，程序控制“向下跳转”到下一个分支的第一条语句上，而忽略下一个分支的分支标号。如果没有 break 语句（或者其他某种跳转语句），控制将会从一个分支继续到下一个分支。思考下面的 switch 语句：

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switch(grade){
    case 4: printf("Excellent"); 
    case 3: printf("Good");
    case 2: printf("Average");
    case 1: printf("Poor");
    case 0: printf("Failing");
    default:printf("Illegal grade");
}

如果 grade 的值为 3，那么显示的信息是：

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GoodAveragePoorFailingIllegal grade

注意： 忘记 break 是编程时常见的错误。虽然有时候会故意忽略 break 以便多个分支共享代码，但是通常情况下省略 break 是因为忽略。

如果有需要，明确指出故意省略 break 语句是一个好主意：

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switch(grade){
    case 4: case 3: case 2:  case 1: 
			num_passing++;
        // Fail Through 
    case 0: total_grades++;
        	break;
}

虽然 switch 语句最后一个分支不需要 break 语句，但是通常还是会加上一个 break 语句在那里，以防止将来增加分支时出现“丢失” break 的问题。

参考资料：《C Primer Plus》《C语言程序设计：现代方法》

  1. 写错误的程序比理解正确的程序简单。Epigrams on Programming 编程警句 ↩

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