循环

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：

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

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。

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。

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

while 语句常有多种写法

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。

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。

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：

#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

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：

#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：

#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：

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：

do{
    循环体
}while(控制表达式);

例2-1倒计数程序

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

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

参考答案：

#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:

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

for(表达式1; 表达式2; 表达式3){
    循环体
}

例3-1 倒计数程序

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 ；因为结果为真，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：

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

抽象一下即为：

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：

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

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

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

3. 省略第一个和第三个表达式

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

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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

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：

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

相当于是：

((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

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

改写为：

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

程序 4：显示平方表（for）

#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”

#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;
}

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）。

#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。

#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。

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

#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

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。）

标识符：语句;
goto 标识符;

程序：程序 6 重写

#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){
            goto done;
        }
    }
    done:
  	if(i < n){
          printf("%d is not a prime\n", n);
    }else{
          printf("%d is a prime\n", n);
    }
    
    return 0;
}

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。（这里程序圆是有切身体会的，大一做C语言的课设的时候，那时候对 C 掌握的并不是很好。我在一个函数内大量的使用 goto 语句，导致我最后都不知道我的 goto 跳到哪里了。）

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：

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：

**** 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：

#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

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：

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

注意不要写成：

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。

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

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

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。

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

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

08-循环

循环

目录

循环

一 while 语句

1. while 的基本用法

2. 无限循环

程序 1：显示平方表

程序 2：数列求和

二 do 语句

1. do while 基本用法

程序 3：编写一个程序计算用户输入的整数的位数

三 for 循环

1. for 语句的基本用法

2. 在 for 语句中省略表达式

3. C99 中的 for 语句

4. 逗号表达式

基本用法

应用

程序 4：显示平方表（for）

程序 5：不用乘法，实现程序“显示平方表”

四退出循环

1. break 语句

程序 6：判断素数

程序 7：程序2 重写

2. continue 语句

程序 8：计算奇数和

3. goto 语句

程序：程序 6 重写

程序：账薄结算

五空语句

空语句可能会造成的情况

循环

目录

循环

一 while 语句

1. while 的基本用法

2. 无限循环

程序 1：显示平方表

程序 2：数列求和

二 do 语句

1. do while 基本用法

程序 3：编写一个程序计算用户输入的整数的位数

三 for 循环

1. for 语句的基本用法

2. 在 for 语句中省略表达式

3. C99 中的 for 语句

4. 逗号表达式

基本用法

应用

程序 4：显示平方表（for）

程序 5：不用乘法，实现程序“显示平方表”

四 退出循环

1. break 语句

程序 6：判断素数

程序 7：程序2 重写

2. continue 语句

程序 8：计算奇数和

3. goto 语句

程序：程序 6 重写

程序：账薄结算

五 空语句

空语句可能会造成的情况

四退出循环

五空语句