Linux C编程一站式学习笔记6

Posted 2023-01-27 临风而眠

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux C编程一站式学习笔记6相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

Linux C编程一站式学习笔记 chap6 循环结构

文章目录

Linux C编程一站式学习笔记 chap6 循环结构
一.while语句
二.do/while语句
三.for语句
四.break和continue语句
- 习题
五.嵌套循环
- 练习
六.goto语句和标号
相关资源、参考资料

一.while语句

我们回顾一下用递归求n!的方法，其实每次递归调用都在重复做同样一件事，就是把n乘到(n-1)!上然后把结果返回。虽说是重复，但每次做都稍微有一点区别（n的值不一样），这种每次都有一点区别的重复工作称为迭代（Iteration）。虽然迭代用递归来做就够了，但C语言提供了循环语句使迭代程序写起来更方便。

之前的factorial用while语句可以写成

int factorial(int n)

    int result = 1;
    while (n > 0) 
        result = result * n;
        n = n - 1;
    
    return result;

while语句由一个控制表达式和一个子语句组成，子语句可以是若干条语句组成的语句块

语句→while(控制表达式)语句
- 若控制表达式的值为真，子语句就被执行，然后再次测试控制表达式的值，如果还是真，就把子语句再执行一遍，再测试控制表达式的值…这种控制流程称为循环（Loop），子语句称为循环体
- 若某次测试控制表达式的值为假，就跳出循环执行后面的return语句
- 如果第一次测试控制表达式的值就是假，那么直接跳到return语句，循环体一次都不执行
变量result在这个循环中的作用是累加器**（Accumulator），把每次循环的中间结果累积起来，循环结束后得到的累积值就是最终结果，由于这个例子是用乘法来累积的，所以result的初值是1，如果用加法累积则result的初值应该是0。变量n是循环变量（Loop Variable）**，每次循环要改变它的值，在控制表达式中要测试它的值，这两点合起来起到控制循环次数的作用，在这个例子中n的值是递减的，也有些循环采用递增的循环变量。这个例子具有一定的典型性，累加器和循环变量这两种模式在循环中都很常见。

递归 VS 循环

递归能解决的问题用循环也能解决，但解决思路不同
- 用递归解决这个问题靠的是递推关系n!=n·(n-1)!
- 用循环解决这个问题则更像是把这个公式展开了：n!=n·(n-1)·(n-2)·…·3·2·1
把公式展开了理解会更直观一些，所以有些时候循环程序比递归程序更容易理解。但也有一些公式要展开是非常复杂的甚至是不可能的，反倒是递推关系更直观一些，这种情况下递归程序比循环程序更容易理解

函数式编程（Functional Programming） & 命令式编程（Imperative Programming）

之前的factorial递归的例子中，在整个递归调用过程中，虽然分配和释放了很多变量，但所有变量都只在初始化时赋值，没有任何变量的值发生过改变，这种思路称为函数式编程（Functional Programming）
而上面的循环程序则通过对n和result这两个变量多次赋值来达到同样的目的。这种思路称为命令式编程（Imperative Programming）
函数式编程的“函数”类似于数学函数的概念，C语言的函数可以有Side Effect，比如在一个函数中修改某个全局变量的值就是一种Side Effect。全局变量被多次赋值会给调试带来麻烦，如果一个函数体很长，控制流程很复杂，那么局部变量被多次赋值也会有同样的问题。
因此，不要以为“变量可以多次赋值”是天经地义的，有很多编程语言可以完全采用函数式编程的模式，避免Side Effect，例如LISP、Haskell、Erlang等。用C语言编程主要还是采用Imperative的模式，但要记住，给变量多次赋值时要格外小心，在代码中多次读写同一变量应该以一种一致的方式进行。所谓“一致的方式”是说应该有一套统一的规则，规定在一段代码中哪里会对某个变量赋值、哪里会读取它的值。

无限递归 & 无限循环

递归函数如果没写 base case，容易变成无穷递归，循环不注意的话也容易变成无限循环（Infinite Loop）或叫死循环。

例如前面这个例子

int factorial(int n)

    int result = 1;
    while (n > 0) 
        result = result * n;
        n = n - 1;
    
    return result;

若写成while(1) ... ，或者漏了n = n - 1，就变成了死循环

但有时候是否为死循环不是一目了然的
```
while (n != 1) 
	if (n % 2 == 0) 
		n = n / 2;
	 else 
		n = n * 3 + 1;
	
```
如果n为正整数，这个循环能跳出来吗？这个是著名的3x+1猜想

能找出不少例子，比如n一开始为7，最后得到1，但无论试多少个数也不能代替证明，这个循环有没有可能对某些正整数n是死循环呢？

习题

1、用循环解决第 3 节 “递归”的所有习题，体会递归和循环这两种不同的思路。

求两个正整数a和b的最大公约数（GCD，Greatest Common Divisor），使用Euclid算法
- 如果a除以b能整除，则最大公约数是b。
- 否则，最大公约数等于b和a%b的最大公约数
这个算是大一学的时候的经典问题了…

一开始想到的是这个最原始的，但是忘了审题hhh，Euclid算法
```
#include <stdio.h>
#include <math.h>

int GCD(int a, int b)

    int gcd = 1;
    int i;
    for (i = 1; i <= a && i <= b; i++)
    
        if (a % i == 0 && b % i == 0)
        
            gcd = i;
        
    
    return gcd;


// Driver program to test above function
int main()

    int a = 98, b = 56;
    printf("GCD of %d and %d is %d ", a, b, GCD(a, b));
    return 0;
```
记得大一的时候总是不确定控制表达式里面写什么,现在再来看看算法的描述：如果a除以b能整除，则最大公约数是b，否则，最大公约数等于b和a%b的最大公约数

要找到最大公约数，那就是余数为0啊，那么肯定是把余数作为控制条件

令 r = a % b，则 a = m * b + r

我们就引入三个变量，但是要迭代表示这个算法，所以注意变量身份的变化

a 除以 b ， b 除以（a%b)

也就是迭代的时候 b 取代了 a的位置，而 a%b 取代了 b的位置

所以是 r = a % b, a = b， b = r

如果a能整除b，那么r一开始就是0，a和b的最大公约数为b，b=r之后b也为0，于是退出循环，而要return 最大公约数，本该return b，但是b赋值给了a，所以return a

如果a不能整除b，那么就要经历数次迭代了，在最后一次的时候，r = a（是上一轮的b）% b（是上一轮的a%b）为0 ，赋值给b，b为0退出循环，而这一次，最大公约数就是b（上一轮的a%b），但是赋值给了a，所以return a
```
#include <stdio.h>
#include <math.h>

int GCD(int a, int b)

    //using euclid algorithm and for loops
    int r;
    while (b != 0)
    
        r = a % b;
        a = b;
        b = r;
    
    return a;


// Driver program to test above function
int main()

    int a = 98, b = 56;
    printf("GCD of %d and %d is %d ", a, b, GCD(a, b));
    return 0;
```

求Fibonacci数列的第n项，这个数列是这样定义的

fib(0)=1
fib(1)=1
fib(n)=fib(n-1)+fib(n-2)

一开始想到的是这个代码，是正确的，但是感觉写的一般般

需要注意的是for (i = 2; i <= n; i++)这里的循环次数，设置成2和n挺好理解的，从第二项要算到第n项

#include <stdio.h>
#include <math.h>

int Fibonacci(int n)

    if (n == 0 || n == 1)
    
        return 1;
    

    else
    
        int i;
        int f1 = 1;
        int f2 = 1;
        int f3;
        for (i = 2; i <= n; i++)
        
            f3 = f1 + f2;
            f2 = f1;
            f1 = f3;
        
        return f3;
    


int main()

    printf("%d ", Fibonacci(0));
    printf("%d ", Fibonacci(1));
    printf("%d ", Fibonacci(2));
    printf("%d ", Fibonacci(3));
    printf("%d ", Fibonacci(4));
    printf("%d ", Fibonacci(5));
    printf("%d ", Fibonacci(6));
    printf("%d ", Fibonacci(7));
    printf("%d ", Fibonacci(8));
    printf("%d ", Fibonacci(9));

2、编写程序数一下1到100的所有整数中出现多少次数字9。在写程序之前先把这些问题考虑清楚：

这个问题中的循环变量是什么？
这个问题中的累加器是什么？用加法还是用乘法累积？
在第 2 节 “if/else语句”的习题1写过取一个整数的个位和十位的表达式，这两个表达式怎样用到程序中？

循环变量就是用一个遍历1~100的变量
累加器就是次数，用加法

my code

#include <stdio.h>
#include <math.h>

int CountNine()

    int num = 0;
    int i;
    for(i=1; i<=100; i++)
    
        int s = i % 10; //个位
        int t = i / 10; //十位
        if(s == 9)
            num += 1;
        if(t == 9)
            num += 1;
    
    return num;


// Driver program to test above function
int main()

    printf("%d", CountNine());

答案20

要是把这题改一下，改成出现过9的数字的个数，答案是19，因为99里面重复统计一次，那就得稍微改改了

#include <stdio.h>

int main()

    int count = 0;
    int i;

    for (i = 1; i <= 100; i++)
    
        if (i % 10 == 9 || i / 10 == 9)
        
            count++;
        
    
    printf("%d", count);
    return 0;

欧几里得算法可视化

做上面练习的时候，感觉还是不直观，于是去搜谷歌：visualize euclid,果真搜到了！

有大佬在geogebra做了：https://www.geogebra.org/m/vwwezney

二.do/while语句

syntax:

语句 → do 语句 while (控制表达式);
while语句先测试控制表达式的值再执行循环体，而do/while语句先执行循环体再测试控制表达式的值。如果控制表达式的值一开始就是假，while语句的循环体一次都不执行，而do/while语句的循环体仍然要执行一次再跳出循环。

三.for语句

syntax：

for (控制表达式1; 控制表达式2; 控制表达式3) 语句

如果不考虑循环体中包含continue语句的情况，这个for循环等价于下面的while循环：
```
控制表达式1;
while (控制表达式2) 
	语句
	控制表达式3;
```
从这种等价形式来看，控制表达式1和3都可以为空，但控制表达式2是必不可少的，例如for (;1;) ...等价于while (1) ...死循环。C语言规定，如果控制表达式2为空，则认为控制表达式2的值为真，因此死循环也可以写成for (;;) ...。
++i,--i ,i++,i--
- ++称为前缀自增运算符（Prefix Increment Operator），类似地，--称为前缀自减运算符（Prefix Decrement Operator）[10]，--i相当于i = i - 1。如果把++i这个表达式看作一个函数调用，除了传入一个参数返回一个值（等于参数值加1）之外，还产生一个Side Effect，就是把变量i的值增加了1。
- i++和i--，为了和前缀运算符区别，这两个运算符称为后缀自增运算符（Postfix Increment Operator）和后缀自减运算符（Postfix Decrement Operator）。如果把i++这个表达式看作一个函数调用，传入一个参数返回一个值，返回值就等于参数值（而不是参数值加1），此外也产生一个Side Effect，就是把变量i的值增加了1，它和++i的区别就在于返回值不同。同理，--i返回减1之后的值，而i--返回减1之前的值，但这两个表达式都产生同样的Side Effect，就是把变量i的值减了1。
- 使用++、–运算符会使程序更加简洁，但也会影响程序的可读性
C99 的一种for循环写法

C99规定了一种新的for循环语法，在控制表达式1的位置可以有变量定义。例如上例的循环变量i可以只在for循环中定义：
```
int factorial(int n)

	int result = 1;
	for(int i = 1; i <= n; i++)
		result = result * i;
	return result;
```
如果这样定义，那么变量i只是for循环中的局部变量而不是整个函数的局部变量，相当于语句块中的局部变量，在循环结束后就不能再使用i这个变量了。这个程序用gcc编译要加上选项-std=c99。这种语法也是从C++借鉴的，考虑到兼容性不建议使用这种写法。

四.break和continue语句

前面学switch的时候第一次见到了break，用来跳出switch语句块，这个语句也可以用来跳出循环体。
continue语句也会终止当前循环，和break语句不同的是，continue语句终止当前循环后又回到循环体的开头准备执行下一次循环。
- 对于while循环和do/while循环，执行continue语句之后测试控制表达式，如果值为真则继续执行下一次循环；
- 对于for循环，执行continue语句之后首先计算控制表达式3，然后测试控制表达式2，如果值为真则继续执行下一次循环。例如下面的代码打印1到100之间的素数：
例 6.1. 求1-100的素数
```
#include <stdio.h>

int is_prime(int n)

	int i;
	for (i = 2; i < n; i++)
		if (n % i == 0)
			break;
	if (i == n)
		return 1;
	else
		return 0;


int main(void)

	int i;
	for (i = 1; i <= 100; i++) 
		if (!is_prime(i))
			continue;
		printf("%d\\n", i);
	
	return 0;
```
is_prime函数从2到n-1依次检查有没有能被n整除的数，如果有就说明n不是素数，立刻跳出循环而不执行i++。因此，如果n不是素数，则循环结束后i一定小于n，如果n是素数，则循环结束后i一定等于n。注意检查临界条件：2应该是素数，如果n是2，则循环体一次也不执行，但i的初值就是2，也等于n，在程序中也判定为素数。其实没有必要从2一直检查到n-1，只要从2检查到⌊sqrt(n)⌋，如果全都不能整除就足以证明n是素数了，请读者想一想为什么。
因为对称性：

Why do we check up to the square root of a number to determine if the number is prime?
- Sqrt：square root
在主程序中，从1到100依次检查每个数是不是素数，如果不是素数，并不直接跳出循环，而是i++后继续执行下一次循环，因此用continue语句。注意主程序的局部变量i和is_prime中的局部变量i是不同的两个变量，其实在调用is_prime函数时主程序的局部变量i和参数n的值相等。

习题

1、求素数这个程序只是为了说明break和continue的用法才这么写的，其实完全可以不用break和continue，请读者修改一下控制流程，去掉break和continue而保持功能不变。

my solution

#include <stdio.h>

int is_prime(int n)

    int i;
    int flag = 1; //1表示是素数
    for (i = 2; i < n; i++)
    
        if(n%i == 0)
        
            flag = 0; //0表示不是素数
        
    
    return flag;


int main(void)

    int i;
    for (i = 2; i <= 100; i++)
    
        if (is_prime(i))
            printf("%d\\n", i);
    
    return 0;

其实可以再简化，不需要flag，要记得return这个东西，比break还terminate得更彻底

#include <stdio.h>

int is_prime(int n)

    int i;
    for (i = 2; i < n; i++)
    
        if(n%i == 0)
        
            return 0;
        
    
    return 1;


int main(void)

    int i;
    for (i = 2; i <= 100; i++)
    
        if (is_prime(i))
            printf("%d\\n", i);
    
    return 0;

2、上一节讲过怎样把for循环改写成等价的while循环，但也提到如果循环体中有continue语句这两种形式就不等价了，想一想为什么不等价了？

for (控制表达式1; 控制表达式2; 控制表达式3) 语句

continue执行完后会执行for循环中的 控制表达式3

控制表达式1;
while (控制表达式2) 
	语句
	控制表达式3;

而while中遇到continue 会跳过控制表达式3

不过我寻思…while循环里，把continue写在控制表达式3的后面不就又等价了吗😝

五.嵌套循环

上一节求素数的例子中，在一个循环中调用is_prime函数，而那个函数里面又有个循环，其实这就是嵌套循环，如果全写在main函数里面就是这样👇

#include <stdio.h>

int main(void)

	int i, j;
	for (i = 1; i <= 100; i++) 
		for (j = 2; j < i; j++)
			if (i % j == 0)
				break;
		if (j == i)
			printf("%d\\n", i);
	
	return 0;

练习

打印乘法口诀表

1	
2	4	
3	6	9	
4	8	12	16	
5	10	15	20	25	
6	12	18	24	30	36	
7	14	21	28	35	42	49	
8	16	24	32	40	48	56	64	
9	18	27	36	45	54	63	72	81

my code

#include <stdio.h>

void PrintProduct()

    int i, j;
    for ( i = 1; i <= 9; i++)
    
        for (j= 1; j <= i; j++)
        
            printf("%d ", i * j);
        
        printf("\\n");
    


int main(void)

    PrintProduct();

编写函数diamond打印一个菱形。如果调用diamond(3, '*')则打印：

	*
*	*	*
	*

如果调用diamond(5, '+')则打印：

		+
	+	+	+
+	+	+	+	+
	+	+	+
		+

如果用偶数做参数则打印错误提示。

my code

#include <stdio.h>

/*
编写函数diamond打印一个菱形。如果调用diamond(3, '*')则打印：

    *
*	*	*
    *
如果调用diamond(5, '+')则打印：

        +
    +	+	+
+	+	+	+	+
    +	+	+
        +
如果用偶数做参数则打印错误提示。
using C language
*/

// 用于打印菱形
void diamond(int n, char c)

    int i, j, k;
    if (n % 2 == 0)
    
        printf("Error: n must be odd number");
        return;
    
    for (i = 0; i < n; i++)
    
        if (i < n / 2)
        
            for (j = 0; j < n / 2 - i; j++)
                printf("  ")Linux C编程一站式学习笔记1
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