【C语言入门教程】3.4 循环控制语句

循环结构又称重复结构，是程序的 种基本结构之一。它反复执行循环体内的代码，解决需要大量重复处理的问题。循环结构由循环控制语句实现，其中内建有条件控制语句，用来判读是否继续执行循环操作。C 语言提供了 while 语句、do-while 语句、for 语句 3 种基本的循环控制语句，并且可以相互嵌套使用。

3.4.1 while 语句

while 语句是“当”型循环控制语句，即在条件满足时执行循环体，否则跳过或跳出循环体。while 语句的一般形式为：

while (条件表达式) { 循环体; }

如下例所示，求阶乘 n! 的结果：

int n = 1, p;			// 声明整型变量 n 和 p，n 用于控制步进，p 用于保存操作数
double s = 1;			// 声明双精度变量 s, s用于保存计算结果
printf("请输入操作数 (1 - 170)：");	// 输出操作提示信息
scanf("%d", &p);		// 获取操作数，保存到变量 p 中
while (n <= p)		   // 当步进值不大于操作数时，执行循环体
{
	s *= n++;			// 将上一次的计算结果 s 与 步长值 n 相乘，并保存新的计算结果到 s，计算完成后步进值 n 自增
}

printf("\n阶乘 n = %d 的结果为：%fd \n", p, s);	// 输出操作结果

上例使用循环控制语句进行阶乘操作，while语句中的表达式用于判断当前阶乘的步进值是否大于输入的操作数。如果不大于则继续进行运算，否则结束循环。

提示：阶乘（factorial）是基斯顿.卡曼（1760 - 1826）于1808年发明的运算符号。阶乘指从 1 乘以 2 乘以 3 乘以 4 一直乘到所要求的数。例如操作数是 4，则阶乘式是 1 x 2 x 3 x4，得到的结果是 24，24就是 4 的阶乘。阶乘的计算会产生相当巨大的结果，在 C 语言的基本数据类型中字长最大的 double 型，也只能保存 170!的运算结果。当然，有很多方法可以保存更大的阶乘结果，有兴趣的可以探索这一问题。

3.4.2 do-while 语句

在 C语言中，“直到” 型循环是 do-while 语句，一般的形式为：

do { 循环体 } while { 条件表达式 }

与 while 语句的区别是，while 是先判读条件表达式再去执行循环体，而 do-whie 语句是先执行循环体再判读条件表达式。也就是说，do-while 语句会首先将循环体执行一次，再判断是否应该结束循环。例如计算 sin(x) 的值算法是“x - x3/3! + x5/5! - x7/7(......)”直到最后一项小于 1e-7 时为止，可用下例代码描述：

#include <stuio.h>
#include <math.h>				// 加入数学函数库，以提供幂运算函数 fabs()

int main()
{
	double s, t, x;				// 定义双精度型变量 s、t、x，其中 s 保存计算结果，t 表示下一项的结果，x 表示操作数

	int n;						// n表示公式中的 幂
	printf("请输入 x 的值：");
	scanf("%lf", &x);			// 获取操作数
	t = x;						// 使 t 的值等于 x，得到公式中的第一项的值
	n = 1;						// 初始化幂数 n 为 1
 	s = x;						// 将第一项的结果保存到结果 s 中

	do
	{
		n += 2;
		t *= (-x * x) / ((float)(n) - 1) / (float) (n);
		s += t;
	}
	while (fabs(t) >= le-7);

	printf("\nsin(%f) = %lf\n", x, s);

	return 0;
}

上例中，使用循环控制语句依次将公式中的每一项加入结果中，从上一项推算当前项的结果只用将上一项乘以因子(x2)/((n-1) * n)，即代码第 16 行所示。函数fabs()由头文件 math.h提供，作用是取绝对值。当输入 x 的值为 1.5753时，运算结果为 0.999 990。

3.4.3 for 语句

for 语句使用于可预知执行次数的循环控制结构，是 C 语言中最常用的循环控制语句。for 语句的一般形式为：

for (<表达式1>; <表达式2>; <表达式3>) { 循环体 }

表达式1 用于为控制变量赋初始值，表达式2用于放置循环控制条件的逻辑表达式，表达式3用于改变变量的值。这种结构能明确地展现循环控制结构中的 3 个重要组成部分，即控制变量的初始值、循环条件 和 控制变量 的改变。如计算自然数数列 1 至 n 的平方和，可用下列代码描述：

int i, p;
double s = 0;
printf("请输入操作数：\n");
scanf("%d", &p);

for (i = 1; i <= p; i++)
{
	s += (double) i * (double) i;
}

printf("自然数 1 至 %d 平方和为：%lf\n", p, s);

for语句的 3个表达式都可以省略，或者放置在 for 语句的参数集合外，但不能省略表达式之间的分号，否则会造成语法错误。

注意：在编写循环结构的程序时，如果循环控制条件不能有效地结束，就会出现死循环，这是程序员经常会碰到的问题。含有死循环的代码能被编译器编译，但运行该程序会造成循环体无休止地被执行，消耗系统资源，严重的会造成系统死机。Linux系统针对死循环有良好的控制机制，不会让一个进程无休止地占据所有CPU资源，从而避免死机现象。当然，死循环在某些情况下存在是合理的，例如硬件驱动程序，通信程序和设备控制程序中，都需要用死循环反复无休止地处理某些问题。while(1) 和 for(;;) 常被生成死循环。

3.4.4 break 与 continue 语句

如果需要在循环体的执行过程中结束某一轮循环，或者直接跳出循环，可以使用 break 或  continue 语句。

break 语句的作用是立即结束当前循环并跳出循环体。下例用一个有趣的计算题说明该语句的使用方法，一只蜗牛顺着葡萄架向上爬，葡萄架高 11 米，蜗牛每天白天可以向上爬 3 米，但晚上会滑下来 1 米，问该蜗牛几天能够爬到葡萄架的顶端，程序代码如下：

int i = 1, s = 0;			// 定义变量 i 和 s，表示天数，s 表示已爬上的高度
const int h = 11;			// 定义常量 h，h 表示总高
const int up_move = 3;		// 定义常量 up_move，up_move 表示每天爬上的高度
const int down_move = 1;	// 定义常量 down_move，down_move 表示每天滑下的高度

while (s <= h)				// 当 s 不大于 h 时，执行循环体
{
	s += up_move;			// 将已爬上的高度加上当天爬上的高度
	if (s >= h)		 	   // 判读已爬上的高度是否不小于总高度
	{
		break;				// 结束当前循环，并跳出循环体
	}
	s -= down_move;			// 将已爬上的高度减去当天滑下的高度
	i++;					// 天数自增
}
printf("蜗牛需要 %d 天爬到葡萄架顶\n", i);	// 输出结果

上例的计算结果是 5，每天蜗牛实际向上爬上了 2 米。但是到了第 5 天，距离葡萄架顶只有 3 米，所以蜗牛可以一次爬上去。当前循环在 break 语句后的循环体代码都不会被执行。

continue 语句的作用是结束本轮循环，当前循环的循环体在 continue 后的代码不被执行，但并不跳出循环结构，而是立即开始新一轮的循环。如下例所示：

int n1 = 1, nm = 100;			// 定义查找范围
int i, j, flag;					// 定义循环控制变量
if (n1 == 1 || n1 == 2)			// 处理素数 2
{
	printf("%4d", 2);			// 输出素数 2
	n1 = 3;						// 将查找范围移动到 2 以后
}

for (i = n1; i <= nm; i++)
{
	if (!(i % 2))
	{
		continue;		// 如果当前的数能被 2 整除，则结束该轮循环，该数不是素数
	}

	for (flag = 1, j = 3; flag && j < i / 2; j += 2)	// 从 3 开始遍历至 i x 1/2，每次步进 2
	{
		if (!(i % j))
		{
			flag = 0;		// 若能整除，则不是素数
		}
	}

	if (flag)
	{
		printf("%4d", i);	// 如果是素数，则输出该数
	}
}

上例使用了双层循环结构来解决问题，第一层循环用于遍历定义域内的每个数，第二层循环判读该数是否是素数。continue 和 break 一样，只能影响所处的那层循环。