5.3 循环结构
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在实际应用中，往往会遇到一行或几行代码需要执行多次的情况，这就是代码的循环。几乎所有的程序都包含循环，循环是重复执行的指令，重复次数由条件决定，这个条件称为循环条件，反复执行的程序段称为循环体。一个正常的循环程序具有4个基本要素，分别是循环变量初始化、循环条件、循环体和改变循环变量的值。典型的循环结构流程图如图5-16所示。
图5-16 循环结构流程图
5.3.1 循环结构类型
在C++语言中，为用户提供了4种循环结构类型，分别为while循环、do…while循环、for循环、嵌套循环，具体介绍如表5-2所示。
表5-2 循环结构类型
1．while循环
while循环根据循环条件的返回值来判断执行零次或多次循环体。当逻辑条件成立时，重复执行循环体，直到条件不成立时终止。while循环的语法格式如下：
while(表达式)
{
语句块;
}
在这里，语句块可以是一个单独的语句，也可以是几个语句组成的代码块。表达式可以是任意的表达式，表达式的值非零时条件取值为true，执行循环；否则，退出循环，程序流将继续执行紧接着循环的下一条语句。
while循环语句的执行流程图如图5-17所示。当遇到while循环时，首先计算表达式的返回值，当表达式的返回值为true时，执行一次循环体中的语句块；循环体中的语句块执行完后，将重新查看是否符合条件，若表达式的值还返回true将再次执行相同的代码，否则跳出循环。while循环的特点：先判断条件，后执行语句。
图5-17 while循环语句的执行流程图
【实例5.8】编写程序，实现100以内自然数的求和，即1+2+3+…+100，最后输出计算结果（源代码\ch05\5.8.txt）。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
/* 定义变量并初始化 */
int i=1,sum=0;
cout <<"100以内自然数求和："<<endl;
/* while 循环语句 */
while(i<=100)
{
sum+=i;
i /* 自增运算 */
}
cout <<"1+2+3+…+100="<<sum<<endl;
}
程序运行结果如图5-18所示。
图5-18 例5.8的程序运行结果
使用while循环语句时要注意以下几点。
（1）while语句中的表达式一般是关系表达式或逻辑表达式，只要表达式的值为真（非0）即可继续循环。
（2）循环体包含一条以上语句时，应用“{}”括起来，以复合语句的形式出现；否则，它只认为while后面的第1条语句是循环体。
（3）循环前，必须给循环控制变量赋初值，如上例中的“i=1;”。
（4）循环体中，必须有改变循环控制变量值的语句（使循环趋向结束的语句），如上例中的“i++;”，否则循环永远不结束，形成所谓的“死循环”。例如以下代码：
int i=1;
while(i<10)
printf("while语句注意事项");
因为i的值始终是1，也就是说，永远满足循环条件i<10，所以，程序将不断地输出“while语句注意事项”。要使循环不陷入死循环，必须要给出循环终止条件。
while循环之所以被称为有条件循环，是因为语句部分的执行要依赖于判断表达式中的条件。之所以说其是入口条件，是因为在进入循环体前必须满足这个条件。如果在第一次进入循环体时条件就没有被满足，程序将永远不会进入循环体。例如以下代码：
int i=11;
while(i<10)
printf("while语句注意事项");
因为i一开始就被赋值为11，不符合循环条件i<10，所以不会执行后面的输出语句。要使程序能够进入循环，必须给i赋比10小的初值。
【实例5.9】编写程序，求数列1/2、2/3、3/4……前20项的和，最后输出计算结果（源代码\ ch05\5.9.txt）。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{ int i; /*定义整型变量i用于存放整型数据*/
double sum=0; /*定义浮点型变量sum用于存放累加和*/
i=1; /*循环变量赋初值*/
while(i<=20) /*循环的终止条件是i<=20*/
{
sum=sum+i/(i+1.0); /*每次把新值加到sum中*/
i++; /*循环变量增值，此语句一定要有*/
}
cout <<"该数列前20项的和为:"<<sum<<endl;
}
程序运行结果如图5-19所示。本实例的数列可以写成通项式：n/(n+1)，n=1，2，…，20，n从1循环到20，计算每次得到当前项的值，然后加到sum中即可求出结果。
图5-19 例5.9的程序运行结果
☆大牛提醒☆
while后面不能直接加“;”。如果直接在while语句后面加了分号“;”，系统会认为循环体是空体，什么也不做。后面用“{}”括起来的部分将认为是while语句后面的下一条语句。
2．do…while循环
在C++语言中，do…while循环是在循环的尾部检查它的条件。do…while循环与while循环类似，但是也有区别。do…while循环和while循环的最主要区别如下。
（1）do…while循环是先执行循环体后判断循环条件，while循环是先判断循环条件后执行循环体。
（2）do…while循环的最小执行次数为1次，while循环的最小执行次数为0次。
do…while循环的语法格式如下：
do
{
语句块;
}
while(表达式);
这里的条件表达式出现在循环的尾部，所以循环中的语句块会在条件被测试前至少执行一次。如果条件为真，控制流会跳转回上面的do，然后重新执行循环中的语句块，直到给定条件变为假为止。do…while循环语句的执行流程图如图5-20所示。
图5-20 do…while循环语句的执行流程图
程序遇到关键字do会执行大括号内的语句块，语句块执行完毕，执行while关键字后的布尔表达式，如果表达式的返回值为true，则向上执行语句块，否则结束循环，开始执行while关键字后的程序代码。
使用do…while循环语句应注意以下几点。
do…while循环语句是先执行循环体语句，后判断循环终止条件，与while循环语句不同。两者的区别在于：当while后面表达式开始的值为0（假）时，while语句的循环体一次也不执行，而do…while语句的循环体至少要执行一次。
（1）在书写格式上，循环体部分要用“{}”括起来，即使只有一条语句也如此；do…while循环语句最后以分号结束。
（2）通常情况下，do…while循环语句是从后面控制表达式退出循环。但它也可以构成无限循环，此时要利用break语句或return语句直接从循环体内跳出循环。
【实例5.10】编写程序，实现100以内自然数的求和，即1+2+3+…+100，最后输出计算结果（源代码\ch05\5.10.txt）。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
/* 定义变量 */
int i=1,sum=0;
cout<<"100以内自然数求和："<<endl;
/* do…while循环语句 */
do
{
sum+=i;
i++;
}
while(i<=100);
cout<<"1+2+3+…+100="<<sum<<endl;
}
程序运行结果如图5-21所示。
图5-21 例5.10的程序运行结果
【实例5.11】编写程序，根据输入的两个数，计算两个数的最大公约数（源代码\ch05\5.11.txt）。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
int m,n,r,t;
int m1,n1;
cout<<"请输入第1个数:"<<endl;
cin>>m; /*由用户输入第1个数*/
cout<<"请输入第2个数:" <<endl;
cin>>n; /*由用户输入第2个数*/
m1=m;n1=n; /*保存原始数据供输出使用*/
if(m<n)
{t=m;m=n;n=t;} /*m和n交换值，m存放大值，n存放小值*/
do /*使用辗转相除法求得最大公约数*/
{
r=m%n;
m=n;
n=r;
}while(r!=0);
cout<<m1<<"和"<<n1<<"的最大公约数是"<<m<<endl;
}
保存并运行程序，从键盘上输入任意两个数，按Enter键，即可计算它们的最大公约数。程序运行结果如图5-22所示。
图5-22 例5.11的程序运行结果
在本实例中，求两个数最大公约数的具体方法如下。
（1）比较两数，并使m大于n。
（2）将m作为被除数，n作为除数，两数相除后，余数为r。
（3）将m←n，n←r。
（4）若r=0，则m为最大公约数，结束循环。若r≠0，执行步骤（2）和步骤（3）。
由于在求解过程中m和n已经发生了变化，因此要将它们保存在另外两个变量m1和n1中，以便输出时可以显示这两个原始数据。
如果要求两个数的最小公倍数，只需要将两个数相乘再除以最大公约数，即m1×n1/m即可。
3．for循环
for循环和while循环、do…while循环一样，可以循环重复执行一个语句块，直到指定的循环条件返回值为假。for循环的语法格式如下：
for(表达式1;表达式2;表达式3)
{
语句块;
}
其主要参数说明如下。
（1）表达式1为赋值语句，如果有多个赋值语句可以用逗号隔开，形成逗号表达式。此为循环四要素中的循环变量初始化。
（2）表达式2返回一个布尔值，用于检测循环条件是否成立。此为循环四要素中的循环条件。
（3）表达式3为赋值表达式，用来更新循环控制变量，以保证循环能正常终止，循环四要素中的改变循环变量的值。
for循环的执行过程如下。
（1）计算表达式1，为循环变量赋初值。
（2）计算表达式2，检查循环控制条件，若表达式2的值为true，则执行一次循环体语句；若为false，终止循环。
（3）执行完一次循环体语句后，计算表达式3，对循环变量进行增量或减量操作，再重复第2步操作，进行判断是否要继续循环。
使用for循环语句应注意以下几点。
（1）表达式1先被执行，且只会执行一次。这一步允许用户声明并初始化任何循环控制变量。用户也可以不在这里写任何语句，只要有一个分号出现即可。
（2）判断表达式2。如果为真，则执行循环主体。如果为假，则不执行循环主体，且控制流会跳转到紧接着for循环的下一条语句。
（3）在执行完for循环主体后，控制流会跳回表达式3语句。该语句允许用户更新循环控制变量，可以留空，只要在条件后有一个分号出现即可。
（4）最后条件再次被判断。如果为真，则执行循环，这个过程（循环主体，然后增加步值，再重新判断条件）会不断重复。在条件变为假时，for循环终止。
for循环语句的执行流程图如图5-23所示。
图5-23 for循环的语句的执行流程图
☆大牛提醒☆
C++语言不允许省略for语句中的3个表达式，否则会出现死循环现象。
【实例5.12】编写程序，实现100以内自然数的求和，并输出结果（源代码\ch05\5.12.txt）。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
/* 定义变量 */
int i,sum=0;
cout<<"100以内自然数求和："<<endl;
/* for循环语句 */
for(i=1;i<=100;i++)
{
sum+=i;
}
cout<<"1+2+3+…+100="<<sum<<endl;
}
程序运行结果如图5-24所示。
图5-24 例5.12的程序运行结果
☆大牛提醒☆
通过上述实例可以发现，while循环、do…while循环和for循环有很多相似之处，这三种循环都可以互换。
如果条件永远不为假，则循环将变成无限循环。for循环在传统意义上可用于实现无限循环。若构成for循环的三个表达式中任何一个都不是必需的，用户可以将某些条件表达式留空来构成一个无限循环。例如，下面一段代码。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
for( ; ; )
{
cout<<"该循环会永远执行下去！";
}
}
当条件表达式不存在时，它被假设为真。用户也可以设置一个初始值和增量表达式，但是一般情况下，C++程序员偏向于使用for( ; ; )结构来表示一个无限循环。
☆大牛提醒☆
按Ctrl+C键可以终止一个无限循环。
4．嵌套循环
在一个循环体内又包含另一个循环结构，称为嵌套循环。如果内嵌的循环中还包含循环语句，这种称为多层循环。while循环、do…while循环和for循环语句之间可以相互嵌套。
1）嵌套for循环
在C++语言中，嵌套for循环的语法格式如下：
for (表达式1;表达式2;表达式3)
{
语句块;
for (表达式1;表达式2;表达式3)
{
语句块;
…
}
…
}
嵌套for循环语句的执行流程图如图5-25所示。
图5-25 嵌套for循环语句的执行流程图
【实例5.13】编写程序，在屏幕上输出九九乘法表（源代码\ch05\5.13.txt）。
#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;
int main()
{
int i, j;
/* 外层循环，每循环1次，输出一行 */
for(i = 1; i <= 9; i++)
{
/* 内层循环，循环次数取决于i*/
for(j = 1; j <= i;j++)
{
cout << setw(2) << j << "*" << i << "=" <<setw(2) << i * j ;
}
cout << endl;
}
}
程序运行结果如图5-26所示。
图5-26 例5.13的程序运行结果
2）嵌套while循环
在C++语言中，嵌套while循环的语法格式如下：
while(条件1)
{
语句块;
while;(条件2)
{
语句块;
…
}
…
}
嵌套while循环语句的执行流程图如图5-27所示。
图5-27 嵌套while循环语句的执行流程图
【实例5.14】编写程序，在屏幕上输出由*组成的形状（源代码\ch05\5.14.txt）。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
int i = 1, j;
while (i <= 5)
{
j = 1;
while (j <= i)
{
cout <<"*" ;
j++;
}
cout << endl;
i++;
}
}
程序运行结果如图5-28所示。
图5-28 例5.14的程序运行结果
3）嵌套do…while循环
在C++语言中，嵌套do…while循环的语法格式如下：
do
{
语句块;
do
{
语句块;
…
}while (条件2);
…
}while (条件1);
嵌套do…while循环语句的执行流程图如图5-29所示。
图5-29 嵌套do…while循环语句的执行流程图
【实例5.15】编写程序，在屏幕上输出由*组成的形状（源代码\ch05\5.15.txt）。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
int i=1,j;
do
{
j=1;
do
{
cout<<"*";
j++;
}while(j <= i);
i++;
cout <<endl;
}while(i <= 5);
}
程序运行结果如图5-30所示。
图5-30 例5.15的程序运行结果
5.3.2 循环控制语句
循环控制语句可以改变代码的执行顺序，编程时利用这些语句可以实现代码的跳转。C++语言提供的循环控制语句有break语句、continue语句和goto语句等，如表5-3所示。
表5-3 C++语言中的循环控制语句
1．break语句
break语句只能应用在switch语句和循环语句中，如果出现在其他位置会引起编译错误。C++语言中break语句有以下两种用法。
（1）当break语句出现在一个循环内时，循环会立即终止，且程序流将继续执行紧接着循环的下一条语句。
（2）break语句可用于终止switch语句中的一个case。
☆大牛提醒☆
如果用户使用的是嵌套循环（即一个循环内嵌套另一个循环），break语句会停止执行最内层的循环，然后开始执行该语句块后的下一行代码。
C++语言中break语句的语法结构如下：
break;
break语句在程序中的应用流程图如图5-31所示。
图5-31 break语句应用流程图
break语句用在循环语句循环体内的作用是终止当前的循环语句。例如：
（1）无break语句
int sum=0, number;
cin>>number;
while (number !=0){
sum+=number;
cin>>number;
}
（2）有break语句
int sum=0, number;
while (1) {
cin>>number;
if(number==0)
break;
sum+=number;
}
以上这两段程序产生的效果是一样的。需要注意的是，break语句只是跳出当前的循环语句。对于嵌套的循环语句，break语句的功能是从内层循环跳到外层循环。例如：
int i=0, j, sum=0;
while(i<10) {
for( j=0; j<10; j++) {
sum+=i+j;
if(j==i) break;
}
i++;
}
本例中的break语句执行后，程序立即终止for循环语句，并转向for循环语句的下一个语句（即while循环体中的i++语句），继续执行while循环语句。
【实例5.16】编写程序，使用while循环输出10～20的整数变量a。注意在内循环中，当输出到15时，使用break语句跳出循环（源代码\ch05\5.16.txt）。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
/*局部变量定义*/
int a =10;
/*while循环执行*/
while(a<20)
{
cout<<"a的值："<<a<<endl;
a++;
if(a>15)
{
/*使用break语句终止循环*/
break;
}
}
}
程序运行结果如图5-32所示。
图5-32 例5.16的程序运行结果
☆大牛提醒☆
在嵌套循环中，break语句只能跳出离自己最近的那一层循环。
2．continue语句
C++语言中的continue语句有点像break语句。但它不是强制终止，continue会跳过当前循环中的代码，强迫开始下一次循环。对于for循环，continue语句执行后自增语句仍然会执行。对于while循环和do…while循环，continue语句重新执行条件判断语句。
C++语言中continue语句的语法结构如下：
continue;
continue语句在程序中的应用流程图如图5-33所示。
图5-33 continue语句应用流程图
通常情况下，continue语句总是与if语句联系在一起，用来加速循环。假设continue语句用于while循环语句，要求在某个条件下跳出本次循环，一般形式如下：
while(表达式1) {
…
if(表达式2) {
continue;
}
…
}
这种形式和前面介绍的break语句用于循环的形式十分相似，两者的区别是：continue只终止本次循环，继续执行下一次循环，而不是终止整个循环；break语句则是终止整个循环过程，不会再去判断循环条件是否还满足。在循环体中，continue语句被执行后，其后面的语句均不再执行。
【实例5.17】编写程序，输出100～120所有不能被3和7同时整除的整数（源代码\ch05\ 5.17.txt）。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{ int i,n=0; /*n计数*/
for(i=100;i<=120;i++)
{
if(i%3==0&&i%7==0) /*如果能同时整除3和7，不打印*/
{
continue; /*结束本次循环未执行的语句，继续下次判断*/
}
cout <<"\t" << i;
n++;
if(n%5==0) /*5个数输出一行*/
cout <<endl;
}
}
程序运行结果如图5-34所示。可以看出，输出的这些数值不能同时被3和7整除，并且每5个数输出一行。
图5-34 例5.17的程序运行结果
在本实例中，只有当i的值能同时被3和7整除时，才执行continue语句，跳过后面的语句，直接判断循环条件i<=120，再进行下一次循环；只有当i的值不能同时被3和7整除时，才执行后面的语句。
一般来说，它的功能可以用单个的if语句代替。如本例可改为：
if(i%3==0&&i%7==0) /*如果能同时整除3和7，不打印*/
{
printf("%d\t",i);
}
这样编写比用continue语句更清晰，又不用增加嵌套深度。因此，如果能用if语句，就尽量不要用continue语句。
3．goto语句
C++语言中的goto语句允许程序无条件地转移到同一函数体内被标记的语句。goto是“跳转到”的意思，也就是说，使用它可以跳转到另一个加上指定标签的语句。goto语句的语法结构如下：
goto [标签];
…
[标签]:语句块;
在这里，标签可以是任何除C++关键字以外的纯文本，可以设置在程序中goto语句的前面或者后面。例如，使用goto语句实现跳转到指定语句的代码如下。
int i = 0;
goto a;
i = 1;
a : printf("%d",i);
以上代码的含义是，第一行定义变量i，第二行跳转到标签为a的语句，接下来就输出i的结果。可以看出，第三行是无意义的，因为没有被执行，跳过去了，所以输出的值是0，而不是1。
goto语句在程序中的应用流程图如图5-35所示。
图5-35 goto语句应用流程图
☆大牛提醒☆
goto语句并不是一定要跳转到后面的语句，也就是说，goto语句还可以跳到前面去执行。
【实例5.18】编写程序，实现100以内自然数的求和，即1+2+3+…+100，最后输出计算结果（源代码\ch05\5.18.txt）。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
int i,sum=0;
i=1;
loop: if(i<=100) /*标记loop标签*/
{
sum=sum+i;
i++;
goto loop; /*如果i的值不大于100，则转到loop标签处开始执行程序*/
}
cout<<"1+2+3+…+100="<<sum<<endl;
}
程序运行结果如图5-36所示，即可显示1～100整数之和。
图5-36 例5.18的程序运行结果
☆大牛提醒☆
在任何编程语言中，都不建议使用goto语句。因为它会使程序的控制流难以跟踪，使程序难以理解和难以修改，所以原使用goto语句的程序尽量改写成不需要使用goto语句的方式。