- C++程序设计基础（上）
- 周霭如 林伟健编著
- 1136字
- 2020-08-28 09:48:04
第2章 程序控制结构
语句是程序的基本语法成分。程序设计语言的语句按功能可以分成三类：说明语句、操作语句和控制语句。
说明语句不是执行语句。说明语句有两个作用：一是用于定义，例如，变量说明语句用于定义变量名并指示编译器分配内存，类型说明语句用于定义数据的组织方式；二是用于声明程序连接信息，如函数原型、静态量、全局量说明语句等。因此，为了区分说明语句的不同性质，有时特别把功能不同的说明语句分别称为定义语句和声明语句。
操作语句用于描述对数据的处理。例如，表达式语句和输入/输出语句分别表示对数据的运算和传输。
控制语句用于控制程序的执行流程。所有程序都只能包含3种控制结构：顺序结构、选择结构和循环结构。顺序结构是系统预置的，即除非特别指定，计算机总是按指令编写的顺序一条一条地执行。选择结构和循环结构由特定语句组织。
本章讨论C++的选择结构语句和循环结构语句及其应用。
2.1 选择控制
实际编写程序时，有时需要对给定的条件进行判断，并根据判断的结果选择不同的操作。
例如，给定三条边的长度，判断能否构成三角形。若能构成三角形，则求其面积；否则，显示“不能构成三角形”的信息。
又如，求一元二次方程ax2+bx+c=0的根，要对b2-4ac作判断。当b2-4ac的值等于0时，求重根；大于0时，求两个实根；小于0时，求共轭复根。
构成选择结构的语句称为条件语句。C++使用if语句和switch语句构成选择结构。
2.1.1 if语句
1.if语句的形式和执行流程
if语句有两种形式：一个分支的if语句和两个分支的if_else语句。
（1）一个分支的if语句
语句形式为：
if（表达式）语句;
其中，“表达式”一般为逻辑表达式，表示执行条件。若为其他类型表达式，则C++也把其结果作为逻辑值处理。“语句”可以是一个简单语句，也可以是复合语句或其他结构语句。
if语句首先计算“表达式”的值，如果值为true（非0），则执行“语句”；否则，即“表达式”的值为 false（0），视“语句”为空，转向执行后续语句。执行流程如图2.1所示。例如：
图2.1 if语句的执行流程
if(x>0) cout<<x<<endl;
首先判断x的值是否大于0，若x的值大于0，则输出x的值并换行；否则不输出x的值。又如：
if ((a+b > c) && (b+c > a) && (c+a > b))
{ s=(a+b+c)/2.0;
area = sqrt(s * (s-a) * (s-b) * (s-c));
cout << "area = "<< area << endl;
}
先计算逻辑表达式(a+b>c)&&(b+c>a)&&(c+a>b)的值，若为true，则按顺序执行花括号相括的复合语句；否则跳过该语句。
（2）if_else语句
语句形式为：
if（表达式）语句1 ；
else 语句2 ；
其中，“表达式”一般为关系表达式或逻辑表达式，表示执行条件。“语句1”和“语句2”为简单语句、复合语句或其他结构语句。
if_else语句的执行情况如图2.2所示。例如：
图2.2 if_else语句的执行流程
if (x>y) cout << "max = "<< x << endl;
else cout<<"max="<<y<<endl;
判断x是否大于y，若是，则输出x的值；否则，输出y的值。又如：
if ((a+b > c) && (b+c > a) && (c+a > b))
{ s=(a+b+c)/2.0;
area = sqrt(s * (s-a) * (s-b) * (s-c))；
cout << "area = "<< area << endl;
}
else cout<<"It is not a trilateral."<<endl;
先计算逻辑表达式(a+b>c)&&(b+c>a)&&(c+a>b)的值，若为真，则按顺序执行花括号内的三个语句；否则，输出字符串“It is not a trilateral.”。
2.if语句的嵌套
if语句中的执行语句如果是另一个if语句，则称为嵌套if语句。例如：
if(x>0) y=x;
else if(x<0) y=-x;
else y=0；
当x<=0时，执行else分支，嵌套了另一个if语句，分别处理x<0和x==0的情况。又如：
if(score>=90) cout<<"Grade A:";
else if(score>=80) cout<<"Grade B:";
else if(score>=70) cout<<"Grade C:";
else if(score>=60) cout<<"Grade D:";
else cout<<"Grade E:";
也是if语句的嵌套。
if语句有不同的嵌套形式，但要注意 if 与 else 的配对关系。C++语言规定，else 总是与它接近的if 配对。上述两个语句可以添加括号表示等价的嵌套匹配关系，改写为：
if(x>0) {y=x;}
else { if(x<0) y=-x;
else y=0;
}
和
if(score>=90) {cout<<"Grade A:";}
else { if(score>=80){cout<<"Grade B:";}
else { if(score>=70){cout<<"Grade C:";}
else { if(score>=60){cout<<"Grade D:";}
else {cout<<"Grade E:";}
}
}
}
使用复合语句，可以改变条件语句的执行流程。例如，以下形式的语句：
if(表达式 0) 等价于： if(表达式 0)
if(表达式 1) { if(表达式 1)
语句 1; 语句 1;
else if(表达式 2) else
语句 2; { if(表达式 2)
else 语句 2;
语句 3; else
语句 3;
}
}
“语句 1”的执行条件是“表达式 0 && 表达式 1”为true；
“语句 2”的执行条件是“表达式 0 &&!表达式 1 &&表达式 2”为true；
“语句 3”的执行条件是“表达式 0 &&!表达式 1 &&!表达式 2”为true。
使用花括号构造复合语句，可以改变条件语句的配对关系。例如，上述语句改写为：
if (表达式 0)
{ if(表达式 1)
语句 1;
else
if (表达式 2)
语句 2;
}
else
语句 3;
这时，“语句 3”的执行条件为“!表达式 0”，即“表达式 0”的值为false时执行“语句 3”。
3.应用举例
【例2-1】从键盘上输入3个整数，求这3个数中的最大值。
假设输入的3个数分别存储在变量a、b和c中，变量max存储最大值。求最大值的算法可以为：先比较a和b的值并把较大值赋给max；然后将c与max进行比较，若c>max，则把c赋给max。此时，max的值就是3个数中的最大值了。程序如下：
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{ int a,b,c,max;
cout << "a, b, c = ";
cin >> a >> b >> c;
if(a>b) max=a; //求a，b之中的较大值，赋给max
else max=b;
if(c>max) max=c; //求max，c之中的较大值，赋给max
cout << "max = " << max << endl;
}
简单的条件语句，通常可以用条件运算代替。程序中的if语句：
if(a>b) max=a;
else max=b;
可以写为： max = a>b ? a ：b;
【例2-2】输入3条边的边长，若这3条边构成三角形就求该三角形的面积；否则，输出“不是三角形”的信息。
假设三角形的3条边的边长为a、b和c，则这3条边构成三角形的条件是：任意两条边之和都大于第三边。如果这3条边能构成三角形，则求三角形的面积公式为：
式中，s = (a + b + c) / 2。
按求三角形的面积公式，编写程序如下：
#include <iostream>
#include<cmath> //包含声明数学函数的头文件
using namespace std;
int main()
{ double a,b,c,s,area;
cout << "a, b, c = ";
cin>>a>>b>>c; //输入3条边长
if(a+b>c&&b+c>a&&c+a>b) //判断构成三角形的条件
{ s=(a+b+c)/2.0; //计算面积
area = sqrt(s * (s-a) * (s-b) * (s-c));
cout << "area = " << area << endl;
}
else
cout << "It is not a trilateral!" << endl;
}
运行程序，输入数据后输出结果如下：
a, b, c = 5 6 7
area = 14.696939
在上述程序中，调用了C++标准库函数sqrt求平方根，函数原型为：
double sqrt(double x);
数学运算的标准函数声明在C的标准头文件cmath中，详见附录B。
【例2-3】把输入字符转换为小写字母。对输入字符进行判断，如果是大写字母，则转换为小写字母；否则，不转换。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{ char ch;
cout << "ch = ";
cin >> ch;
if(ch>='A'&&ch<='Z') //ch是大写字母
ch+=32; //转换成小写字母
cout << ch << endl;
}
【例2-4】求一元二次方程ax2 + bx + c = 0的根。
求一元二次方程的根的公式为：
编程时，要考虑如下各种情况。
① 当a=0 时，方程不是二次方程；
② 当 b2-4ac=0 时，有两个相同的实根：
；
③ 当 b2-4ac>0 时，有两个不同的实根：
；
④ 当 b2-4ac<0 时，有两个共轭复根：
。
按上述公式，编写程序如下：
#include<iostream>
#include<cmath>
using namespace std;
int main()
{ double a,b,c,d,x1,x2,rp,ip;
cout<<"a, b, c = ";
cin>>a>>b>>c; //输入系数
if(fabs(a)<=1e-8) //用误差判断，系数a等于0
cout<<" It is not quadratic."<<endl;
else { d=b*b-4*a*c; //求判别式的值，赋给d
if(fabs(d)<=1e-8) //d等于0，方程有两个相同的根
cout<<"It has two equal real roots: "<<-b/(2*a)<<endl;
else
if(d>1e-8) //d大于0，方程有两个不同的实根
{ x1=(-b+sqrt(d))/(2*a);
x2=(-b-sqrt(d))/(2*a);
cout<<"It has two distinct real roots: "
<<x1 <<" and "<<x2<<endl;
}
else //d小于0，方程有两个共轭复根
{ rp=-b/(2*a);
ip=sqrt(-d)/(2*a);
cout<<"It has two complex roots: "<<endl;
cout<<rp<<" + "<<ip<<"i"<<endl;
cout<<rp<<" - "<<ip<<"i"<<endl;
}
}
}
程序中的条件：
fabs(a)<=1e-8 和 fabs(d)<=1e-8
分别用来判断a和d的值是否为0。因为实数在计算和存储时会有微小的误差。若用“a==0”和“d==0”来判断a和d是否为0，则可能出现本来a和d等于0，由于计算或存储误差而导致判断结果不成立的情况。
程序运行结果：
a, b, c = 0 2 1
It is not quadratic.
a, b, c = 1 2 1
It has two equal real roots: -1
a, b, c = 1 5 1
It has two distinct real roots: -0.208712 and -4.791288
a, b, c = 2 3 4
It has two complex roots:
-0.75 + 1.198958i
-0.75 - 1.198958i
2.1.2 switch语句
switch语句应用于根据一个整型表达式的不同值决定程序分支的情况。
1.switch语句的形式和执行流程
switch语句形式为：
switch（表达式）
{ case 常量表达式 1 ：语句 1 ；
case 常量表达式 2 ：语句 2 ；
…
case 常量表达式 n ：语句 n；
[default ： 语句 n+1 ；]
}
其中，“表达式”类型为整型、字符型或枚举型，不能为浮点型。“常量表达式”具有指定值，与“表达式”类型相同。default子句为可选项。
switch语句的执行流程如图2.3所示。
图2.3 switch语句的执行流程
在switch语句中，case和default只起语句标号作用。进入switch后，首先计算“表达式”的值，然后用这个值依次与case后的“常量表达式”的值进行比较。如果“表达式”的值等于某个“常量表达式 i”的值，则执行“语句 i”。如果“语句 i”之后还有语句，就继续执行“语句 i+1”至“语句 n+1”。如果找不到与“表达式”的值相等的case常量，则执行default指示的“语句 n+1”。
【例2-5】测试switch语句的执行流程。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{ int x;
cout << "x = ";
cin >> x;
switch(x)
{ case 1:cout<<"one ";
case 2:cout<<"two ";
case 3:cout<<"three ";
default:cout<<"other ";
}
cout << "end" << endl;
}
运行程序，若输入x的值为1，则输出结果如下：
x = 1
one two three other end
若重新运行，输入x的值为3，则输出结果如下：
x = 3
three other end
要实现真正的选择控制，执行一个case标号语句后能够跳出switch语句块，转向执行后续语句，应该使用break语句。break语句强制中断一个语句块的执行，转向执行语句块的后续语句。
【例2-6】测试在switch的执行语句中增加break语句，中断语句块。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{ int x;
cout << "x = ";
cin >> x;
switch(x)
{ case 1:cout<<"one "; break;
case 2:cout<<"two "; break;
case 3:cout<<"three "; break;
default:cout<<"other ";
}
cout << "end" << endl;
}
运行程序，输入x的值为2，输出结果如下：
x = 2
two end
选择性地在case语句中使用break语句，可以实现多个case常量值执行同一个分支语句。
【例2-7】两个case常量值执行同一个分支语句。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{ int x;
cout << "x = ";
cin >> x;
switch(x)
{ case 1:
case 2:cout<<"one or two "; break;
case 3:cout<<"three "; break;
default:cout<<"other ";
}
cout << "end" << endl;
}
程序不管x的输入值是1还是2，都执行case 2后的语句。输入1时，程序输出结果为：
x = 1
one or two end
switch语句的说明如下。
① 常量表达式必须互不相同，否则，会出现矛盾而引起错误。例如：
switch (int(x))
{ case 1: y=1; break;
case 2: y=x; break;
case 2: y=x*x; break; //错误，case 2已经使用
case 3: y=x*x*x; break;
}
② 各个case和default出现的次序可以任意。在每个case分支都带有break的情况下，case的顺序不影响执行结果。
③ switch语句可以嵌套。
2.应用举例
【例2-8】根据x的值，按下式计算y的值。
从这个分段函数的自变量 x取值可以看出，当1≤x＜2时，int(x)=1；当2≤x＜4时，int(x)等于2或3；当4≤x＜6，int(x)等于4或5。因此，可以用switch语句编写程序。
#include <iostream>
using namespace std;
#include<cmath>
int main()
{ double x,y;
cout << "x = ";
cin >> x;
switch (int(x))
{ case 1: y=3*x-5; break;
case 2:
case 3: y=2*cos(x)+1; break;
case 4:
case 5: y=sqrt(1+x*x); break;
default:y=x*x-4*x+5;
}
cout<<"y="<<y<<endl;
}
运行程序3次，输入不同的x值，输出结果如下：
x = 1.5
y = -0.5
x = 3.3
y = -0.97496
x = 4.7
y = 4.80521
【例2-9】输入年份和月份，输出该月的天数。
根据天文知识，每年的1、3、5、7、8、10和12月，每月有31天；每年的4、6、9和11月，每月有30天；若是闰年，则2月份为29天；若为平年，则2月份为28天。年份能被4整除，但不能被100整除，或者年份能被400整除的年份为闰年；否则，为平年。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{ int year,month,days;
cout << "year : ";
cin >> year;
cout << "month : ";
cin >> month;
switch(month)
{ case 1:case 3:case 5:case 7:case 8:case 10:case 12:
days=31; break;
case 4: case 6: case 9: case 11:
days=30; break;
case 2: if((year%4==0)&&(year%100!=0)||(year%400==0))
days = 29;
else days=28;
}
cout << " days : " << days << endl;
}
运行程序，输入数据和输出结果如下：
year : 2008
month : 5
days : 31
【例 2-10】输入包含两个运算量和一个运算符（+、-、* 或 /）算术表达式，计算并输出运算结果。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{ double operand1,operand2,result;
char oper;
cout << "input oprand1,operator and oprand2:";
cin>>operand1>>oper>>operand2; //输入表达式
switch(oper) //根据运算符做选择计算
{ case'+': result=operand1+operand2; break;
case'-': result=operand1-operand2; break;
case'*': result=operand1*operand2; break;
case'/': result=operand1/operand2; break;
default: cout<<"input error!"<<endl;
goto L; //非法运算符转向L入口的空语句
}
cout << operand1 << oper << operand2 << "=" << result << endl;
L:; //空语句
}
运行程序，输入数据和输出结果如下：
input oprand1,operator and oprand2: 2+6
2+6=8
当用户输入无效的运算符时，程序用goto语句转向标号为L的语句，而L指示的语句是一个空语句。goto语句的目的是在无效输入时，跳过正常的结果显示。