C語言循環與分支語句實例分析

C語言循環與分支語句實例分析

引言

C語言作為一種廣泛使用的編程語言，其核心控制結構包括循環和分支語句。這些結構不僅構成了程序的基本邏輯框架，還直接影響程序的執行效率和可讀性。本文將深入探討C語言中的循環和分支語句，通過實例分析幫助讀者更好地理解和應用這些控制結構。

1. 循環語句

循環語句是C語言中用于重復執行某段代碼的結構。常見的循環語句包括for、while和do-while。

1.1 for循環

for循環是一種常用的循環結構，適用于已知循環次數的情況。其基本語法如下：

for (初始化表達式; 條件表達式; 更新表達式) {
    // 循環體
}

實例分析：

#include <stdio.h>

int main() {
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("i = %d\n", i);
    }
    return 0;
}

輸出：

i = 0
i = 1
i = 2
i = 3
i = 4

分析：

• int i = 0;：初始化表達式，定義并初始化循環變量i。
• i < 5;：條件表達式，當i小于5時，繼續執行循環。
• i++：更新表達式，每次循環結束后，i自增1。
• printf("i = %d\n", i);：循環體，輸出當前i的值。

1.2 while循環

while循環適用于循環次數未知，但循環條件明確的情況。其基本語法如下：

while (條件表達式) {
    // 循環體
}

實例分析：

#include <stdio.h>

int main() {
    int i = 0;
    while (i < 5) {
        printf("i = %d\n", i);
        i++;
    }
    return 0;
}

輸出：

i = 0
i = 1
i = 2
i = 3
i = 4

分析：

• int i = 0;：初始化循環變量i。
• while (i < 5)：條件表達式，當i小于5時，繼續執行循環。
• printf("i = %d\n", i);：循環體，輸出當前i的值。
• i++：更新表達式，每次循環結束后，i自增1。

1.3 do-while循環

do-while循環與while循環類似，但do-while循環至少執行一次循環體。其基本語法如下：

do {
    // 循環體
} while (條件表達式);

實例分析：

#include <stdio.h>

int main() {
    int i = 0;
    do {
        printf("i = %d\n", i);
        i++;
    } while (i < 5);
    return 0;
}

輸出：

i = 0
i = 1
i = 2
i = 3
i = 4

分析：

• int i = 0;：初始化循環變量i。
• do { ... } while (i < 5);：循環體至少執行一次，然后根據條件表達式決定是否繼續循環。
• printf("i = %d\n", i);：循環體，輸出當前i的值。
• i++：更新表達式，每次循環結束后，i自增1。

2. 分支語句

分支語句用于根據條件選擇執行不同的代碼塊。常見的分支語句包括if、if-else、switch。

2.1 if語句

if語句用于在滿足條件時執行某段代碼。其基本語法如下：

if (條件表達式) {
    // 代碼塊
}

實例分析：

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 10;
    if (a > 5) {
        printf("a is greater than 5\n");
    }
    return 0;
}

輸出：

a is greater than 5

分析：

• int a = 10;：定義并初始化變量a。
• if (a > 5)：條件表達式，當a大于5時，執行代碼塊。
• printf("a is greater than 5\n");：代碼塊，輸出a大于5的信息。

2.2 if-else語句

if-else語句用于在滿足條件時執行某段代碼，否則執行另一段代碼。其基本語法如下：

if (條件表達式) {
    // 代碼塊1
} else {
    // 代碼塊2
}

實例分析：

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 3;
    if (a > 5) {
        printf("a is greater than 5\n");
    } else {
        printf("a is less than or equal to 5\n");
    }
    return 0;
}

輸出：

a is less than or equal to 5

分析：

• int a = 3;：定義并初始化變量a。
• if (a > 5)：條件表達式，當a大于5時，執行代碼塊1。
• printf("a is greater than 5\n");：代碼塊1，輸出a大于5的信息。
• else { ... }：當a不大于5時，執行代碼塊2。
• printf("a is less than or equal to 5\n");：代碼塊2，輸出a不大于5的信息。

2.3 switch語句

switch語句用于根據變量的值選擇執行不同的代碼塊。其基本語法如下：

switch (表達式) {
    case 常量1:
        // 代碼塊1
        break;
    case 常量2:
        // 代碼塊2
        break;
    ...
    default:
        // 默認代碼塊
}

實例分析：

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 2;
    switch (a) {
        case 1:
            printf("a is 1\n");
            break;
        case 2:
            printf("a is 2\n");
            break;
        case 3:
            printf("a is 3\n");
            break;
        default:
            printf("a is not 1, 2, or 3\n");
    }
    return 0;
}

輸出：

a is 2

分析：

• int a = 2;：定義并初始化變量a。
• switch (a)：根據a的值選擇執行不同的代碼塊。
• case 1:：當a等于1時，執行代碼塊1。
• printf("a is 1\n");：代碼塊1，輸出a等于1的信息。
• break;：跳出switch語句。
• case 2:：當a等于2時，執行代碼塊2。
• printf("a is 2\n");：代碼塊2，輸出a等于2的信息。
• break;：跳出switch語句。
• case 3:：當a等于3時，執行代碼塊3。
• printf("a is 3\n");：代碼塊3，輸出a等于3的信息。
• break;：跳出switch語句。
• default:：當a不等于1、2或3時，執行默認代碼塊。
• printf("a is not 1, 2, or 3\n");：默認代碼塊，輸出a不等于1、2或3的信息。

3. 綜合實例分析

為了更好地理解循環和分支語句的應用，下面通過一個綜合實例進行分析。

實例：

編寫一個程序，要求用戶輸入一個整數，判斷該整數是否為素數（質數），并輸出結果。

代碼實現：

#include <stdio.h>

int main() {
    int num, i, flag = 0;

    printf("Enter a positive integer: ");
    scanf("%d", &num);

    if (num <= 1) {
        printf("%d is not a prime number.\n", num);
        return 0;
    }

    for (i = 2; i <= num / 2; i++) {
        if (num % i == 0) {
            flag = 1;
            break;
        }
    }

    if (flag == 0) {
        printf("%d is a prime number.\n", num);
    } else {
        printf("%d is not a prime number.\n", num);
    }

    return 0;
}

分析：

1. 輸入處理：

   • printf("Enter a positive integer: ");：提示用戶輸入一個正整數。
   • scanf("%d", &num);：讀取用戶輸入的整數并存儲在變量num中。

2. 邊界條件處理：

   • if (num <= 1)：如果num小于等于1，直接輸出num不是素數，并結束程序。

3. 素數判斷：

   • for (i = 2; i <= num / 2; i++)：從2開始遍歷到num的一半，檢查num是否能被i整除。
   • if (num % i == 0)：如果num能被i整除，設置flag為1，并跳出循環。

4. 結果輸出：

   • if (flag == 0)：如果flag為0，說明num是素數，輸出相應信息。
   • else：否則，輸出num不是素數的信息。

示例運行：

Enter a positive integer: 29
29 is a prime number.

Enter a positive integer: 15
15 is not a prime number.

4. 循環與分支語句的嵌套

在實際編程中，循環和分支語句經常需要嵌套使用，以實現更復雜的邏輯。

實例：

編寫一個程序，輸出1到100之間的所有素數。

代碼實現：

#include <stdio.h>

int main() {
    int i, j, flag;

    for (i = 2; i <= 100; i++) {
        flag = 0;
        for (j = 2; j <= i / 2; j++) {
            if (i % j == 0) {
                flag = 1;
                break;
            }
        }
        if (flag == 0) {
            printf("%d ", i);
        }
    }

    return 0;
}

分析：

1. 外層循環：

   • for (i = 2; i <= 100; i++)：遍歷2到100之間的所有整數。

2. 內層循環：

   • for (j = 2; j <= i / 2; j++)：檢查當前整數i是否為素數。
   • if (i % j == 0)：如果i能被j整除，設置flag為1，并跳出內層循環。

3. 結果輸出：

   • if (flag == 0)：如果flag為0，說明i是素數，輸出i。

示例運行：

2 3 5 7 11 13 17 19 23 29 31 37 41 43 47 53 59 61 67 71 73 79 83 89 97 

5. 循環控制語句

在循環中，有時需要提前結束循環或跳過某次循環。C語言提供了break和continue語句來實現這些功能。

5.1 break語句

break語句用于立即終止當前循環，跳出循環體。

實例分析：

#include <stdio.h>

int main() {
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        if (i == 5) {
            break;
        }
        printf("i = %d\n", i);
    }
    return 0;
}

輸出：

i = 0
i = 1
i = 2
i = 3
i = 4

分析：

• for (i = 0; i < 10; i++)：循環從0到9。
• if (i == 5)：當i等于5時，執行break語句。
• break;：立即終止循環，跳出循環體。

5.2 continue語句

continue語句用于跳過當前循環的剩余部分，直接進入下一次循環。

實例分析：

#include <stdio.h>

int main() {
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        if (i == 5) {
            continue;
        }
        printf("i = %d\n", i);
    }
    return 0;
}

輸出：

i = 0
i = 1
i = 2
i = 3
i = 4
i = 6
i = 7
i = 8
i = 9

分析：

• for (i = 0; i < 10; i++)：循環從0到9。
• if (i == 5)：當i等于5時，執行continue語句。
• continue;：跳過當前循環的剩余部分，直接進入下一次循環。

6. 循環與分支語句的優化

在實際編程中，合理使用循環和分支語句可以提高程序的執行效率和可讀性。以下是一些優化建議：

1. 減少循環次數：

   • 在循環中盡量減少不必要的計算和操作，避免重復計算。

2. 提前終止循環：

   • 使用break語句提前終止循環，避免不必要的迭代。

3. 避免嵌套過深：

   • 盡量減少循環和分支語句的嵌套層數，提高代碼的可讀性。

4. 使用switch語句代替多重if-else：

   • 當條件較多時，使用switch語句可以提高代碼的可讀性和執行效率。

7. 總結

C語言中的循環和分支語句是構建程序邏輯的基礎。通過本文的實例分析，讀者可以更好地理解和應用這些控制結構。在實際編程中，合理使用循環和分支語句，可以提高程序的執行效率和可讀性。希望本文的內容能夠幫助讀者在C語言編程中更加得心應手。

參考文獻

1. Kernighan, B. W., & Ritchie, D. M. (1988). The C Programming Language. Prentice Hall.
2. Prata, S. (2013). C Primer Plus. Addison-Wesley.
3. King, K. N. (2008). C Programming: A Modern Approach. W. W. Norton & Company.

注： 本文中的代碼實例均在GCC編譯器下測試通過，讀者在實際編程中可根據需要進行調整和優化。