第十一节 循环（二）

对while循环的一些补充

while循环是一种入口条件循环。这就是说，程序在每次执行循环时都会先行检验条件表达式的真假。以此来决定是否执行循环。我们在编写循环时一定要使条件表达式的值有变化，并且最终变成0，也就是使得它为假。否则，程序将无法退出循环。造成无限的输出。

同时，我们要对“循环退出的时机”有一个基本的认识。请看以下程序：

//when_to_quit.c 演示循环退出的时机
#include <stdio.h>
int main(void)
{
    int num = 5;
    while (num < 7) {
        num++;
        printf("num = %d\n", num);
    }
    printf("程序结束。");
    return 0;
}

运行结果如下：

num = 6
num = 7
程序结束。

我们注意到，虽然程序在进行第二次循环时，num已经达到了7，但是循环仍在继续。循环的条件判断表达式是在上一次循环结束之后才进行验证的。

我们强烈建议在使用循环时把循环体单独用花括号括起来（哪怕它只有一句），因为while循环在不带花括号的时候，会默认循环执行下一条语句。例如：

//wrong_round.c 演示不使用花括号造成的后果
#include <stdio.h>
int main(void)
{
    int num = 5;
    while (num < 7)
        num++;
    printf("num = %d\n", num);    
    printf("程序结束。");
    return 0;
}

运行结果如下：

num = 7
程序结束。

程序并不打印num = 6这句话，因为我们并未将打印语句也包括在循环体内。

对for循环的一些补充

我们已经知道，for循环是一种计数循环。也就是说，我们在使用这个循环之前，就已经知道了它应该被循环的次数。作为一个计数循环，它必须要做到以下几点：

1. 计数器要有一个初始值（必须进行初始化）；
2. 计数的值应该与有限的值作比较；
3. 每次循环结束后，计数的值应该有所改变。

for语句的不同用法

显然，for语句的灵活性使得它可以有多种用法。事实上，for语句的初始化表达式与变量调整表达式都可以不止一个，而且可以是任何合法的表达式。下面我们来演示for语句的几种不同用法。

使用递减运算符

for(i = 10; i <= 0; i--)

代表这个循环将会执行十次，直到循环变量i的值小于等于0为止。

使用不同的测试条件

for(num = 0; num*num < 36; num++)

代表这个循环以num的平方值为限制，这在一些场合很有用（例如寻找平方根的近似值）。

使用任意合法的变量调整表达式

for(x = 1; y <= 75; y = (++x * 5) + 50)

这个循环的三个表达式使用了不同的变量，而且仍然是合法的。我们还注意到，调整变量的表达式和通常的递增不同。这也是合法的。

使用不同的初始化表达式

i = 0;
for(printf("Look!"); i < 10; i++)

for语句的第一个表达式只会执行一次，而且不一定是初始化变量表达式。

省略表达式

for(; num <= 10; )

这个for语句省略了第一和第三个表达式，但是它仍然是合法的。我们回顾这两个表达式的内容（初始化和调整），会发现它们即使写在for语句以外也有用。在这种情况下，for语句可以视作一个while语句。

使用逗号运算符

for(i = 0, j = 10; i <= 10; i++, j--)

在循环进行的同时，变量j的值也会同时变化。这里使用了多个表达式。而它们仍然是合法的。

特别要说明的是：我们在这里使用了一个新的运算符：逗号运算符。在这里，初始表达式中的逗号运算符使这两个变量都进行了初始化。

逗号计算符的意义是：保证表达式从左往右求值。逗号左侧的内容与副作用都在逗号右侧之前发生。这在一些强调顺序的场合非常有用。例如：

//comma.c 演示逗号运算符
#include <stdio.h>
#define YEAR_RATE 0.036
int main(void)
{
    float principal;
    int years, i;
    printf("输入本金：");
    scanf("%f", &principal);
    printf("输入存款年限：");
    scanf("%d", &years);

    for (i = 0; i <= years; principal *=(1 + YEAR_RATE), i++)
        printf("%d年后，存款为%.2f元。\n", i, principal);

    return 0;
}

运行结果如下：

输入本金：10000
输入存款年限：3
0年后，存款为10000.00元。
1年后，存款为10360.00元。
2年后，存款为10732.96元。
3年后，存款为11119.35元。

do_while循环

while循环和for循环都是入口条件循环。这两种循环在循环执行之前会先判断条件表达式的真假。如果条件表达式一开始就为假，那循环体就一次也不会执行。但是有时，我们需要保证循环至少进行一次（比如在回合制游戏中，至少要先进行第一个回合）。这时，我们就要使用do_while循环。do_while循环是出口条件循环。它会在每次循环迭代之后再进行条件判断。

以下是一个使用do_while循环的例子：

//do_while.c 演示出口条件循环
#include <stdio.h>
#define SECRET_NUM 65
int main(void)
{
    int input_num;
    printf("现在我们来玩一个猜数字的小游戏。\n");
    
    do{
        printf("输入你猜的数字吧！");
        scanf("%d", &input_num);
    }
    while(input_num != SECRET_NUM)
        printf("祝贺你！你猜到了！");

    return 0;
}

运行结果如下：

现在我们来玩一个猜数字的小游戏。
输入你猜的数字吧！
1
输入你猜的数字吧！
2
输入你猜的数字吧！
3
输入你猜的数字吧！
65
祝贺你！你猜到了！

我们在之后会学习选择分支语句，使得这个游戏更加生动。

do_while循环的格式如下：

do
{
    循环体
}
while(条件表达式);

需要注意的是：while语句需要以分号结尾。另外，你需要避免这种形式：

do{
    询问用户是否要进行
        要进行的循环体
}
while(用户回答“是”)

这会导致用户在回答“否”时，程序仍然运行一次循环体。

do_while循环会在第一次循环结束后判断条件表达式，以确认循环是否要继续进行。循环提部分至少会执行一次。

（扩展：如何选择循环）

首先确定需要入口条件循环还是出口条件循环（通常使用入口条件循环）；

其次确定你是否知道循环的次数，如果知道，建议用for循环；如果不知道，就建议用while循环。

嵌套循环

接下来，我们将介绍一种十分关键的循环用法：嵌套循环。

有时。我们希望计算机不止能输出指定数目的行，还能输出指定数目的列。这时候就需要运用到嵌套循环。顾名思义：嵌套循环是在一个循环里还包含着另一个循环。外层循环用来控制行数，内层循环用来控制每行的字数（或者称为列数）。

我们看以下的例子：

//rowsl.c 演示嵌套循环
#include <stdio.h>
int main(void)
{
    int i, num_of_row, num_of_column;
    char ch;

    printf("输入行数：");
    scanf("%d", &num_of_row);
    printf("输入列数：");
    scanf("%d", &num_of_column);
  

    for (i = 0; i < num_of_row; i++) {
        for (ch = 'A'; ch < ('A' + num_of_column); ch++) {
            printf("%c", ch);
        }
        printf("\n");
    }

    return 0;
}

试运行：

输入行数：3
输入列数：4
ABCD
ABCD
ABCD

重新运行程序：

输入行数：4
输入列数：3
ABC
ABC
ABC
ABC

让我们来详细解释这个嵌套循环。首先观察它的外层循环：

for(i = 0; i < num_of_row; i++){}

这个语句含义是明确的：当i小于用户给出的行数时，循环将继续。

接下来来看循环体：

for (ch = 'A'; ch < ('A' + num_of_column); ch++) {
            printf("%c", ch);
        }
printf("\n");

这个循环体由一个内层循环和换行符组成。先来看这个内层循环。内容是打印从“A”到用户给定的列数代表的字母。循环结束后，打印一个换行符来实现换行。关键在于：外部循环仍在继续（因为外层条件表达式仍然为假）。所以在内层循环结束后，会又重新进行一次。即在下一行又打印相同的字母。外层循环每进行一次，内层循环就会完整进行一次。对应到打印上，就是行数与每行打印的字符个数。

嵌套循环的应用

嵌套循环有着广泛的应用。比如：

//pyramid.c 打印指定层数的金字塔
#include <stdio.h>
int main() 
{
    int rows;
    printf("请输入金字塔的层数: ");
    scanf("%d", &rows);

    for (int i = 1; i <= rows; i++) {
        for (int j = 1; j <= rows - 1; j++) {
            printf(" ");// 打印空格
        }
        for (int k = 1; k <= 2 * i - 1; k++) {
            printf("@");//打印“@”
        }
        printf("\n");
    }
    
    return 0;
}   

我们试运行这个程序：

请输入金字塔的层数: 5
@
@@@
@@@@@
@@@@@@@
@@@@@@@@@

可以看到：程序输出了一个“金字塔”（等宽字体下）。我们来解释这个程序。（考试中可能会出现要求输出这种类型图案的式子）

首先：要输出这样的正三角形，就要同时输出“空格”与“@”。首先注意到：每一行都由单数个“@”组成。所以控制“@”个数的循环应该是单数的递增。比如说k <= 2 * i - 1 。我们还知道：程序是从左往右打印的。所以我们首先打印空格，并且在打印完空格之后就打印“@”，右侧的空隙则会自然留下.如果把空格替换成“□”，显示的效果会更加明了：

□□□□@
□□□@@@
□□@@@@@
□@@@@@@@
@@@@@@@@@

打印空格的个数逐一减少，并且在最后一行没有空格*（打印空格的循环不执行）*。这意味着我们需要让循环变量的数值比用户给出的层数小1，而且逐层递减。所以有 for (int j = 1; j <= rows - 1; j++)。

我们在外层循环中已经用i指代了当前打印光标所在的层数。观察金字塔，可以发现@的数量按1，3，5……排列，每一行正好是2i-1个，综合以上信息，我们就可以得出for (int k = 1; k <= 2 * i - 1; k++)。

把这两个循环按照上下顺序都放在外层循环里，再在外层循环里加上换行符。就实现了打印金字塔的场景。

利用嵌套循环，我们还能打印九九乘法表：

//multiplication_table.c 打印九九乘法表
#include <stdio.h>
int main() 
{
    int i, j;
    for (i = 1; i <= 9; i++) {
        for (j = 1; j <= i; j++) {
            printf("%d × %d = %d\t", j, i, i * j);
        }
        printf("\n");
    }
    return 0;
}

它的输出结果如下：

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

这里最关键的部分在于 for (j = 1; j <= i; j++)，它使得每次输出的最大的j值（也就是第一个乘数）始终少于i（也就是行数）。