第5
章
循环结
构
在程序设计中,很多实际问题有重复性操作或规律性操作的需求,因此需要重复执行某
些语句。循环结构作为结构化程序设计的3个基本结构之一,能够减少代码的重复书写,而
计算机的一大特点就是高速运算,能在短时间内完成大量有规律的重复性操作。
本章将对循环结构中的for循环、while循环和do…while循环进行介绍。
5.循环的相关概念
1
5.1
循环结构
1.
循环结构就是在某种条件成立时,反复执行某一组语句的结构。被反复执行的语句称
为循环体,控制循环操作的条件称为循环条件。循环结构有两种,一种是当型循环,一种是
直到型循环,它们的流程图分别如图5-1和图5-2所示。
图5-
1
当型循环结构图5-
2
直到型循环结构
当型循环是当循环条件P为真时,就执行循环体A;当循环条件P为假时,结束循环。
直到型循环是至少执行一次循环体A,然后再根据循环条件P决定是否继续循环。
可以看出,当型循环是先判断循环条件再决定是否循环,因此有可能一次循环也不执
行,而直到型循环至少执行一次循环体。循环结构中的for循环和while循环都属于当型循
环,do…while循环属于直到型循环。
为使循环体能被正常执行,在设计循环结构时必须考虑两个问题:
(1)循环次数是确定的还是不确定的? 如何为不确定次数的循环设置循环条件。
第5章循环结构
(2)每次循环时,循环体中的各项数据是不变的还是有规律性变化的? 如何把这种规
律性变化与循环的轮次建立起关联。
1.循环条件的设计
5.2
循环条件有两种设计方式:一种是按照循环次数设计,一种是按照终止条件设计,前者
用于循环次数确定的循环,后者用于循环次数不确定的循环。例如,类似“用户输入10 个学
生的成绩,计算他们的平均分”的问题就是能确定循环次数的(循环10 次), 而类似“用户输
入若干个学生的成绩,计算他们的平均分”的问题就是不能确定循环次数的(循环若干次)。
不过,这种无法确定循环次数的问题一定会给出终止循环的条件,如“当用户输入-1时,表
示输入结束”。
1.
按照循环次数设计
在能确定循环次数的程序设计中,需要用一个整型变量来计数循环轮次,这个变量称为
循环变量,约定俗成依次用循环变量i、j、k为不同层的循环计数循环轮次。编程时,要为循
环变量设置3个值:
(1)循环变量的初始值。
(2)循环变量的目标值。
(3)循环变量的递增/递减值(也称为步长)。
有了这3个值,就能确定循环次数。
假设要循环n次,可以把循环变量的初值设置为1,目标值设置为n,步长设置为+1 。
当然也可以反过来,初始值设置为n,目标值设置为1,步长设置为-1,不过人们通常更习惯
于正着计数。当然,如果随着循环轮次的增加,循环体里的数据会有规律性变化时,如何确
定循环变量的3个值就必须具体问题具体分析了。
2.
按照终止条件设计
在循环次数不确定的程序设计中,要根据要求设置相应的循环条件。题目给出的通常
是终止循环的条件,因此在编程时要取反处理,把终止条件变成循环条件。
例如,对于“用户输入若干个非负数,计算它们的和,当输入-1时,表示输入结束”,循
环条件就是“当输入不为-1时,进入循环求和”。
再如,对于“输入s,计算自然数数列前多少项之和刚好超过s,(”) 循环条件就是“当数列
项之和不超过s时,进入循环继续累加下一个数列值”。
5.3
循环体的设计
1.
循环体就是每次循环时要执行的语句,这些语句要用花括号括起来形成一个语句组,只
有当循环体是单条语句时,才可以省略花括号。
循环体可分为无变化规律的循环体和有变化规律的循环体两种。对于无变化规律的循
环体,只需把要进行循环的语句用花括号括起来即可。对于有变化规律的循环体,要找到变
新编C语言程序设计
化规律与循环轮次的关联,并在循环体的相关数据中使用这种关联。
例如,用(“) 户输入n,在屏幕上输出n个*”,循环体其实就是一条printf("*")语句,而用(“) 户输入n,在屏幕上输出自然数数列的前n个数”,每次输出的数值就是有变化规律的,
在设计循环体语句时,就需要考虑这种变化规律与循环轮次的关系。
本章将在5.7节编程实战中以数据统计(如求和、求平均值、求最值等)、特殊性质数的
判断(如素数、完数、水仙花数等)、字符处理(如分类统计、大小写互换等)、图形打印和穷举
等问题为例,介绍不同类型问题的循环体设计思路。
1.循环效率的分析
5.4
算法设计中有一个“高效性”的指标,分别从时间复杂度和空间复杂度上对算法的效率
进行分析。
1.
时间复杂度
时间复杂度用于估算算法的运行时间。假设CPU 在处理每个操作单元时消耗的时间
都是相同的,那么就可以根据算法的操作单元数量大致估计出算法的运行时间。假设算法
的问题规模为n,操作单元数量用函数f(n)来表示。如果随着问题规模n的增大,算法运行
时间的增长率与f(的增长率相同,就称它是时间复杂度,记为O(n)), 即时间复杂度是
f(n)的函数。
n) f(
如果不管n为多少,程序代码始终只执行一次,算法的时间复杂度就是O(1)。
如果n为多少,程序代码就大概运行多少次,算法的时间复杂度就是O(n)。
类似地,还有O(2)、O(n)、O(n)等时间复杂度,图53显示了5种时间复杂度
的对比。
nlognlog
图5-
3 5
种时间复杂度的对比
第5章 循环结构97
2.空间复杂度
空间复杂度是指一个算法在运行过程中占用存储空间大小的量度。它包括算法本身占
用的存储空间、算法的输入输出数据占用的存储空间和算法在运行过程中临时占用的存储
空间3部分。
(1)算法本身所占用的存储空间与算法的代码长度成正比,所以想减少这部分的存储
空间,就要编写出较短的算法。
(2)算法的输入输出数据所占用的存储空间是由要解决的问题决定的,不会随着算法
的不同而改变。
(3)算法在运行过程中临时占用的存储空间与算法的设计有关。如果算法只需要占用
少量的临时存储空间,并且这些空间不会随着问题规模的大小而改变,就是节省存储空间的
算法。与
时间复杂度类似,空间复杂度主要有O(1)、O(n)和O(n2)等。
5.2 for循环
for循环用于实现当型循环,使用方式非常灵活,它的一般形式为:
for(表达式1; 表达式2; 表达式3)
{
循环体;
}
其中,
图5-4 for循环的执行
过程示意图
(1)表达式1的作用是对循环变量设置初值,其他一些需要在循环开始前设置初值的
变量也可以在表达式1中进行初值的设置。可使用逗号表达式同时为多个变量赋初值,如
i=1,s=0。
(2)表达式2的作用是设置循环条件,当循环条件的结果
为真时进入循环。
(3)表达式3的作用是设置循环变量的步长,与表达式1
类似,可使用逗号表达式同时为多个变量设置步长。
(4)3 个表达式之间用分号进行间隔,且两个分号不可
省略。
(5)循环体要用花括号括起来,只有当循环体是单条语句
时,才可以省略花括号。
图5-4显示了for循环的执行过程。
可以发现:
(1)表达式1在整个循环过程只执行一次。因此,如果在
循环开始之前的语句中已对相关变量设置了初值,表达式1可
98 新编C语言程序设计
省略不写。
(2)循环体执行完毕后会先执行表达式3,然后再执行表达式2即循环条件的判断。因
此,如果循环体中已对循环变量的值进行了更新,表达式3可省略不写,或者说可以把表达
式3写进循环体。
(3)如果表达式2的结果为真就执行循环,否则就退出循环。事实上,表达式2也可以
省略不写,不过这就意味着循环条件始终为真,无法正常退出循环,这种情况被称为“死”循
环。为了避免“死”循环,当表达式2被省略时,必须在循环体内有终止循环的判断语句(参
见5.5节),也可以理解为把循环条件取反处理后,当作终止条件写进循环体。
以下列举了for循环的几种变体形式,读者们也可以写出其他的变体形式。
(1)
表达式1;
(for( ; 表达式2; 表达式3)
{
循环体;
}
(2)
表达式1;
for( ; 表达式2; )
{
循环体;
表达式3;
}
(3)
表达式1;
for( ; ; )
{
if(!表达式2) //将循环条件取反后转为终止条件
break; //break 用于退出它所在的循环
循环体;
表达式3;
}
例5-1 用户输入一个不超过20的正整数n和一个字符c,在一行中输出n个字符c。
例如用户输入6*,输出******。
【问题分析】
(1)循环次数是确定的吗?
是确定的。用户输入n,就执行n次循环,时间复杂度是O(n)。
(2)每次循环时,循环体中的内容有变化吗?
没有。每次循环的任务都是输出一个同样的字符。
第5章 循环结构99
(3)题目对n的取值范围作了说明,它的作用是方便编程者定义数据类型。通常情况
下,如果没有明确取值范围,整型用int,浮点型用float或double。
【程序设计】
int main()
{
int i, n;
char a;
scanf ("%d%*c%c",&n,&a); //%*c 用于跳过(虚读)数值和字符之间的分隔符
for(i=1;i<=n;i++) //for 循环的3 个表达式能很直观地呈现循环次数
printf( "%c",a);
return 0;
}
图5-5 例5-1的运行
结果示例
循环变量i的初值为1,每次循环后加1,如果i≤n,就继续
执行循环。显然,当变量i增加到比n大时就会退出循环,退出
循环时的i值是n+1。
程序的运行结果如图5-5所示。
注意
在C99标准中,允许在for循环的表达式1中临时定义循环变量,如:
for(int i=1;i<=n;i++)
{
循环体;
}
此时变量i的作用域只限于for循环体内,当循环结束后,变量i所占用的存储空间就
会被系统释放。
5.3 while循环
while循环用于实现当型循环,它的一般形式为:
表达式1;
while(表达式2)
{
循环体;
表达式3;
}
while循环与for循环无条件等价,只是各个表达式的位置不一样而已。
与for循环一样,循环体要用花括号括起来。
用while循环实现例5-1的程序如下。
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int main()
{
int i, n;
char a;
scanf("%d%*c%c",&n,&a);
i=1;
while(i<=n) //while 循环的3 个表达式位置与for 循环不同
{
printf("%c",a);
i++;
}
return 0;
}
5.4 do…while循环
do…while循环用于实现直到型循环,它的一般形式为:
表达式1;
do
{
循环体;
表达式3;
}while(表达式2);
注意while语句后面的分号不可缺少。
do…while循环是“先执行,后判断”,会至少执行一次循环体,而for循环与while循环
是“先判断,后执行”,有可能一次循环都不执行。
用do…while循环实现例5-1的程序如下。
int main()
{
int i, n;
char a;
scanf("%d%*c%c",&n,&a);
i=1;
do
{
printf("%c",a);
i++;
}while(i<=n); //不可缺少分号
return 0;
}
第5章 循环结构10 1
5.5 循环的跳转
有时,需要在满足某种条件时提前跳出循环,或者提前结束本轮循环,转而开始下一轮
循环,这时就需要使用break语句或continue语句实现程序的跳转。
1.break语句
break语句已在switch结构中得到应用,其作用是让程序跳出其所在的switch结构。
同理,在循环结构中使用break语句,也能起到让程序跳出其所在循环层的作用。在循环结
构中使用break语句时,一般会给出某个特定条件,当符合这个条件时,就提前退出循环。
不过,使用break语句会带来一个现实问题:程序既可以通过循环条件正常退出循环,
也可以通过特定条件提前退出循环,那怎么才能知道程序是正常退出循环,还是提前退出循
环的呢?
此处列举两种解决方法:
(1)在退出循环后,判断循环变量是否仍满足循环条件,如果满足,就说明程序是提前
退出循环的。
(2)设置一个标识及初值(如intflag=0),在提前退出时修改标识值(如flag=1)。循
环结束后,就可以根据标识值判断退出循环的方式。
2.continue语句
continue语句的作用是提前结束当前轮次的循环,转而执行下一轮循环。
可以想象现在正在举行“接力跑圈”的团队比赛,前一个队员跑完圈后,下一个队员接着
开始跑圈。如果规定只要有队员犯规,全队就结束比赛,就相当于使用了break语句;如果
规定犯规队员不再继续跑圈,转而由下一个队员开始跑圈时,就相当于使用了continue
语句。题
5-1 以下程序的运行结果是( )。
int main()
{
int a,b=1;
for(a=1; a<=30; a++)
{
if(b>7)
break;
a++;
if(b%3==1)
{
b+=3;
continue;
}
10 2 新编C语言程序设计
a++;
}
printf("a=%d,b=%d", a, b);
return 0;
}
A.a=31,b=46 B.a=7,b=10
C.a=31,b=31 D.a=10,b=10
【题目解析】
答案:B。
第一轮循环开始时,a=1,循环条件a<=30的结果为真,因此进入循环。由于此时的
b值为1,因此b>7的结果为假,不执行if语句块。接着执行a++,a值变为2。由于条件
表达式b%3==1的结果为真,因此执行if语句块。b+=3后b值变为4,随后的continue
语句提前结束了第一轮循环,转而执行表达式3,a++后a值变为3,并且仍满足a<=30
的循环条件,开始第二轮循环。
以此类推,b值会不断增加。当b值符合b>7时,执行break语句,退出循环。
问:有什么办法能在运行程序时查看每个变量值的变化?
(1)可以利用printf语句打印中间计算结果。
(2)可以利用IDE提供的调试工具。以Codeblocks为例,在调试之前先确定项目路径
和项目名称不含中文,然后按照图5-6~图5-8的顺序依次操作,就可以调试程序并查看变
量值。
图5-6 在要开始调试的代码行号后面单击,
生成红色断点,再次单击会取消断点
图5-7 单击调试工具栏的三角图标
或按F8快捷键开始调试
. 在需要开始调试的代码行号后面单击添加断点。
. 以调试方式运行程序,并打开Watches窗口。
. 在调试工具栏上选择需要的方式执行代码,并查看变量值的变化。
第5章 循环结构10 3
图5-8 根据需要单击相应图标执行代码,并查看Watches窗口中的变量
题5-2 以下程序的运行结果是( )。
int main()
{
int x=2;
while(x--)
printf("%d",x);
x=2;
while(--x);
printf("%d",x);
return 0;
}
A.100 B.101 C.-10 D.1010
【题目解析】
答案:A。
建议通过调试工具查看x的变化过程。
(1)先看第一个while循环。x的初值是2,循环条件x--是后自减1,因此x先参与
判断,结果为真,再自减1变为1后进入循环,输出1。此时循环尚未结束,因此要再次进入
循环条件的判断,x先参与判断,结果为真,再自减1变为0后进入循环,输出0。继续判断,
x为0,0代表逻辑假,不满足循环条件,再自减1后退出循环。可以发现,在退出循环时,x
值为-1。
(2)重新给x赋值为2后再看第二个while循环。细心的读者想必已发现while语句
后有分号,这个分号代表的是空语句,相当于
while(--x)
; //循环体是空语句