青少年编程与数学 02-010 C++程序设计基础 14课题、控制结构

课题摘要: 本文主要介绍了C++语言的控制结构，包括顺序结构、选择结构和循环结构。顺序结构按代码顺序依次执行语句。选择结构通过if语句、if-else语句、if-else if-else语句和switch-case语句根据条件选择不同的执行路径。循环结构则通过for循环、while循环和do-while循环重复执行代码直到满足特定条件。此外，还介绍了break和continue等循环控制语句的使用方法。这些控制结构是实现复杂程序逻辑的基础，通过它们可以有效控制程序的执行流程。

C++语言的控制结构主要包括顺序结构、选择结构和循环结构。这些控制结构是程序设计的基础，通过它们可以实现复杂的程序逻辑。

一、顺序结构

（一）概念

顺序结构是最简单的控制结构，程序按照代码的书写顺序依次执行。在顺序结构中，每一条语句都是一次性顺序执行的，没有分支和循环。

（二）示例

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a = 10;  // 第一条语句，声明变量a并初始化为10
    int b = 20;  // 第二条语句，声明变量b并初始化为20
    int sum = a + b;  // 第三条语句，计算a和b的和
    cout << "The sum is: " << sum << endl;  // 第四条语句，输出结果
    return 0;
}

在这个例子中，程序先声明并初始化变量a和b，然后计算它们的和并存储在变量sum中，最后输出结果。整个过程按照代码的顺序依次执行，没有其他复杂的逻辑。

二、选择结构

（一）概念

选择结构允许程序根据条件选择不同的执行路径。C++中有多种选择结构，包括if语句、if - else语句、if - else if - else语句和switch - case语句。

（二）if语句

1. 基本形式

   • if语句的基本形式是：

     if (条件) {
         // 条件为真时执行的语句
     }
     

   • 例如：

     int score = 85;
     if (score >= 60) {
         cout << "Pass" << endl;
     }
     

     这里条件是score >= 60，如果条件为真（即分数大于等于60），则输出“Pass”。

2. 条件表达式

   • 条件表达式可以是关系表达式（如a > b）、逻辑表达式（如a > b && c < d）等。关系运算符有>、<、>=、<=、==、!=，逻辑运算符有&&（逻辑与）、||（逻辑或）、!（逻辑非）。

（三）if - else语句

1. 基本形式

   • if - else语句的形式是：

     if (条件) {
         // 条件为真时执行的语句
     } else {
         // 条件为假时执行的语句
     }
     

   • 例如：

     int score = 55;
     if (score >= 60) {
         cout << "Pass" << endl;
     } else {
         cout << "Fail" << endl;
     }
     

     这里如果分数大于等于60，输出“Pass”，否则输出“Fail”。

2. 嵌套if - else

   • 可以在if或else部分嵌套另一个if - else语句。例如：

     int score = 75;
     if (score >= 90) {
         cout << "A" << endl;
     } else if (score >= 80) {
         cout << "B" << endl;
     } else if (score >= 70) {
         cout << "C" << endl;
     } else if (score >= 60) {
         cout << "D" << endl;
     } else {
         cout << "F" << endl;
     }
     

     这段代码根据分数的不同范围输出不同的等级。

（四）switch - case语句

1. 基本形式

   • switch - case语句用于多分支选择，其形式是：

     switch (表达式) {
         case 常量1:
             // 与常量1匹配时执行的语句
             break;
         case 常量2:
             // 与常量2匹配时执行的语句
             break;
         ...
         default:
             // 以上所有情况都不匹配时执行的语句
     }
     

   • 例如：

     char grade = 'B';
     switch (grade) {
         case 'A':
             cout << "Excellent" << endl;
             break;
         case 'B':
             cout << "Good" << endl;
             break;
         case 'C':
             cout << "Average" << endl;
             break;
         case 'D':
             cout << "Poor" << endl;
             break;
         default:
             cout << "Invalid grade" << endl;
     }
     

     这里根据grade的值输出不同的评价。switch语句中的表达式通常是一个整型或字符型表达式，case后的常量必须是编译时可知的常量表达式。

2. 注意事项

   • 每个case后面的break语句用于终止switch语句的执行，防止代码“穿透”到下一个case。如果省略break，程序会继续执行下面的case语句，直到遇到break或switch语句结束。
   • default部分是可选的，用于处理所有未被case匹配的情况。

三、循环结构

（一）概念

循环结构允许程序重复执行一段代码，直到满足某个条件为止。C++中有三种主要的循环结构：for循环、while循环和do - while循环。

（二）for循环

1. 基本形式

   • for循环是最常用的循环结构之一，其形式是：

     for (初始化表达式; 循环条件; 更新表达式) {
         // 循环体
     }
     

   • 例如：

     for (int i = 0; i < 5; i++) {
         cout << i << " ";
     }
     

     这段代码会输出0 1 2 3 4。for循环的三个部分分别是：

     • 初始化表达式：在循环开始前执行一次，通常用于初始化循环变量（如int i = 0）。
     • 循环条件：在每次循环开始前进行判断，如果条件为真，则执行循环体；如果条件为假，则退出循环（如i < 5）。
     • 更新表达式：在每次循环体执行后进行更新，通常用于修改循环变量（如i++）。

2. 应用场景

   • for循环非常适合用于已知循环次数的情况，如遍历数组、集合等。例如，遍历一个数组并输出所有元素：

     int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
     int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);  // 计算数组元素个数
     for (int i = 0; i < n; i++) {
         cout << arr[i] << " ";
     }
     

（三）while循环

1. 基本形式

   • while循环的形式是：

     while (循环条件) {
         // 循环体
     }
     

   • 例如：

     int i = 0;
     while (i < 5) {
         cout << i << " ";
         i++;
     }
     

     这段代码也会输出0 1 2 3 4。while循环在每次循环开始前检查循环条件，如果条件为真，则执行循环体；如果条件为假，则退出循环。

2. 应用场景

   • while循环适用于循环次数不确定的情况。例如，读取输入直到遇到特定条件：

     int num;
     cout << "Enter numbers (enter -1 to stop):" << endl;
     while (cin >> num && num != -1) {
         cout << "You entered: " << num << endl;
     }
     

（四）do - while循环

1. 基本形式

   • do - while循环的形式是：

     do {
         // 循环体
     } while (循环条件);
     

   • 例如：

     int i = 0;
     do {
         cout << i << " ";
         i++;
     } while (i < 5);
     

     这段代码也会输出0 1 2 3 4。do - while循环的特点是循环体至少执行一次，然后在每次循环结束时检查循环条件，如果条件为真，则继续执行循环；如果条件为假，则退出循环。

2. 应用场景

   • do - while循环适用于需要至少执行一次操作的情况。例如，用户菜单的显示：

     char choice;
     do {
         cout << "Menu:" << endl;
         cout << "1. Option 1" << endl;
         cout << "2. Option 2" << endl;
         cout << "3. Exit" << endl;
         cout << "Enter your choice: ";
         cin >> choice;
         // 处理用户选择
     } while (choice != '3');
     

（五）循环控制语句

1. break语句

   • break语句用于终止最近的循环（for、while、do - while）或switch语句。例如：

     for (int i = 0; i < 10; i++) {
         if (i == 5) {
             break;  // 终止循环
         }
         cout << i << " ";
     }
     

     这段代码只会输出0 1 2 3 4，当i等于5时，break语句终止循环。

2. continue语句

   • continue语句用于跳过当前循环的剩余部分，直接进入下一次循环。例如：

     for (int i = 0; i < 10; i++) {
         if (i % 2 == 1) {
             continue;  // 跳过奇数
         }
         cout << i << " ";
     }
     

     这段代码只会输出0 2 4 6 8，当i为奇数时，continue语句跳过当前循环的剩余部分，直接进入下一次循环。

通过这些控制结构，可以实现复杂的程序逻辑，控制程序的执行流程。