Сообщение на тему операторы цикла на языке си
Обновлено: 08.07.2024
Популярный в других языках программирования арифметический цикл в языке Си реализуется с помощью цикла for . Он выглядит следующим образом:
Инициализация выполняется один раз перед первой проверкой условия продолжения и первым выполнением тела цикла. Условие продолжения проверяется перед каждым выполнением тела цикла. Если условие истинно, то выполняется тело цикла, иначе цикл завершается. Итератор выполняется после каждого выполнения тела цикла (перед следующей проверкой условия продолжения).
Поскольку условие продолжения проверяется перед выполнением тела цикла, цикл for является, подобно циклу while , циклом с предусловием. Если условие продолжения не выполняется изначально, то тело цикла не выполняется ни разу, а это хорошо как с точки зрения надежности программы, так и с точки зрения простоты и эстетики (поскольку не нужно отдельно рассматривать исключительные случаи).
Рассмотрим пример суммирования массива с использованием цикла for :
Здесь целочисленная переменная i используется в качестве переменной цикла. В операторе инициализации переменной i присваивается значение 0 . Условием продолжения цикла является условие i . Итератор ++i увеличивает переменную i на единицу. Таким образом, переменная i последовательно принимает значения 0 , 1 , 2 . n-1 . Для каждого значения i выполняется тело цикла.
В большинстве других языков программирования арифметический цикл жестко связан с использованием переменной цикла, которая должна принимать значения из арифметической прогрессии. В Си это не так, здесь инициализация, условие продолжения и итератор могут быть произвольными выражениями, что обеспечивает гораздо большую гибкость программы. Конструкцию цикла for можно реализовать с помощью цикла while :
Например, фрагмент с суммированием массива реализуется с использованием цикла while следующим образом:
В принципе, конструкция цикла for не нужна: она реализуется с помощью цикла while , он проще и понятнее. Однако большинство программистов продолжают использовать цикл for . Связано это, скорее всего, с традицией и привычками, поскольку в более ранних языках программирования, например, в первых версиях Фортрана, арифметический цикл был основным, а цикл while приходилось реализовывать с помощью операторов if и goto .
Операция "запятая" и цикл for
в качестве инициализации и итератора можно использовать любые выражения, в частности, операцию присваивания = и операцию увеличения значения переменной на единицу ++ . Как быть, если необходимо выполнить несколько действий при инициализации или в итераторе? Можно, конечно, использовать цикл while , но любители цикла for поступают другим образом. Для этого язык Си предоставляет операцию " запятая ", которая позволяет объединить несколько выражений в одно. У операции " запятая " два аргумента, которые вычисляются последовательно слева направо. Результатом операции является последнее вычисленное, т.е. правое, значение. Пример:
Здесь при вычислении выражения в скобках сначала вычисляется первое подвыражение y = x+10 , в результате которого в y записывается значение 15 , значение первого подвыражения также равно 15 . Затем вычисляется стоящее после запятой второе подвыражение ++x , в результате чего значение x увеличивается и становится равным 6 , значение второго подвыражения также равно 6 . Значением операции " запятая " является значение второго подвыражения, т.е. 6 . В результате значение 6 присваивается переменной z .
Наличие операции " запятая " отражает эстетскую сторону первоначального варианта языка Cи 70-х годов XX века: в нем почти любая запись имела какой-то смысл. Позже программисты пришли к пониманию того, что надежность программы важнее краткости и изящества, и приняли более строгий ANSI -стандарт языка Си 1989 г., который несколько ограничил свободу творчества в области Си-программ.
Тем не менее, операцию " запятая " по-прежнему можно использовать в заголовке цикла for , когда нужно выполнить несколько действий при инициализации или в итераторе. Например, фрагмент суммирования массива
можно переписать следующим "эстетским" образом:
Здесь тело цикла вообще пустое, все действия вынесены в заголовок цикла! Лучше избегать такого стиля программирования: он ничего не добавляет в смысле эффективности готовой программы, но делает текст менее понятным и, таким образом, увеличивает вероятность ошибок.
Конструкции, которые лучше не использовать
В программировании предпочтительнее избегать решений эстетически красивых, но не очень понятных. На первый план в последнее время вышло требование надежности программы, поэтому из нескольких решений лучше выбирать более простое, по возможности сводящее к минимуму вероятность ошибок. Это предполагает также некоторое самоограничение свободы программиста.
Перечисленные ниже конструкции существуют в языке Си начиная с самых ранних версий. Тем не менее, без них можно обойтись, заменяя их другими конструкциями, которые потенциально более надежны.
Цикл do. while
Цикл do. while имеет вид
Действие лучше всегда обрамлять фигурными скобками, даже когда оно состоит только из одного оператора, например,
Цикл do. while является циклом с постусловием. Сначала выполняется тело цикла и только после этого проверяется условие продолжения цикла. Если условие истинно, то тело цикла повторяется, и так до бесконечности, пока условие не станет ложным. Таким образом, тело цикла выполняется всегда, даже если условие ложно с самого начала. Это является потенциальным источником ошибок. Лучше всегда использовать цикл с предусловием while (прежде чем прыгнуть, лучше сначала посмотреть, куда прыгаешь!).
Приведем пример ошибочного использования цикла do. while . Пусть переменная n содержит целое положительное число. Надо записать в целочисленную переменную p максимальную степень двойки, не превосходящую n . Ранее этот фрагмент уже был реализован с помощью цикла while (раздел 3.5.5):
Попытка использовать цикл do. while может привести к ошибке:
Программа работает неверно при n = 1 (в переменную p записывается двойка вместо единицы), поскольку тело цикла do. while всегда выполняется один раз независимо от истинности условия, которое проверяется лишь после выполнения тела цикла. Такого рода ошибки в "крайних" ситуациях наиболее опасны в программировании: программа правильно работает почти во всех ситуациях, кроме нескольких исключений. Но известно, что большинство катастроф происходит как раз в результате исключительного стечения обстоятельств!
Оператор switch (вычисляемый goto)
Оператор switch имеет следующий вид:
Выражение должно быть дискретного типа (целое число или указатель). Значения должны быть константами того же типа, что и выражение в заголовке. Оператор switch работает следующим образом:
- сначала вычисляется значение выражения в заголовке switch ;
- затем осуществляется переход на метку " case L :", где константа L совпадает с вычисленным значением выражения в заголовке;
- если такого значения нет среди меток внутри тела switch , то
- если есть метка " default :", то осуществляется переход на нее;
- если метка " default :" отсутствует, то ничего не происходит.
Подчеркнем, что после перехода на метку " case L :" текст программы выполняется последовательно. Например, при выполнении фрагмента программы
переменной k будет присвоено значение 8 , а не 4 . Дело в том, что при переходе на метку " case 2 :" будут выполнена сначала строка
Так же, как и в случае цикла, оператор break приводит к выходу из фигурных скобок, обрамляющих тело оператора switch . Приведенный фрагмент надо переписать следующим образом:
В результате выполнения этого фрагмента переменной k будет присвоено значение 4 . Если бы значение n равнялось 1 , то k было бы присвоено значение 2 , если n равнялось бы 3 , то 8 . Если n не равно ни 1 , ни 2 , ни 3 , то ничего не происходит.
Оператор switch иногда совершенно необосновано называют оператором выбора. На самом деле, для выбора следует использовать конструкцию if. else if.. ., см. раздел 3.5.3. Например, приведенный фрагмент лучше реализовать следующим образом:
Оператор switch по сути своей является оператором перехода goto с вычисляемой меткой. Ему присущи многие недостатки goto , например, проблемы с инициализацией локальных переменных при входе в блок. Кроме того, switch не позволяет записывать условия в виде логических выражений, что ограничивает сферу его применения. Рекомендуется никогда не использовать оператор switch : выбор в стиле if. else if.. . во всех отношениях лучше!
Рассмотрим третью алгоритмическую структуру — цикл.
Циклом называется блок кода, который для решения задачи требуется повторить несколько раз.
Каждый цикл состоит из
- блока проверки условия повторения цикла
- тела цикла
Цикл выполняется до тех пор, пока блок проверки условия возвращает истинное значение.
Тело цикла содержит последовательность операций, которая выполняется в случае истинного условия повторения цикла. После выполнения последней операции тела цикла снова выполняется операция проверки условия повторения цикла. Если это условие не выполняется, то будет выполнена операция, стоящая непосредственно после цикла в коде программы.
В языке Си следующие виды циклов:
- while — цикл с предусловием;
- do…while — цикл с постусловием;
- for — параметрический цикл (цикл с заданным числом повторений).
Цикл с предусловием while
Общая форма записи
Если Условие выполняется (выражение, проверяющее Условие , не равно нулю), то выполняется БлокОпераций , заключенный в фигурные скобки, затем Условие проверяется снова.
Последовательность действий, состоящая из проверки Условия и выполнения БлокаОпераций , повторяется до тех пор, пока выражение, проверяющее Условие , не станет ложным (равным нулю). При этом происходит выход из цикла, и производится выполнение операции, стоящей после оператора цикла.
Пример на Си : Посчитать сумму чисел от 1 до введенного k
Результат выполнения
При построении цикла while , в него необходимо включить конструкции, изменяющие величину проверяемого выражения так, чтобы в конце концов оно стало ложным (равным нулю). Иначе выполнение цикла будет осуществляться бесконечно (бесконечный цикл).
Пример бесконечного цикла
while — цикл с предусловием, поэтому вполне возможно, что тело цикла не будет выполнено ни разу если в момент первой проверки проверяемое условие окажется ложным.
Например, если в приведенном выше коде программы ввести k=-1, то получим результат
Цикл с постусловием do. while
Общая форма записи
Цикл do. while — это цикл с постусловием, где истинность выражения, проверяющего Условие проверяется после выполнения Блока Операций , заключенного в фигурные скобки. Тело цикла выполняется до тех пор, пока выражение, проверяющее Условие , не станет ложным, то есть тело цикла с постусловием выполнится хотя бы один раз.
Использовать цикл do. while лучше в тех случаях, когда должна быть выполнена хотя бы одна итерация, либо когда инициализация объектов, участвующих в проверке условия, происходит внутри тела цикла.
Пример на Си . Проверка, что пользователь ввел число от 0 до 10
Результат выполнения:
Параметрический цикл for
Общая форма записи
for — параметрический цикл (цикл с фиксированным числом повторений). Для организации такого цикла необходимо осуществить три операции:
- Инициализация - присваивание параметру цикла начального значения;
- Условие - проверка условия повторения цикла, чаще всего - сравнение величины параметра с некоторым граничным значением;
- Модификация - изменение значения параметра для следующего прохождения тела цикла.
Эти три операции записываются в скобках и разделяются точкой с запятой ; ;. Как правило, параметром цикла является целочисленная переменная.
Инициализация параметра осуществляется только один раз — когда цикл for начинает выполняться.
Проверка Условия повторения цикла осуществляется перед каждым возможным выполнением тела цикла. Когда выражение, проверяющее Условие становится ложным (равным нулю), цикл завершается. Модификация параметра осуществляется в конце каждого выполнения тела цикла. Параметр может как увеличиваться, так и уменьшаться.
Пример на Си : Посчитать сумму чисел от 1 до введенного k
Результат выполнения
В записи цикла for можно опустить одно или несколько выражений, но нельзя опускать точку с запятой, разделяющие три составляющие цикла.
Код предыдущего примера можно представить в виде
Параметры, находящиеся в выражениях в заголовке цикла можно изменить при выполнении операции в теле цикла, например
>
printf( "sum = %d\n" , sum); // вывод значения суммы
getchar(); getchar();
return 0;
>
В цикле for может использоваться операция запятая - , - для разделения нескольких выражений. Это позволяет включить в спецификацию цикла несколько инициализирующих или корректирующих выражений. Выражения, к которым применяется операция запятая, будут вычисляться слева направо.
Вложенные циклы
В Си допускаются вложенные циклы, то есть когда один цикл находится внутри другого:
for (i = 0; i // внешний цикл - Цикл1
<
for (j = 0; j // вложенный цикл - Цикл2
; // блок операций Цикла2
>
// блок операций Цикла1;
>
Пример : Вывести числа от 0 до 99, по 10 в каждой строке
Результат выполнения
Рекомендации по выбору цикла
При выборе цикла необходимо оценить необходимость проверки условия при входе в цикл или по завершении прохождения цикла.
Цикл с постусловием удобно применять в случаях, когда для проверки условия требуется вычислить значение выражения, которое затем будет размещено в теле цикла (см. выше пример ввода числа от 0 до 10).
Цикл c предусловием используется в случае если все переменные, участвующие в выражении, проверяющем условие, проинициализированы заранее, но точное число повторений цикла неизвестно или предполагается сложная модификация переменных, участвующих в формировании условия повторения цикла.
Если цикл ориентирован на работу с параметром, для которого заранее известно число повторений и шаг изменения, то более предпочтительным является параметрический цикл. Очень удобно использовать параметрический цикл при работе с массивами для перебора элементов.
Операторы прерывания и продолжения цикла break и continue
В теле любого цикла можно использовать операторы прерывания цикла - break и продолжения цикла - continue .
Оператор break позволяет выйти из цикла, не завершая его.
Оператор continue позволяет пропустить часть операторов тела цикла и начать новую итерацию.
Пример на Си : Вывести числа от 0 до 99 ниже главной диагонали
Пример на Си : Вывести числа от 0 до 99 исключая числа, оканчивающиеся на 5 или 8
Результат выполнения
При вложенных циклах действия операторов break и continue распространяется только на самую внутреннюю структуру, в которой они содержатся.
Оператор безусловного перехода goto
Общая форма записи
Выполнение оператора goto вызывает передачу управления в программе операции, помеченной Меткой . По сути Метка является идентификатором адреса операции, которой должно быть передано управление. Для отделения Метки от Операции используется двоеточие - : .
Метка может располагаться в программе как до оператора goto , так и после него. Имена Меток образуются по тем же правилам, что и имена переменных.
Пример на Си : Вывести все целые числа от 5 до 0.
Результат выполнения
Использование оператора goto в программах на Си без крайней необходимости не рекомендуется, поскольку это может повлечь за собой ряд ошибок, связанных с плохой читаемостью кода программы. Использование операторов цикла позволяет практически полностью исключить необходимость использования оператора goto .
В Си существуют все три типа операторов цикла: цикл с предусловием, цикл с постусловием и цикл с параметром.
Цикл с предусловием . Формат оператора цикла с предусловием:
while (выражение) оператор;
Цикл повторяет свое выполнение, пока значение выражения отлично от нуля, т. е. заключенное в нем условие цикла истинно.
В качестве примера использования оператора цикла рассмотрим программу вычисления факториала целого положительного числа N!. Сопоставим программу решения этой задачи, написанную на Си.
// Программа вычисления факториала
Обратите внимание на операторы в теле цикла. Конечно, и в Си-программе можно было написать два оператора присваивания, объединив их фигурными скобками. Однако использованный способ записи более лаконичен и более характерен для Си. Этот же самый оператор можно было записать еще короче: F*=i++
При практическом использовании этой программы не следует забывать, что факториал — очень быстро растущая функция, и поэтому при определенных значениях N выйдет из диапазона, соответствующего типу long int. Задав для переменной F тип unsigned long, можно сдвинуть эту границу, но этого может оказаться недостаточно. Предлагаем в качестве самостоятельного задания исследовать предельные значения N для двух указанных типов переменной F.
Интересно свойство следующего оператора:
Рассмотрим еще один пример использования оператора цикла while. Вернемся к задаче итерационного вычисления суммы гармонического ряда: 1 + 1/2 + 1/3 + . с заданной точностью ε. Снова сопоставим программу на С++.
П ри решении практических задач постоянно возникает необходимость в повторении действия заданное количество раз, или до достижения какого-либо условия. Например, вывести список всех пользователей, замостить плоскость текстурой, провести вычисления над каждым элементом массива данных и т.п. В си для этих целей используются три вида циклов: с предусловием, постусловием и цикл for со счётчиком (хотя, это условное название, потому что счётчика может и не быть).
Любой цикл состоит из тела и проверки условия, при котором этот цикл должен быть прекращён. Тело цикла - это тот набор инструкций, который необходимо повторять. Каждое повторение цикла называют итерацией.
Рассмотрим цикл с предусловием.
Этот цикл выполняется до тех пор, пока истинно условие, заданное после ключевого слова while. Тело цикла - это две строки, одна выводит число, вторая изменяет его. Очевидно, что этот цикл будет выполнен 10 раз и выведет на экран
0
1 2 3 и так далее до 9.
Очень важно, чтобы условие выхода из цикла когда-нибудь выполнилось, иначе произойдёт зацикливание, и программа не завершится. К примеру
В этом цикле не изменяется переменная i, которая служит для определения условия останова, поэтому цикл не завершится.
В этой программе цикл, конечно, завершится, но из-за неправильного действия он будет выполнен гораздо больше 10 раз. Так как си не следит за переполнением переменной, нужно будет ждать, пока переменная переполнится и станет меньше нуля.
У этого примера неопределённое поведение. Так как переменная i заранее не инициализирована, то она хранит мусор, заранее неизвестное значение. При различном содержимом переменной i будет меняться поведение.
Если тело цикла while содержит один оператор, то фигурные скобки можно опустить.
Здесь мы инкрементируем переменную i при вызове функции printf. Следует избегать такого стиля кодирования. Отсутствие фигурных скобок, особенно в начале обучения, может приводить к ошибкам. Кроме того, код читается хуже, да и лишние скобки не сильно раздувают листинги.
Циклы с постусловием.
Ц икл с постусловием отличается от цикла while тем, что условие в нём проверяется после выполнения цикла, то есть этот цикл будет повторён как минимум один раз (в отличие от цикла while, который может вообще не выполняться). Синтаксис цикла
Предыдущий пример с использованием цикла do будет выглядеть как
Давайте рассмотрим пример использования цикла с постусловием и предусловием. Пусть нам необходимо проинтегрировать функцию.
Интеграл - это сумма бесконечно малых. Мы можем представить интеграл как сумму, а бесконечно малые значения просто заменить маленькими значениями.
∫ a b f x d x = ∑ i = a b f i h
Из формулы видно, что мы на самом деле разбили площадь под графиком на множество прямоугольников, где высота прямоугольника - это значение функции в точке, а ширина - это наш шаг. Сложив площади всех прямоугольников, мы тем самым получим значение интеграла с некоторой погрешностью.
Пусть искомой функцией будет x 2 . Нам понадобятся следующие переменные. Во-первых, аккумулятор sum для хранения интеграла. Во-вторых, левая и правая границы a и b, в третьих - шаг h. Также нам понадобится текущее значение аргумента функции x.
Для нахождения интеграла необходимо пройти от a до b с некоторым шагом h, и прибавлять к сумме площадь прямоугольника со сторонами f(x) и h.
Программа выводит 0.328.
∫ 0 1 x 2 d x = x 3 3 | 0 1 = 1 3 ≈ 0.333
Если посмотреть на график, то видно, что каждый раз мы находим значение функции в левой точке. Поэтому такой метод численного интегрирования называют методом левых прямоугольников. Аналогично, можно взять правое значение. Тогда это будет метод правых прямоугольников.
Сумма в этом случае будет равна 0.338. Метод левых и правых прямоугольников не очень точен. Мы фактически аппроксимировали (приблизили) гладкий график монотонно возрастающей функции гистограммой. Если немного подумать, то аппроксимацию можно проводить не только суммируя прямоугольники, но и суммируя трапеции.
Приближение с помощью трапеций на самом деле является кусочной аппроксимацией кривыми первого порядка (ax+b). Мы соединяем точки на графике с помощью отрезков. Можно усложнить, соединяя точки не отрезками, а кусками параболы, тогда это будет метод Симпсона. Если ещё усложнить, то придём к сплайн интерполяции, но это уже другой, очень долгий разговор.
Вернёмся к нашим баранам. Рассмотрим 4 цикла.
Если выполнить эти примеры, то будет видно, что циклы выполняются от двух, до четырёх раз. На это стоит обратить внимание, потому что неверное изменение счётчика цикла часто приводит к ошибкам.
Часто случается, что нам необходимо выйти из цикла, не дожидаясь, пока будет поднят какой-то флаг, или значение переменной изменится. Для этих целей служит оператор break, который заставляет программу выйти из текущего цикла.
Давайте решим простую задачу. Пользователь вводит числа до тех пор, пока не будет введено число 0, после этого выводит самое большое из введённых. Здесь есть одна загвоздка. Сколько чисел введёт пользователь не известно. Поэтому мы создадим бесконечный цикл, а выходить из него будем с помощью оператора break. Внутри цикла мы будем получать от пользователя данные и выбирать максимальное число.
Напомню, что в си нет специального булевого типа. Вместо него используются числа. Ноль - это ложь, все остальные значения – это истина. Цикл while(1) будет выполняться бесконечно. Единственной точкой выхода из него является условие
В этом случае мы выходим из цикла с помощью break; Для начала в качестве максимального задаём 0. Пользователь вводит число, после чего мы проверяем, ноль это или нет. Если это не ноль, то сравниваем его с текущим максимальным.
Бесконечные циклы используются достаточно часто, так как не всегда заранее известны входные данные, либо они могут меняться во время работы программы.
Когда нам необходимо пропустить тело цикла, но при этом продолжить выполнение цикла, используется оператор continue. Простой пример: пользователь вводит десять чисел. Найти сумму всех положительных чисел, которые он ввёл.
Пример кажется несколько притянутым за уши, хотя в общем он отражает смысл оператора continue. В этом примере переменная positiveCnt является счётчиком положительных чисел, sum сумма, а input - временная переменная для ввода чисел.
Вот ещё один пример. Необходимо, чтобы пользователь ввёл целое число больше нуля и меньше 100. Пока необходимое число не будет введено, программа будет продолжать опрос.
Цикл for
О дним из самых используемых является цикл со счётчиком for. Его синтаксис
Например, выведем квадраты первых ста чисел.
Одним из замечательных моментов цикла for является то, что он может работать не только с целыми числами.
Этот цикл выведет числа от 5.3 до 0.1. Цикл for может не иметь некоторых "блоков" кода, например, может отсутствовать инициализация, проверка (тогда цикл становится бесконечным) или изменение счётчика. Вот пример с интегралом, реализованный с применением счётчика for
Давайте рассмотрим кусок кода
Его можно изменить так
Более того, используя оператор break, можно убрать условие и написать
кроме того, используя оператор ",", можно часть действий перенести
ЗАМЕЧАНИЕ: несмотря на то, что так можно делать, пожалуйста, не делайте так! Это ухудшает читаемость кода и приводит к трудноуловимым ошибкам.
Давайте решим какую-нибудь практическую задачу посложнее. Пусть у нас имеется функция f(x). Найдём максимум её производной на отрезке. Как найти производную функции численно? Очевидно, по определению). Производная функции в точке - это тангенс угла наклона касательной.
Рис. 5 Численное дифференцирование функции f x ′ = d x d y
Возьмём точку на кривой с координатами (x; f(x)), сдвинемся на шаг h вперёд, получим точку (x+h, f(x+h)), тогда производная будет
d x d y = f ( x + h ) - f x ( x + h - x ) = tg α
То есть, отношение малого приращения функции к малому приращению аргумента. Внимательный читатель может задать вопрос, почему мы двигаемся вперёд по функции, а не назад. Ну пойдёмте назад
Возьмём среднее от этих двух значений, получим
В общем-то теперь задача становится тривиальной: идём от точки a до точки b и находим минимальное значение производной, а также точку, в которой производная принимает это значение. Для решения нам понадобятся, как и в задаче с интегралом, переменные для границ области поиска a и b, текущее значение x и шаг h. Кроме того, необходимо максимальное значение maxVal и координата maxX этого максимального значения. Для работы возьмём функцию x • sin x
На выходе программа выдаёт max value = 1.391 at 1.077
Численное решение даёт такие же (с точностью до погрешности) результаты, что и наша программа.
Вложенные циклы
Рассмотрим пример, где циклы вложены друг в друга. Выведем таблицу умножения.
В этом примере в первый цикл по переменной i вложен второй цикл по переменной j. Последовательность действий такая: сначала мы входим в цикл по i, после этого для текущего i 10 раз подряд осуществляется вывод чисел. После этого необходимо перейти на новую строку. Теперь давайте выведем только элементы под главной диагональю
Как вы видите, оператор break позволяет выйти только из текущего цикла. Этот пример может быть переписан следующим образом
В данном случае мы используем во вложенном цикле счётчик первого цикла.
Всё ещё не понятно? – пиши вопросы на ящик
Читайте также: