分支与循环结构

第一部分！

一个程序默认是按照代码的顺序执行下来的，有时我们需要选择性的执行某些语句，这时候就需要分支的功能来实现。选择合适的分支语句可以提高程序的效率。

if 语句

基本 if 语句

以下是基本 if 语句的结构。

if (条件) {
  主体;
}

if 语句通过对条件进行求值，若结果为真（非 0），执行语句，否则不执行。

如果主体中只有单个语句的话，花括号可以省略。

if...else 语句

if (条件) {
  主体1;
} else {
  主体2;
}

if...else 语句和 if 语句类似，else 不需要再写条件。当 if 语句的条件满足时会执行 if 里的语句，if 语句的条件不满足时会执行 else 里的语句。同样，当主体只有一条语句时，可以省略花括号。

else if 语句

if (条件1) {
  主体1;
} else if (条件2) {
  主体2;
} else if (条件3) {
  主体3;
} else {
  主体4;
}

else if 语句是 if 和 else 的组合，对多个条件进行判断并选择不同的语句分支。在最后一条的 else 语句不需要再写条件。例如，若条件 1 为真，执行主体 1，条件 3 为真而条件 1 和条件 2 都为假，执行主体 3，所有的条件都为假才执行主体 4。

实际上，这一个语句相当于第一个 if 的 else 分句只有一个 if 语句，就将花括号省略之后放在一起了。如果条件相互之间是并列关系，这样写可以让代码的逻辑更清晰。

在逻辑上，大约相当于这一段话：

解一元二次方程的时候，方程的根与判别式的关系：

如果 ( $\Delta<0$ ) 方程无解；

否则，如果 ( $\Delta=0$ ) 方程有两个相同的实数解；

否则方程有两个不相同的实数解；

switch 语句

switch (选择句) {
  case 标签1:
    主体1;
  case 标签2:
    主体2;
  default:
    主体3;
}

switch 语句执行时，先求出选择句的值，然后根据选择句的值选择相应的标签，从标签处开始执行。其中，选择句必须是一个整数类型表达式，而标签都必须是整数类型的常量。例如：

int i = 1;  // 这里的 i 的数据类型是整型 ，满足整数类型的表达式的要求

switch (i) {
  case 1:
    cout << "OI WIKI" << endl;
}

char i = 'A';

// 这里的 i 的数据类型是字符型 ，但 char
// 也是属于整数的类型，满足整数类型的表达式的要求
switch (i) {
  case 'A':
    cout << "OI WIKI" << endl;
}

switch 语句中还要根据需求加入 break 语句进行中断，否则在对应的 case 被选择之后接下来的所有 case 里的语句和 default 里的语句都会被运行。具体例子可看下面的示例。

char i = 'B';

switch (i) {
  case 'A':
    cout << "OI" << endl;
    break;

  case 'B':
    cout << "WIKI" << endl;

  default:
    cout << "Hello World" << endl;
}

以上代码运行后输出的结果为 WIKI 和 Hello World，如果不想让下面分支的语句被运行就需要 break 了，具体例子可看下面的示例。

char i = 'B';

switch (i) {
  case 'A':
    cout << "OI" << endl;
    break;

  case 'B':
    cout << "WIKI" << endl;
    break;

  default:
    cout << "Hello World" << endl;
}

以上代码运行后输出的结果为 WIKI，因为 break 的存在，接下来的语句就不会继续被执行了。最后一个语句不需要 break，因为下面没有语句了。

处理入口编号不能重复，但可以颠倒。也就是说，入口编号的顺序不重要。各个 case（包括 default）的出现次序可任意。例如：

char i = 'B';

switch (i) {
  case 'B':
    cout << "WIKI" << endl;
    break;

  default:
    cout << "Hello World" << endl;
    break;

  case 'A':
    cout << "OI" << endl;
}

switch 的 case 分句中也可以选择性的加花括号。不过要注意的是，如果需要在 switch 语句中定义变量，花括号是必须要加的。例如：

char i = 'B';

switch (i) {
  case 'A': {
    int i = 1, j = 2;
    cout << "OI" << endl;
    ans = i + j;
    break;
  }

  case 'B': {
    int qwq = 3;
    cout << "WIKI" << endl;
    ans = qwq * qwq;
    break;
  }

  default: {
    cout << "Hello World" << endl;
  }
}

如何理解 switch

在上文中，用了大量「case 分句」，「case 子句」等用语，实际上，在底层实现中，switch 相当于一组跳转语句。也因此，有 Duff's Device 这种奇技淫巧，希望了解的人可以自行学习。

第二部分！

有时，我们需要做一件事很多遍，为了不写过多重复的代码，我们需要循环。

有时，循环的次数不是一个常量，那么我们无法将代码重复多遍，必须使用循环。

for 语句

以下是 for 语句的结构：

for (初始化; 判断条件; 更新) {
  循环体;
}

执行顺序：

e.g. 读入 n 个数：

for (int i = 1; i <= n; ++i) {
  cin >> a[i];
}

for 语句的三个部分中，任何一个部分都可以省略。其中，若省略了判断条件，相当于判断条件永远为真。

while 语句

以下是 while 语句的结构：

while (判断条件) {
  循环体;
}

执行顺序：

e.g. 验证 3x+1 猜想：

while (x > 1) {
  if (x % 2 == 1) {
    x = 3 * x + 1;
  } else {
    x = x / 2;
  }
}

do...while 语句

以下是 do...while 语句的结构：

do {
  循环体;
} while (判断条件);

执行顺序：

与 while 语句的区别在于，do...while 语句是先执行循环体再进行判断的。

e.g. 枚举排列：

do {
  // do someting...
} while (next_permutation(a + 1, a + n + 1));

三种语句的联系

// for 语句

for (statement1; statement2; statement3) {
  statement4;
}

// while 语句

statement1;
while (statement2) {
  statement4;
  statement3;
}

在 statement4 中没有 continue 语句（见下文）的时候是等价的，但是下面一种方法很少用到。

// while 语句

statement1;
while (statement2) {
  statement1;
}

// do...while 语句

do {
  statement1;
} while (statement2);

在 statement1 中没有 continue 语句的时候这两种方式也也是等价的。

while (1) {
  // do something...
}

for (;;) {
  // do something...
}

这两种方式都是永远循环下去。（可以使用 break（见下文）退出。）

可以看出，三种语句可以彼此代替，但一般来说，语句的选用遵守以下原则：

循环过程中有个固定的增加步骤（最常见的是枚举）时，使用 for 语句；
只确定循环的终止条件时，使用 while 语句；
使用 while 语句时，若要先执行循环体再进行判断，使用 do...while 语句。一般很少用到，常用场景是用户输入。

break 与 continue 语句

break 语句的作用是退出循环。

continue 语句的作用是跳过循环体的余下部分。下面以 continue 语句在 do...while 语句中的使用为例：

do {
  // do something...
  continue;  // 等价于 goto END;
// do something...
END:;
} while (statement);

break 与 continue 语句均可在三种循环语句的循环体中使用。

一般来说，break 与 continue 语句用于让代码的逻辑更加清晰，例如：

// 逻辑较为不清晰，大括号层次复杂

for (int i = 1; i <= n; ++i) {
  if (i != x) {
    for (int j = 1; j <= n; ++j) {
      if (j != x) {
        // do something...
      }
    }
  }
}

// 逻辑更加清晰，大括号层次简单明了

for (int i = 1; i <= n; ++i) {
  if (i == x) continue;
  for (int j = 1; j <= n; ++j) {
    if (j == x) continue;
    // do something...
  }
}

// for 语句判断条件复杂，没有体现「枚举」的本质

for (int i = l; i <= r && i % 10 != 0; ++i) {
  // do something...
}

// for 语句用于枚举，break 用于「到何时为止」

for (int i = l; i <= r; ++i) {
  if (i % 10 == 0) break;
  // do something...
}

// 语句重复，顺序不自然

statement1;
while (statement3) {
  statement2;
  statement1;
}

// 没有重复语句，顺序自然

while (1) {
  statement1;
  if (!statement3) break;
  statement2;
}

第一部分！

if 语句​

基本 if 语句​

if...else 语句​

else if 语句​

switch 语句​

第二部分！

for 语句​

while 语句​

do...while 语句​

三种语句的联系​

break 与 continue 语句​

if 语句

基本 if 语句

if...else 语句

else if 语句

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for 语句

while 语句

do...while 语句

三种语句的联系

break 与 continue 语句