9. C 语言 循环控制结构详解

前言

在 C 语言中，循环是一种非常重要的控制结构，它允许程序员重复执行一段代码，直到满足某个条件。使用循环，我们可以避免编写大量重复的代码，使程序更加简洁、高效。本文将详细介绍 C 语言中的三种主要循环结构：while 循环、for 循环、do...while 循环，并结合具体实例，帮助你理解它们的使用方式、特点和实际应用场景。

1. C 语言中的循环结构

1.1 while 循环

while 循环是最基本的循环结构，它首先检查循环条件，如果条件为真，则执行循环体内的代码，并在每次执行完后再次检查条件。如果条件为假，循环终止。

基本语法：

while (条件) {
    // 循环体
}

示例：求 1 到 100 的奇数和

#include <stdio.h>

int main() {
    int sum = 0;
    int num = 1; // 从 1 开始

    while (num <= 100) {
        sum += num;
        num += 2;  // 每次增加 2，得到下一个奇数
    }
    
    printf("1 到 100 的奇数和为: %d\n", sum);
    return 0;
}

在这个例子中，while 循环从 1 开始，每次加 2，直到达到 100 为止。每次加的数字是奇数，所以最终计算的是奇数的和。

1.2 for 循环

for 循环是一种更加简洁和常见的循环结构。它通常用于已知循环次数的场景。for 循环在一行内定义了初始化、循环条件、以及循环体内的更新步骤，简化了代码的管理。

基本语法：

for (初始化; 条件; 更新) {
    // 循环体
}

示例：求 1 到 100 的偶数和

#include <stdio.h>

int main() {
    int sum = 0;

    for (int num = 2; num <= 100; num += 2) {
        sum += num;
    }
    
    printf("1 到 100 的偶数和为: %d\n", sum);
    return 0;
}

在这个例子中，for 循环从 2 开始，每次加 2，直到 100。这个循环简洁地计算了 1 到 100 之间偶数的和。

1.3 do...while 循环

do...while 循环与 while 循环的主要区别在于它首先执行循环体，然后再检查条件。这意味着无论条件是否为真，循环体至少会执行一次。

基本语法：

do {
    // 循环体
} while (条件);

示例：用 do...while 求平方根

#include <stdio.h>

double DoSqrt(double z) {
    double a = 1, b = 0, c = 0;

    do {
        if (b * b < z) {
            b += a;
        } else {
            c = b;
            b -= a;
            a /= 10;
        }
    } while (a > 0.000001);  // 继续直到精度满足要求

    return (b + c) / 2;
}

int main() {
    double x, y;
    printf("请输入一个数字:");
    scanf("%lf", &x);

    if (x < 0) {
        printf("输入错误。\n");
    } else {
        y = DoSqrt(x);
        printf("%g 的平方根为: %g.\n", x, y);
    }

    return 0;
}

在这个例子中，do...while 循环用于计算数字的平方根。由于我们至少需要执行一次平方根的计算，所以使用了 do...while 循环。

1.4 无限循环

有时，我们希望循环永不停止，直到手动中断。一个典型的无限循环就是没有条件的 for 循环：

for(;;) {
    // 无限执行的代码
}

例如：

#include <stdio.h>

int main() {
    for(;;) {
        printf("该循环会永远执行下去！\n");
    }
    return 0;
}

当条件为空时，for 循环会默认条件为真，因此会无限执行，直到我们通过外部操作（如按 Ctrl + C）中断程序。

2. 循环控制语句

除了常规的循环结构，C 语言还提供了一些控制语句，允许我们在循环中更灵活地控制执行流：

2.1 break 语句

break 语句用于立即终止循环（或 switch 语句）。当程序执行到 break 语句时，循环会停止，并且程序会继续执行循环之后的代码。

示例：使用 break 提前退出循环

#include <stdio.h>

int main() {
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
        if (i == 5) {
            break;  // 当 i 等于 5 时，退出循环
        }
        printf("%d ", i);
    }
    return 0;
}

在这个例子中，循环会输出 1 2 3 4，因为当 i 等于 5 时，break 语句会终止循环。

2.2 continue 语句

continue 语句用于跳过当前循环的剩余部分，并直接开始下一次循环。当程序遇到 continue 语句时，它会停止当前迭代，立即进入下一次循环的判断阶段。

示例：使用 continue 输出 100 到 200 之间不能被 3 整除的数字

#include <stdio.h>

int main() {
    for (int n = 100; n <= 200; n++) {
        if (n % 3 == 0) {
            continue;  // 如果 n 能被 3 整除，跳过当前循环
        }
        printf("%d ", n);
    }
    return 0;
}

此程序会输出 100 到 200 之间所有不能被 3 整除的数字。每次 n % 3 == 0 时，continue 会跳过当前循环，继续检查下一个数字。

2.3 goto 语句

goto 语句可以将程序控制流跳转到标记的位置。虽然它在某些特定场景下可能有用，但它的使用会使得程序的结构混乱，因此不推荐在大多数情况下使用 goto 语句。

示例：使用 goto 跳转

#include <stdio.h>

int main() {
    int num = 0;
    start:  // 标签
    printf("请输入一个正数：");
    scanf("%d", &num);
    if (num <= 0) {
        printf("输入无效，请重新输入。\n");
        goto start;  // 如果输入无效，跳转到 start 标签
    }
    printf("您输入的正数是: %d\n", num);
    return 0;
}

在这个例子中，goto 用于实现一种简单的输入验证机制。虽然可以工作，但这种方式不如 while 循环更简洁和清晰。

3. 总结

循环结构是 C 语言中的基础且强大的控制结构，它使得我们能够有效地执行重复的任务。掌握 while、for 和 do...while 循环的使用，可以使你更高效地处理各种问题。除了基本的循环结构外，循环控制语句如 break、continue 和 goto 提供了更灵活的执行方式，但它们需要谨慎使用，以保持代码的清晰和可维护性。

• while 循环适用于事先不知道循环次数的场景；
• for 循环适用于已知循环次数或需要特定步骤增量的场景；
• do...while 循环确保至少执行一次循环体。

了解并掌握这些循环结构的应用，能够让你写出更加高效和优雅的 C 语言程序。