第3章 结构化程序设计12-07

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第3章 结构化程序设计

学习目标

? 理解算法的概念

? 能够使用流程图画出顺序、选择、循环三种语句的执行流程 ? 要求熟练使用if、switch语句判断各种选择情况以及嵌套使用 ? 熟练运用while、do-while、for三种循环结构的思想解决实际问题 ? 熟练应用break、continue、goto语句与循环语句的搭配使用

前面的章节一直在介绍C语言的基本语法知识，然而仅仅依靠这些语法知识还不能编写出完整的程序。在程序中，通常需要加入业务逻辑，并根据业务逻辑关系对程序的流程进行控制。本章将针对程序设计的灵魂——算法以及C语言中最基本的三种程序流程进行讲解。

3.1 算法——程序设计的灵魂

3.1.1 算法的概念

假如有一张对称的桌子和无限多大小相同的硬币，有两个人轮流往桌子上放硬币，规定硬币不可以重叠，但可以边贴边放置。最后谁放不下谁就输了。假设让你第一个放置，你如何做才能保证自己肯定赢呢？明确了“做什么”，接下来就是寻求解决办法。首先自己赢的话需要在自己没地方放硬币之前，对方就应该没有地方放硬币了，从这分析可以想到，我们的行为和对方的行为应该有一定的联系性。于是可以得到一个解决办法，首先在桌子中央，放置硬币，接下来等对方放置硬币后，只需要在他的对称位置放就可以了，只要他可以放，那么对称位置一定还有空间，直至他没地方放了，我们就赢了。

这是生活中一个运用智慧解决问题的例子，学习编程也是为了解决问题的。那么程序是什么？程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列。一个程序应当包含以下两方面的内容：

（1）对数据的描述：在程序中指定用到哪些数据以及这些数据的类型和数据的组织形式，这就是数据结构（data structure）。

（2）对数据操作的描述：即操作步骤，也就是算法（algorithm）。 著名计算机科学家沃思（Nikiklaus Wirth）提出了一个程序公式：

程序 = 数据结构 + 算法

其中算法是一个程序的灵魂，直到今天，这个公式对于过程化程序来说依然是适用的。

算法有三种种较为常用的表示方法：伪代码法、N-S结构化流程图和流程图法。在以后的学习中，本书较多地用到了流程图这种描述方法。

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3.1.2 流程图

流程图是描述问题处理步骤的一种常用图形工具，它是由一些图框和流程线组成的。使用流程图描述问题的处理步骤形象直观、便于阅读。画流程图时必须按照功能选用相应的流程图符号，常用的流程图符号如图3-1所示。

起止框输入/输出框判断框处理框

流程线连接点

图3-1 流程图符号

图3-1所示的流程图符号中，列举了四个图框、一个流程线和一个连接点，具体说明如下： ? 起止框用于表示流程的开始或结束；

? 输入/输出框用平行四边形表示，在平行四边形内可以写明输入或输出的内容；

? 判断框用菱形表示，它的作用是对条件进行判断，根据条件是否成立来决定如何执行后续

的操作；

? 处理框用矩形表示，它代表程序中的处理功能，如算术运算和赋值等；

? 流程线用实心单向箭头或直线表示，可以连接不同位置的图框，流程线的标准流向是从左

到右和从上到下，可用直线表示，非标准流向的流程线应使用箭头指示方向； ? 连接点用圆形表示，用于流程图的延续。

通过上面的讲解，读者对流程图符号有了简单的认识，接下来先来看一个简单的流程图，如图3-2所示。

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结束结束输入三个不同变量输入三个不同变量x,y,z x,y,z 的值的值YesYes判断判断x>yx>y是否成立是否成立NoNo判断判断y>zy>z是否成立是否成立判断判断x>zx>z是否成立是否成立YesYes最小数最小数是是zzNoNoYesYes最小数最小数是是yy最小数最小数是是zzNoNo最小数是x输出输出结束结束

图3-2 求三个数中的最小值

图3-2表示的是一个求三个数中的最小值的流程图，下面针对该流程图中的执行顺序进行说明，具体如下：

第1步：程序开始；

第2步：进入输入/输出框，输入三个变量值x,y,z；

第3步：进入判断框，判断x>y是否成立，如果是成立，则进入左边的判断框，继续判断y>z

是否成立；否则进入右边的判断框，判断x>z是否成立；

第4步：进入下一层判断框。如果进入的是左边的判断框，判断y>z是否成立，如果成立，则进入左边的处理框，得出最小值是z；如果不成立，则进入右边的处理框，得出最小值为y。 如果进入的是右边的判断框，则判断x>z是否成立，如果成立，则进入左边的处理框， 得出最小值是z；如果不成立，则进入右边的处理框，得出最小值是x。 第5步：进入输出框，输出结果； 第6步：进入结束框，程序运行结束。

学习画流程图可以有效的进行结构化程序设计，基本的流程结构有3种，即顺序结构、选择结构和循环结构。它们可以编写各种复杂程序。在接下来的小节中，将分别讲解这3种基本流程结构，而流程图可以更好的理解和学习这些流程结构语句。

3.2 C语言的基本语句

经过图3-2的流程分析，理清了思路，那么编程就是信手拈来，但是，再简单的程序也得一句一句的写出。如果把写程序和写小说类比，变量常量等可以看成是字和词，函数可以看成是一个段落，运算符等可以看作是字词的组合方式（规则），那么，字词组成的句子就是小说的最小独立单元，表达了一定的意思，同样，程序的最小独立单元也是“语句”，每个语句表达出完整的意义。小说中有感叹句、疑问句等。同样，程序中也有各种各样的语句。C语言的语句类型如图3-3所示。

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图3-3 C语言的语句类型

接下来针对图3-3中的几个语句作简单介绍，具体如下：

? 表达式语句：在各种表达式的后面加上一个分号，就构成了表达式语句；如a = 5;就是一

个赋值表达式语句。

? 空语句：仅有一个分号构成的语句就是空语句。

? 流程控制语句：在程序中完成特定的控制功能的语句就是流程控制语句。其分类如图3-3。 ? 块语句：用一对{}括起来的若干语句称为块语句，也叫作复合语句。

在这些语句中，最重要的是流程控制语句，它是编写程序要掌握的最基本也最重要的语句类型。 接下来的几个小节就陆续学习这几种流程控制语句。

3.3 顺序结构语句

前面章节讲解的程序都有一个共同的特点，即程序中的所有语句都是从上到下逐条执行的，这样的程序结构称为顺序结构。顺序结构是程序开发中最常见的一种结构，它可以包含多种语句，如变量的定义语句、输入输出语句、赋值语句等。顺序结构流程图如图3-4所示。

处理语句1处理语句2处理语句3

图3-4 顺序语句流程图

顺序结构语句中，语句从上至下一句一句的执行，是最简单的一种结构语句。接下来通过 打印“我爱C语言”这句话为例来讲解顺序结构语句，如例3-1所示。

例3-1

1 #include 2 void main() 3 { 4 5 6

printf(\我\\n\printf(\爱\\n\printf(\

4

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7 8 9 }

printf(\语\\n\printf(\言\\n\

运行结果如图3-5所示。

图3-5 运行结果

在例3-1中，使用了5个printf()语句，从上往下依次输出字符“我、爱、C、语、言”。从运行结果可以看出，程序是按照语句的先后顺序依次执行的，这就是一个顺序结构的程序。

3.4 选择结构语句

在实际生活中做什么事情都不是一帆风顺的，经常需要对一些情况做出判断，比如开车来到一个十字路口，这时需要对红绿灯进行判断，如果前面是红灯，就停车等候，如果是绿灯，就通行。同样，在C语言中也经常需要对一些条件做出判断，从而决定执行哪一段代码，这时就需要使用选择结构语句。选择结构语句又可分为if条件语句和switch条件语句，本节将对它们进行详细地讲解。

3.4.1 if条件语句

if条件语句有三种语法格式，每一种格式都有其自身的特点，我们分别来学习。 1、if语句——单分支结构

if语句是指如果满足某种条件，就进行相应的处理。例如，小明妈妈跟小明说“如果你考试得了100分，星期天就带你去游乐场玩”，这句话可以通过下面的一段伪代码来描述。

如果小明考试得了100分 妈妈星期天带小明去游乐场

在上面的伪代码中，“如果”相当于C语言中的关键字if，“小明考试得了100分”是判断条件，需要用()括起来，“妈妈星期天带小明去游乐场”是执行语句，需要放在{}中。修改后的伪代码如下：

if (小明考试得了100分) {

妈妈星期天带小明去游乐场 }

上面的例子描述了if语句的用法，在C语言中，if语句的具体语法格式如下：

if (判断条件) { }

代码块

上述语法格式中，判断条件的值只能是0或非0，若判断条件的值为0，按“假”处理，若判断

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博学谷——让IT教学更简单，让IT学习更有效 值为0时，整个循环过程才会结束。

while循环的执行流程如图3-18所示。

开始循环条件真执行语句假

图3-18 while循环的流程图

接下来通过while语句来实现1~4之间自然数的打印，如例3-8所示。 例3-8

1 #include 2 void main() 3 { 4 5 6 7 8 9 10 }

int x = 1; { }

printf(\条件成立，打印x的值 x++; // x进行自增

//定义变量x，初始值为1

结束while (x <= 4) // 循环条件

运行结果如图3-19所示。

图3-19 运行结果

例3-8中，x的初始值为1，在满足循环条件x <= 4的情况下，循环体会重复执行，打印x的值并让x进行自增。因此，打印结果中x的值分别为1、2、3、4。需要注意的是，例3-8中的第8行代码用于在每次循环时改变变量x的值，直到循环条件不成立，如果没有这行代码，整个循环会进入无限循环的状态，永远不会结束。

?脚下留心：语句后的分号”;”

在编程时会经常性的在结尾加上分号，在使用while循环语句时，一定要记得勿在()后面加分号，这样就造成了循环条件与循环体的分离。如下面的代码：

while(1); {

printf(“无限循环”);

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}

像这样的代码在while()循环条件后加了分号，这就会造成无法循环的错误，而且这种小错误在排查时很难发现，读者在编写程序时要留心。

3.5.2 do-while循环语句

do…while循环语句和while循环语句功能类似，区别是while语句需要先判断循环条件，然后根据判断结果来决定是否执行大括号中的代码，而do…while循环语句先要执行一次大括号内的代码再判断循环条件，其具体语法格式如下：

do {

执行语句 ………

} while(循环条件);

在上面的语法格式中，关键字do后面{}中的执行语句是循环体。do…while循环语句将循环条件放在了循环体的后面。这也就意味着，循环体会无条件执行一次，然后再根据循环条件来决定是否继续执行。

do…while循环的执行流程如图3-20所示。

开始执行语句真循环条件假结束

图3-20 do…while循环的执行流程

接下来使用do…while循环语句将例3-8进行改写，如例3-9所示。 例3-9

1 #include 2 void main() 3 { 4 5 6 7 8 9 10 }

int x = 1; do {

printf(\条件成立，打印x的值 x++; // x进行自增

//定义变量x，初始值为1

} while (x <= 4); // 循环条件

运行结果如图3-21所示。

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图3-21 运行结果

例3-9和例3-8的运行结果一致，这说明do …while循环和while循环能实现同样的功能。然而在程序运行过程中，这两种语句还是有差别的。如果循环条件在循环语句开始时就不成立，那么while循环的循环体一次都不会执行，而do…while循环的循环体还是会执行一次。若将例中的循环条件x<=4改为x < 1，例3-9会打印x=1，而例3-8什么也不会打印。

3.5.3 for循环语句

在前面的小节中分别讲解了while循环和do…while循环。在程序开发中，还经常会使用另一种循环语句，即for循环，它通常用于循环次数已知的情况，其具体语法格式如下：

for（初始化表达式; 循环条件; 操作表达式） { }

执行语句 ………

在上面的语法格式中，for关键字后面()中包括了初始化表达式、循环条件和操作表达式三部分内容，它们之间用“;”分隔，{}中的执行语句为循环体。

for循环语句的流程图如图3-22所示。

开始初始化表达式循环条件假真执行语句操作表达式结束

图3-22 for循环语句流程图

因为for循环语句中表达式较多，接下来就以图3-22为主对for循环的执行逻辑进行详细讲解。 第一步，初始化表达式确定初始条件。

第二步，进入到循环条件，判断初始化的条件是否成立，如果成立，则执行{}内的语句；如果

不成立就结束。

第三步，执行完{}内的语句后，执行操作表达式，将条件改变。

第四步，改变条件后，再去执行循环条件，判断条件改变后是否成立，重复第二步。就这样依

次循环，直到条件不成立。

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例如，对自然数1~4求和，实现方式如例3-10所示。 例3-10

1 #include 2 void main() 3 { 4 5 6 7 8 9 10 }

int sum = 0; //定义变量sum，用于记住累加的和 for (int i = 1; i <= 4; i++) //i的值会在1~4之间变化 { }

printf(\打印累加的和

sum += i; //实现sum与i的累加

运行结果如图3-23所示。

图3-23 运行结果

例3-10中，变量i的初始值为1，在判断条件i<=4为真的情况下，会执行循环体sum+=i，执行完毕后，会执行操作表达式i++，i的值变为2，然后继续进行条件判断，开始下一次循环，直到i=5时，条件i<=4为假，结束循环，执行for循环后面的代码，打印“sum=10”。

为了让读者能熟悉整个for循环的执行过程，现将例3-10运行期间每次循环中变量sum和i的值通过表3-1列举出来。

表3-1 sum和i循环中的值

循环次数 第一次 第二次 第三次 第四次 sum 1 3 6 10 i 1 2 3 4 3.5.4 循环的嵌套

有时为了解决一个较为复杂的问题，需要在一个循环中再定义一个循环，这样的方式被称作循环嵌套。在C语言中，while、do…while、for循环语句都可以进行嵌套，并且它们之间也可以互相嵌套。 常用的几种嵌套语句如表3-2所示。

表3-2 常用的几种循环嵌套 常用的循环嵌套形式 while() { while() {….} } while() { do { do{…} while(); }while(); for( ; ;) { … for( ; ;) {… for( ; ;) {…} } do {… 19

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do{…} while(); } while(){…} … } for( ; ;) {…} … } 其中for循环中嵌套是最常见的循环嵌套，其语法格式如下所示：

for(初始化表达式; 循环条件; 操作表达式) { }

……

for(初始化表达式; 循环条件; 操作表达式) { } ……

执行语句; ……

接下来使用循环嵌套来打印出九九乘法表，如例3-11所示。 例3-11

1 #include 2 void main() 3 { 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 }

int i, j;

for (i = 1; i <= 9; i++) { }

for (j = 1; j <= i; j++) { }

printf(\

printf(\后面有一个空格，间隔开每一列的距离

运行结果如图3-24所示。

图3-24 运行结果

在例3-11中定义了两层for循环，分别为外层循环和内层循环，外层循环用于控制打印的行数，内层循环用控制每一行有几列，每一行的列数逐行增加，最后输出一个直角三角形的九九乘法表。该嵌套循环的流程图如图3-25所示。

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开始i <= 9假假j <= i真真printf(“i*j=i*j”);

图3-25 九九乘法表流程图

由于嵌套循环程序比较复杂，下面分步骤进行详细地讲解，具体如下： 第一步，在第4行代码中定义了两个循环变量i和j，其中i为外层循环变量，j为内层循环变量。 第二步，在第5行代码中将i初始化为1，条件i <= 9为真，即一共打印9行。程序将首次进入

外层循环的循环体。

第三步，在第7行代码中将j初始化为1，由于此时i的值为1，条件j <= i为真，程序将首次

进入内层循环的循环体，打印第一行的数值相乘结果：1*1 = 1。

第四步，执行第7行代码中内层循环的操作表达式j++，将j的值自增为2。

第五步，执行第7行代码中的判断条件j<=i，判断结果为假，内层循环结束。执行后面的代码，

打印换行符。

第六步，执行第5行代码中外层循环的操作表达式i++，将i的值自增为2。

第七步，执行第5行代码中的判断条件i<=9，判断结果为真，程序将进入外层循环的循环体，

继续执行内层循环。

第八步，由于i的值为2，内层循环会执行两次，即在第2行打印两列相乘结果：2*1=2 2*2 =4。

在内层循环结束时会打印换行符。

第九步，以此类推，在第3行会打印3列相乘结果，逐行递增，直到i的值为10时，外层循环

的判断条件i <= 9结果为假，外层循环结束，整个程序也就结束了。

除了用for循环来实现乘法表，读者也可以尝试用while和do…while()循环来实现。这里就不再 赘述。

结束3.5.5 跳转语句（break、continue、goto）

跳转语句用于实现循环执行过程中程序流程的跳转，在C语言中，跳转语句有break语句、goto语句和continue语句。接下来分别进行详细地讲解。

1、break语句

在switch条件语句和循环语句中都可以使用break语句。当它出现在switch条件语句中时，作用是终止某个case并跳出switch结构。当它出现在循环语句中，作用是跳出当前循环语句，执行后面的代码。接下来通过一个具体的案例来演示break语句如何跳出当前循环，如例3-12所示。

例3-12

1 #include 2 void main() 3 { 4

int x = 1; //定义变量x，初始值为1

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5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 }

while (x <= 4) //循环条件 { }

printf(\条件成立，打印x的值 if (x == 3) { }

x++; //x进行自增

break;

运行结果如图3-26所示。

图3-26 运行结果

例3-12中，通过while循环打印x的值，当x的值为3时使用break语句跳出循环。因此打印结果中并没有出现“x=4”。需要注意的是，break语句不能用于循环语句和switch语句之外的任何其他语句。

2、continue语句

在循环语句中，如果希望立即终止本次循环，并执行下一次循环，此时就需要使用continue语句。求1~100之内的奇数之和就可以使用continue语句来实现，如例3-13所示。

例3-13

1 #include 2 void main() 3 { 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 }

int sum = 0; //定义变量sum，用于记住和 for (int i = 1; i <= 100; i++) { }

printf(\

if (i % 2 == 0) //如果i是一个偶数，执行if语句中的代码 { }

sum += i; //实现sum和i的累加

continue; //结束本次循环

运行结果如图3-27所示。

图3-27 运行结果

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例3-13使用for循环让变量i的值在1~100之间循环，在循环过程中，当i的值为偶数时，将执行continue语句结束本次循环，进入下一次循环。当i的值为奇数时，sum和i进行累加，最终得到1~100之间所有奇数的和，打印“sum = 2500”。 注意：break与continue的区别

? break终止当前循环，执行循环体外的第一条语句；而continue是终止本次循环，继续执行

下一次循环。

? break语句可以用于switch语句，而continue不可以。 3、goto语句

当break语句出现在嵌套循环中的内层循环时，它只能跳出内层循环，如果想要跳出外层循环则需要对外层循环添加标记，然后使用goto语句。通过一个案例来演示如何使用goto语句，如例3-14所示。

例3-14

1 #include 2 #include 3 int main() 4 { 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

int i, j; //定义两个循环变量 for (i = 1; i <= 9; i++) //外层循环 { }

for (j = 1; j <= i; j++) //内层循环 { }

printf(\换行

if (i > 4) //判断i的值是否大于4 { }

printf(\输出*

goto end; //跳至标识为end的语句

18 end: system(\让运行结果界面暂停,system()包含在stdlib.h头文件中 19 return 0; 20 }

运行结果如图3-28所示。

图3-28 运行结果

例3-14中，在system()语句前面增加了标记“end”。当i>4时，使用“goto end;”语句跳出外层循环。因此程序只打印了4行“*”。

需要注意的是，结构化程序设计方法主张限制使用goto语句，goto语句可以跳转到指定的任意语句，滥用该语句将使程序流程无规律、可读性差。

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3.6 进阶案例（一）——打印水仙花数

学完了C语言程序设计的流程，接下来通过一个打印水仙花数的案例来加深对C语言流程控制程序的理解。所谓的水仙花数是指一个n位数（n ≥ 3），它的每个位上的数字n次幂之和等于本身。例如，3位数153是水仙花，各位数字的立方和13+53+33=153。

例3-15

1 #include 2 void main() 3 {

4 int num; 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 }

int a, b, c;

for (num = 100; num < 1000; num++) { }

a = num % 10; //num的个位数字 b = num / 10 % 10; //num的十位数字 c = num / 100; //num的百位数字

if (num == (a*a*a + b*b*b + c*c*c))

printf(\

运行结果如图3-29所示。

图3-29 运行结果

例3-15中，水仙花数是一个三位数，所以要遍历100-1000之间的数，要求这个三位数的每个数字的立方和，则先要求出其每个位上的数字，第7、8、9行代码分别求出了其个、十、百位上的数字，第11行代码判断三个数字的立方和是否与原来的数相等，相等则打印，不相等则进行下一次循环。

3.7 进阶案例（二）——查找100以内的素数

打印完水仙花后，接下来紧追一步打印出1-100之间的所有素数。所谓素数，是只能被1和它本身整除的数。代码示例如例3-16所示。

例3-16

1 void main() 2 { 3 4

int num = 2; //num从2开始 int i, j = 1;

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5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 24

}

}

if (count % 5 == 0) //每5个换一行

printf(\

if (num == i) //如果跳出内层循环后，num == i成立，即2-num之间的数都不能整除num {

printf(\则num就是一个素数，就打印出来

while (num < 100) //遍历1-100之间的数 {

for (i = 2; i < num; i++) //用2-num之间的所有数去除num { }

if (num % i == 0) //如果模等于0，也就是能被整除 { }

break; //就跳出这层循环，执行num++

18 count++; //记录素数的个数

23 num++; //num++不要忘记

25 printf(\之间的素数一共有%d个\\n\ 26 27 }

system(\让运行结果界面暂停

运行结果如图3-30所示。

图3-30 运行结果

如图3-41所示，1-100之间一共有25个素数。素数只能被1和它本身整除，则在求素数时，要用num与2-num之间的所有数相除，如果没有能整除num的数，则num就是一个素数。

例3-15与例3-16中结合了循环、选择语句之间的嵌套。关于这几种结构语句的使用，读者要多加练习，熟练掌握。

3.8 本章小结

本章首先讲解了程序的运行流程图，然后讲解了C语言中最基本的三种流程控制语句，包括顺序结构语句、选择结构语句和循环语句。通过本章的学习，读者应该能够熟练的运用if判断语句、switch判断语句、while循环语句、do-while循环语句以及for循环语句。掌握本章的内容就能够编写逻辑比较复杂的C语言程序并且有助于后面章节的学习。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/p6yt.html