c-programming-chap5

It is better to have 100 functions operate on one data structure than 10 functions on 10 data structures. [1]

循环

本章将介绍 C 语言的重复语句（迭代语句），这种语句允许用户设置循环。

循环（loop）时重复的执行其他语句（循环体）的一种语句。在 C 语言中，每个循环都有自己的控制表达式（controlling expression）。循环每执行一次，都要对控制表达式求值。如果表达式为真（表达式的值非 0），那么循环继续执行；否则，退出循环。

C 提供了三种迭代语句：

  • while 语句
  • do 语句（do while 语句）
  • for 语句

其中以 for 语句最为常用。

本节后面还会讨论循环相关的 C 语言特性。如 break，continue，goto语句

一 while 语句

1. while 的基本用法

while 的基本格式如下：

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while(控制表达式){
    循环体
}

执行 while 语句时，首先计算控制表达式的值。如果值不为零，那么执行循环体，接着再次判定 控制表达式的真值，如果为真，再次执行循环体。直到控制表达式的真值为假，才会结束 while 语句。

例1-1： 倒计数程序

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int i = 10;
while(i > 0){
    printf("%d\n", i);
    i--;
}

关于这个例子，我们可以对 while 进行深度思考：

  • while 循环终止时，控制表达式的值一定为假。

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    int i = 10;
    while(i > 0){
        printf("%d\n", i);
        i--;
    }
    printf("%d", i); // i is now 0

  • 可能根本不执行 while 循环体。

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    int i = 0;
    while(i > 0){
        printf("%d\n", i);
        i--;
    }
    // Nothing is printed.

  • while 语句常有多种写法

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    int i = 10;
    while(i > 0){
        printf("%d\n", i--); // 将 i-- 写在 printf 内，简化循环
    }

2. 无限循环

如果控制表达式的值始终非零，while 循环将无法终止。

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while(1){
    printf("Hello World\n");
}

除非循环体内有控制循环的语句（break，return，goto）或者调用了导致程序终止的函数，非则上面的循环永远不会结束。

程序 1：显示平方表

现编写一个程序来显示平方表。首先程序提示用户输入一个数 n，然后显示出 n 行的输出，每行包含 一个 1 ~ n 的数及其平方值。

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This program prints a table of squares.
Enter number of entries in table: 5
    1	1
    2	4
    3	9
    4	16
    5	25

参考答案：

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#include<stdio.h>

int main(void){
    
    int n;
    int i = 1;
    
    printf("This program prints a table of squares.\n");
    printf("Enter number of entries in table: ");
    scanf("%d", &n);
    
    while(i <= n){
        printf("\t%d\t%d\n", i, i * i);
        i++;
    }
    
    return 0;
}

程序 2：数列求和

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This program sums a series of integers.
Enter integers(0 to terminate):8 23 71 5 0
The sum is:107

参考答案：

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#include<stdio.h>

int main(void){
    
    int n, sum = 0;
    
    printf("This program sums a series of integers.\n");
    printf("Enter integers(0 to terminate): ");
    
    scanf("%d", &n); 
    while(n != 0){
        sum += n;
        scanf("%d", &n); 
    }
    
    printf("The sum is:%d\n", sum);
    
    return 0;
}

我写的，仅供参考：

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#include<stdio.h>

int main(void){
    
    int n, sum = 0;
    
    printf("This program sums a series of integers.\n");
    printf("Enter integers(0 to terminate): ");
    
    while(scanf("%d", &n) && n){
        sum += n;
    }
    
    printf("The sum is:%d\n", sum);
    
    return 0;
}

或者 while 循环可以这样写：

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int n = 1, sum = 0;

while(n != 0){
    scanf("%d", &n);
    sum += n;
}

二 do 语句

1. do while 基本用法

do 语句 和 while 语句其实本质上是相同的。只不过 do 语句至少会执行一次循环体。

基本形式：

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do{
    循环体
}while(控制表达式);

例2-1倒计数程序

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int i = 10;
do{
    printf("%d\n", i);
    i--;
}while(i > 0);

顺便一提，do 语句最好都加上花括号。

虽然 do while 没有 while 语句使用的那么多，但是前者对于至少需要执行一次的循环来说是十分方便的。

程序 3：编写一个程序计算用户输入的整数的位数

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Enter a integer: 60
The number has 2 digit(s).

参考答案：

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#include<stdio.h>

int main(void){
    
    int n, count = 0;
    
    printf("Enter a nonnegative integer:");
    scanf("%d", &n);
    
    do{
        count++;
        n /= 10; // 除法 10 的次数就是 n 的位数
    }while(n != 0);
    
    printf("The number has %d digit(s).\n", count);
    
    return 0;
}

如果我们用 while 循环:

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while(n != 0){
    count++;
    n /= 10;
}

如果你输入的是 0 ，这个循环会直接退出。这不符合我们的预期，0 也是整数啊，而且它有 1 位数。

三 for 循环

现在开始介绍 C 语言最后一种循环，也是功能最强大的一种循环：for 语句。它是我们用的最多的一种循环，一定要熟练掌握。

1. for 语句的基本用法

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for(表达式1; 表达式2; 表达式3){
    循环体
}

例3-1 倒计数程序

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

在执行上面这个 for 语句时，i 先初始化为 10；然后判定 i 是否大于 0 ；如果结果为真，执行循环体；然后对变量 i 进行自减操作；然后再次判断 i 是否大于 0 … 直到最后一次 i 自减后，i > 0 不成立了，退出循环。

for 循环如果我们用 while 语句 也可以模拟：

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i = 10;
while(i > 0){
    printf("%d\n", i);
    i--;
}

抽象一下即为：

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表达式1;
while(表达式2){
    循环体;
    表达式3;
}

for 循环中的 i-- 可以写成 --i 吗？

即：

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

这种做法对循环没有任何影响。i++ 和 i-- 在 for 循环的 表达式3 中是完全等价的。

2. 在 for 语句中省略表达式

1.省略第一个表达式

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

注意：

  • 省略第一个表达式相当于不初始化 i
  • 即便 第一个表达式省略了，也不能省略后面的分号

2. 省略第三个表达式

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

3. 省略第一个和第三个表达式

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

是不是很像我们的 while 语句？

4. 省略第二个表达式

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for (; ;) {
	printf("Hello\n");
}

省去控制表达式，默认为真，因此 for 语句会不断循环下去。

它相当于：

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while (1) {
	printf("Hello\n");
}

3. C99 中的 for 语句

C99 中第一个表达式可以替换成一个声明：

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for(int i = 0; i < 10; i++){
    
}

变量 i 不需要在该句之前进行声明。事实上，如果变量 i 在之前已经声明了，这个语句会创建一个新的 i 且该值仅用于循环内。（新的 i 会覆盖之前的 i 。for 语句的花括号相当于一个块，新 i 的作用域仅在这个块内。）

例如：

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int main(void) {
	
	int i = 20;

	for (int i = 0; i < 10; i++) {
		printf("%d\n", i);
	}
	// 循环结束新的 i 应该等于 10
    
	printf("%d\n", i);

	return 0;
}

输出：

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0
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20

最后输出的 20 不符合我们的预期，这说明了一个问题：

旧的 i 始终存在，只不过在 for 语句内，新的 i 相对旧的 i 显“显性”（可以用高中生物的基因来理解一下；或者你就理解为覆盖，但是新的 i 开辟的是新的内存，它不会真的覆盖旧的 i ）。

for 语句声明的变量不可以在循环外访问（生存期仅在 for 语句内）。例如：

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

printf("%d\n", i);// 在这里编译会报错，"未定义标识符 i"

让 for 语句声明自己的循环控制变量通常是一个好办法：这样方便且程序的可读性更强，但是如果在 for 循环退出后还要使用该变量，则只能使用以前的 for 语句格式。

另外，for 语句可以声明多个变量，只要它们的类型相同：

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for(int i = 0, j = 10; i < j; i++, j--){
    
}

4. 逗号表达式

逗号表达式（comma expression）

基本用法
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表达式1,表达式2,表达式3,...,表达式n;
  • 逗号表达式的优先级低于所有其他运算符
  • 从左向右依次执行：先计算表达式1，然后是表达式2 …
  • 最终整个逗号表达式的值为最后一个表达式的值

例如：

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i = 1, j = 2, k = i + j;

相当于是：

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((i = 1), (j = 2), (k = i + j));

整个逗号表达式的值为 k = i + j 的值，也就是 3

应用

假如在进入 for 语句时希望初始化两个变量

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sum = 0;
for(i = 1; i <= N; i++){
    sum += i;
}

改写为：

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for(sum = 0, i = 1; i <= N; i++){
    sum += i;
}

程序 4：显示平方表（for）

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#include<stdio.h>

int main(void){
    
    int n;
    
    printf("This program prints a table of squares.\n");
    printf("Enter number of entries in table: ");
    scanf("%d", &n);
    
    for(int i = 1; i <= n; i++){
        printf("\t%d\t%d\n", i, i * i);
    }
  
    return 0;
}

程序 5：不用乘法，实现程序“显示平方表”

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#include<stdio.h>

int main(void){
    
    int n;
    
    printf("This program prints a table of squares.\n");
    printf("Enter number of entries in table: ");
    scanf("%d", &n);
    
  for(int i = 1, square = 1, odd = 3; i <= n; i++){
      printf("\t%d\t%d\n", i, square);
      square += odd;
      odd += 2;
  }
  
    return 0;
}

5. Nested for loop 💥 ❗️ ❗

for loop的嵌套运用尤为突出，请各位同学掌握！📝

输出以下4×5的矩阵
1 2 3 4 5
2 4 6 8 10
3 6 9 12 15
4 8 12 16 20

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#include <stdio.h>
int main()
{
	int i,j,n=0;
	for(i=1;i<=4;i++)
		for(j=1;j<=5;j++,n++)		//n用来累计输出数据的个数
		{	if(n%5==0) printf("\n");	//控制在输出5个数据后换行
		
			printf("%d\t",i*j);
		}  
	printf("\n");    
	return 0;
}

本程序包括一个双重循环，是for循环的嵌套。外循环变量i由1变到4，用来控制输出4行数据;内循环变量j由1变到5，用来控制输出每行中的5个数据。

四 退出循环

有时，循环还没有结束，但我们需要在循环的中间设置退出点，甚至可能需要对循环设置多个退出点。break 语句可以满足这种需求。

continue 语句用来跳过某次迭代的部分内容，但是不会跳过整个循环。

goto 语句允许程序从一条语句直接跳到另一条语句。

1. break 语句

break 语句不但可以把程序控制从 switch 语句中转移出来；还可以用于跳出 while，do while，和 for 循环。

程序 6：判断素数

假如要编写一个程序判断 n 是否为素数。我们计划是编写一个 for 语句用 n 除以 2 到 n - 1 之间的所有数。一旦发现有约数就跳出循环，没不需要继续尝试下去。循环终止后，可以用 if 判断循环是提前终止（不是素数）还是正常终止（是素数）。

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#include<stdio.h>

int main(void){
    
    int n, i;
    
    printf("Enter a number:");
    scanf("%d", &n);
    
    for(i = 2; i < n; i++){
        if(n % i == 0){
            break;
        }
    }
    
  	if(i < n){
          printf("%d is not a prime\n", n);
    }else{
          printf("%d is a prime\n", n);
    }
    
    return 0;
}

程序 7：程序2 重写

程序 2 中，要求我们当用户输入 0 时，结束求和。我们用很多中方法去实现了，我们可以用 break 语句让程序的意图更加直观。

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#include<stdio.h>

int main(void){
    
    int n, sum = 0;
    
    printf("This program sums a series of integers.\n");
    printf("Enter integers(0 to terminate): ");
    
    
    while(1){
        scanf("%d", &n); 
        if(n == 0){
            break;
        }else{
            sum += n;
        }
    }
    
    printf("The sum is:%d\n", sum);
    
    return 0;
}

一个 break 只能跳出一个循环，如果循环嵌套，那么可能需要多个 break 才能从里层的循环跳出。

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int i;
while(1){
    for(i = 1; i < 10; i++){
        if(i == 5){
            printf("%d\n", i);
            break;
        }
    }
}

运行一下这个程序，发现，屏幕上一直在输出 5，说明外层的循环没有跳出。

2. continue 语句

break 语句刚好将程序控制转移到循环体的末尾之后；而 continue 语句刚好将程序控制转移到循环体末尾之前。

break 语句会跳出循环；而 continue 语句会将程序控制留在循环体之内。

其实 continue 的作用就是跳过本次循环点剩下内容，重新开始下一轮循环。

程序 8：计算奇数和

编写一个程序。先提示用户输入一个数 n，然后将 1 ~ n 的所有奇数相加，然后输出最终的和

不使用 continue

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#include<stdio.h>

int main(void){
    
    int n, sum = 0;
    
    printf("Enter a number:");
    scanf("%d", &n);
    
    for(int i = 1; i <= n; i++){
        if(i % 2 != 0){
            sum += i;
        }
    }
    
    printf("Sum of odds is :%d\n", sum);
    
    return 0;
}

使用 continue

只需要改变 for 循环即可

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for(int i = 1; i <=n; i++){
    if(i % 2 == 0){
        continue;
    }
    sum += i;
}

3. goto 语句

break 和 continue 语句都是跳转语句：它们可以把控制从程序的一个位置转移到另一个位置。然而，这两者都是受限制的。

goto 语句则可以跳转到函数中任何有标号的语句处。（C99 增加了一条限制：goto 不能用于绕过变长数组（后面的章节会讲）的声明。）

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标识符：语句;
goto 标识符;

goto 语句在早期的编程语言中很常见，但是日常 C 语言编程却很少使用它了。break，continue，return 语句（本质上都是受限制的goto 语句）和 exit 函数足以应付大多数需要使用 goto 的情况。

而且 goto 语句不建议滥用，能不用就不用，因为 goto 语句可以打乱程序原本的执行顺序，这大大降低了程序的可读性，提高了改错成本。

但是 goto 语句偶尔还是有用的，比如上面的例子：循环嵌套的情况，使用goto 语句就很好跳出多重循环了：

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int i;
while(1){
    for(i = 1; i < 10; i++){
        if(i == 5){
            printf("%d\n", i);
            goto find;
        }
    }
}
find:

程序：账薄结算

这个程序帮你理解一种简单的交互式程序设计，我们可以通过这种方式设计菜单。

题目：

开发一个程序用来维护账簿的余额。程序将为用户提供选择菜单：清空余额账户，向账户存钱，从账户取钱，显示当前余额，退出程序。选项用 0，1，2，3，4表示。程序的会话类似这样：

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**** ACME checkbook-balancing program ****
Comands: 0 = clear, 1 = credit, 2 = debit, 3 = balance, 4 = exit

Enter command: 1
Enter amount of credit: 1042.56
Enter command: 2
Enter amount of debit : 133.56
Enter command: 3
Current balance: 909
Ener command: 4
Goodbye~

参考程序：

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#include<stdio.h>

int main(void) {

	double balance = 0; // 余额
	double credit, debit;

	// 菜单，形式可以自己设计，尽量美观一点嘛，不过不用纠结这种界面，不要舍本逐末。

	printf("**** ACME checkbook-balancing program ****\n");
	printf("     Comands:                             \n");
	printf("             0 = clear                    \n");
	printf("             1 = credit                   \n");
	printf("             2 = debit                    \n");
	printf("             3 = balance                  \n");
	printf("             4 = exit                     \n");

	// 题目中已经规定了这些功能用 0，1，2，3，4 代替，其实是想让我们用 switch
	// 如果你想用 if else 也完全 ok

	// 死循环让用户可以重复选择
	while (1) {
		int choice;
		printf("Enter command: ");
		scanf("%d", &choice);
		
		switch (choice) {
					
					// 清除账户是一种很“危险”的举动，可以让用户确认一次

			case 0:	printf("Are you sure to clear your balance?\n");
					printf("1 = yes, 0 = no\n");
					int isClear;
					scanf("%d", &isClear);
					if (isClear == 1) {
						balance = 0;
						printf("clear successfully!\n");
					}					
					break;
			
			case 1: printf("Enter amount of credit: ");
					scanf("%lf", &credit);
					balance += credit;
					break;
			
			case 2: printf("Enter amount of debit : ");
					scanf("%lf", &debit);
					balance -= debit;
					break;

			case 3: printf("Current balance: %.2f\n", balance);
					break;
					
			case 4: printf("Are you sure to quit?\n");
					printf("1 = yes, 0 = no\n");
					int isQuit;
					scanf("%d", &isQuit);
					if (isQuit == 1) {
						printf("Goodbye~\n");
						return 0;
					}
					else {
						break;
					}
			default: printf("Illeagl option!\n");
					 break;
		}
	}
}

五 空语句

1
i = 0; ; j = 1;

第二个语句就是一个空语句：除了末尾的分号，什么符号也没有。

空语句主要有一个好处：编写空循环体的循环。

判断素数的循环我们可以这样改写：

1
2
for(d = 2; d <= n && n % d != 0; d++) 
    ;

注意不要写成：

1
for(d = 2; d <= n && n % d != 0; d++) ;

程序员习惯将空语句单独放在一行，否则，一般人阅读程序时可能会混淆后面的语句是否是其循环体。

1
2
3
for(d = 2; d <= n && n % d != 0; d++) ;
if(d < n)
    printf("%d is divisible by %d", n, d);

一般情况下，将普通循环转化为带空循环体的语句不会提高效率，但是会让程序更加简洁。

但是在一些情况下，可能带空循环体的循环会更加高效。如：读取字符数据时（后面会讲）。

空语句可能会造成的情况

1.if 语句

1
2
if(d == 0);
	printf("Error: division by zero\n");

如果输入的 d 不是 0，后面的这条消息一样会被打印。

2.while 语句

1
2
3
4
5
i = 10;
while(i > 0);{
    printf("%d\n", i);
    i--;
}

程序会进入死循环，因为 while 没有循环体，而 i 的的值不会减小。

1
2
3
4
5
i = 11;
while(--i > 0);{
    printf("%d\n", i);
    i--;
}

循环终止，但是花括号内的语句只被执行一次。

输出：0

3. for 语句

1
2
for(i = 10; i > 0; i--);
	printf("%d\n", i);

printf 语句被执行一次

输出：0

参考资料：《C Primer Plus》《C语言程序设计：现代方法》

  1. 用100个函数操作一个数据结构比仅用10个函数但是操作10个不同的数据结构要好。Epigrams on Programming 编程警句 ↩

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