在 C 语言中实现循环 | 掌握循环结构

介绍

在本实验中，我们将探索 C 编程中的基本循环结构：for、while 和 do-while 循环。这些控制结构允许你重复执行代码块多次，这对于许多编程任务至关重要。我们将讨论每种循环的语法，编写打印数字的示例，并观察输出结果。

本实验涵盖以下步骤：讨论 for、while 和 do-while 循环的语法；编写 for 循环以打印数字；使用 while 循环执行重复任务；实现 do-while 循环示例；以及编译并观察输出结果。

Skills Graph

%%%%{init: {'theme':'neutral'}}%%%% flowchart RL c(("C")) -.-> c/ControlFlowGroup(["Control Flow"]) c(("C")) -.-> c/UserInteractionGroup(["User Interaction"]) c(("C")) -.-> c/BasicsGroup(["Basics"]) c/BasicsGroup -.-> c/variables("Variables") c/BasicsGroup -.-> c/constants("Constants") c/ControlFlowGroup -.-> c/if_else("If...Else") c/ControlFlowGroup -.-> c/for_loop("For Loop") c/ControlFlowGroup -.-> c/while_loop("While Loop") c/UserInteractionGroup -.-> c/output("Output") subgraph Lab Skills c/variables -.-> lab-438332{{"在 C 语言中实现循环"}} c/constants -.-> lab-438332{{"在 C 语言中实现循环"}} c/if_else -.-> lab-438332{{"在 C 语言中实现循环"}} c/for_loop -.-> lab-438332{{"在 C 语言中实现循环"}} c/while_loop -.-> lab-438332{{"在 C 语言中实现循环"}} c/output -.-> lab-438332{{"在 C 语言中实现循环"}} end

讨论 For、While 和 Do-While 循环的语法

在编程世界中，重复是一个基本概念，它使我们能够高效且优雅地完成任务。在 C 编程中，循环是强大的控制结构，使开发者能够多次执行代码块，从而简化复杂的算法和数据处理任务。在本指南中，我们将深入探讨三种主要的循环类型：for、while 和 do-while 循环，探索它们的语法、使用场景和实际应用。

理解循环结构对任何程序员都至关重要，因为它们是算法思维和问题解决的核心。每种循环类型都有其独特的特点，适用于不同的编程场景，我们将在本文中详细探讨。

For 循环语法

for 循环是循环类型中最结构化且最可预测的，非常适合在你确切知道需要迭代多少次的情况下使用。它在处理数组、执行固定次数的重复或实现计数器时特别有用。

for (initialization; condition; increment/decrement) {
    // code to execute in each iteration
}

示例：

此代码片段用于演示目的，清晰地展示了 for 循环的工作原理。

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Counting from 1 to 5 using a for loop:\n");
    for (int i = 1; i <= 5; i++) {
        printf("%d ", i);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

解释：

在此示例中，我们将 for 循环分解为其核心组件。循环是一种紧凑的方式来管理计数器变量、定义停止条件并控制计数器在每次迭代中的变化。

int i = 1; 设置循环计数器的初始状态，从 1 开始。
i <= 5; 定义了继续条件，确保循环在 i 小于或等于 5 时运行。
i++ 在每次循环迭代后将计数器递增 1。
printf("%d ", i); 打印当前值，展示了如何在循环内执行操作。

While 循环语法

与 for 循环相比，while 循环提供了更大的灵活性，非常适合在迭代次数未知的情况下使用。只要指定条件为真，它就会继续执行。

while (condition) {
    // code to execute as long as condition is true
}

示例：

#include <stdio.h>

int main() {
    int count = 1;
    printf("Counting from 1 to 5 using a while loop:\n");
    while (count <= 5) {
        printf("%d ", count);
        count++;
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

解释：

while 循环提供了一种更动态的迭代方法。与 for 循环不同，循环控制变量在循环体内显式管理。

int count = 1; 在循环外初始化计数器。
while (count <= 5) 在每次迭代前检查条件。
printf("%d ", count); 打印当前值。
count++; 手动递增计数器以防止无限循环。

Do-While 循环语法

do-while 循环的独特之处在于它保证代码块至少执行一次，然后再检查条件。这使得它在需要确保某个操作在潜在终止之前发生的情况下非常有用。

do {
    // code to execute at least once
} while (condition);

示例：

#include <stdio.h>

int main() {
    int count = 1;
    printf("Counting from 1 to 5 using a do-while loop:\n");
    do {
        printf("%d ", count);
        count++;
    } while (count <= 5);
    printf("\n");

    return 0;
}

解释：

do-while 循环的结构确保在评估条件之前运行循环内的代码，这在某些编程场景中至关重要。

int count = 1; 初始化计数器。
do { ... } while (count <= 5); 执行代码块，然后检查条件。
printf("%d ", count); 打印当前值。
count++; 递增计数器。

主要区别

了解何时使用每种循环类型对于编写高效且可读的代码至关重要：

for 循环：最适合已知的、固定迭代次数的场景，如数组遍历或基于计数器的重复。
while 循环：适合条件驱动的迭代，其中迭代次数不确定。
do-while 循环：当需要保证至少执行一次后再检查条件时非常有用。

通过掌握这些循环结构，你将能够编写更动态、高效和优雅的 C 程序。

编写 For 循环打印数字

在这一步中，我们将通过创建一个打印不同数字变化的程序，深入探讨如何使用 for 循环。我们将探索如何控制循环的行为，并以各种模式打印数字。

对于初学者来说，理解 for 循环的结构至关重要。它就像一台精心设计的机器，通过三个关键组件的无缝协作，执行一系列操作。

让我们创建一个名为 print_numbers.c 的文件，其中包含多个打印数字的示例：

cd ~/project
touch print_numbers.c

#include <stdio.h>

int main() {
    // 示例 1：打印 1 到 10 的数字
    printf("Numbers from 1 to 10:\n");
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
        printf("%d ", i);
    }
    printf("\n\n");

    // 示例 2：打印 2 到 20 的偶数
    printf("Even numbers from 2 to 20:\n");
    for (int i = 2; i <= 20; i += 2) {
        printf("%d ", i);
    }
    printf("\n\n");

    // 示例 3：以倒序打印 10 到 1 的数字
    printf("Numbers from 10 to 1 in reverse:\n");
    for (int i = 10; i >= 1; i--) {
        printf("%d ", i);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

在学习编程时，观察代码的实际运行是理解其机制的最佳方式。让我们编译并运行程序，看看循环是如何工作的：

gcc print_numbers.c -o print_numbers
./print_numbers

示例输出：

Numbers from 1 to 10:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Even numbers from 2 to 20:
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Numbers from 10 to 1 in reverse:
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

让我们分解 for 循环的关键部分，以帮助你真正理解其内部工作原理：

for (int i = 1; i <= 10; i++) 包含三个关键组件：
1. 初始化：int i = 1（从 1 开始）—— 这设置了你的起点
2. 条件：i <= 10（当 i 小于或等于 10 时继续）—— 这决定了循环将运行多久
3. 递增：i++（每次迭代后将 i 增加 1）—— 这控制了循环的推进方式

在第二个示例中，i += 2 展示了一种跳过数字的强大技术。通过每次将计数器增加 2，我们只打印偶数，展示了循环控制的灵活性。

第三个示例引入了反向迭代的概念。通过使用 i--，我们从 10 倒数到 1，说明循环可以根据我们如何操作计数器朝不同方向移动。

这些示例展示了使用循环的不同方式，突出了它们在解决编程挑战中的多功能性。随着你继续学习，你会发现越来越多使用这些强大结构的方法。

使用 While 循环执行重复任务

在这一步中，我们将探讨如何使用 while 循环来执行重复任务。while 循环在你希望持续执行某个操作直到满足特定条件时特别有用。你可以将 while 循环想象成一个智能助手，它会一直工作，直到被告知停止。

创建一个名为 multiplication_table.c 的文件，以展示 while 循环的实际用途：

cd ~/project
touch multiplication_table.c

#include <stdio.h>

int main() {
    // 生成 5 的乘法表
    int number = 5;
    int multiplier = 1;

    printf("Multiplication Table for %d:\n", number);

    while (multiplier <= 10) {
        int result = number * multiplier;
        printf("%d x %d = %d\n", number, multiplier, result);
        multiplier++;
    }

    // 使用 while 循环计算和的示例
    printf("\nSum of Numbers from 1 to 10:\n");
    int sum = 0;
    int counter = 1;

    while (counter <= 10) {
        sum += counter;
        counter++;
    }
    printf("Total sum: %d\n", sum);

    return 0;
}

在学习编程时，实际示例有助于巩固你的理解。在这段代码中，我们展示了两个经典的场景，while 循环在这些场景中表现出色：生成乘法表和计算累加和。

现在，让我们编译并运行程序：

gcc multiplication_table.c -o multiplication_table
./multiplication_table

示例输出：

Multiplication Table for 5:
5 x 1 = 5
5 x 2 = 10
5 x 3 = 15
5 x 4 = 20
5 x 5 = 25
5 x 6 = 30
5 x 7 = 35
5 x 8 = 40
5 x 9 = 45
5 x 10 = 50

Sum of Numbers from 1 to 10:
Total sum: 55

让我们更深入地分解 while 循环的结构。while 循环就像一台条件重复机器，它在每次迭代之前检查特定条件。

while (condition) 只要条件为真，就会继续执行代码块
在第一个示例中，while (multiplier <= 10) 运行乘法表的生成
multiplier++ 每次递增计数器，以防止无限循环
第二个示例展示了如何使用 while 循环计算和

理解 while 循环的机制对于新手程序员至关重要。这些循环提供了一种灵活的方式，可以在不知道确切迭代次数的情况下重复代码。

关于 while 循环的关键点：

当你不知道确切需要多少次迭代时，它们非常理想
始终确保有一种方式最终退出循环
注意在循环内部修改条件，以避免无限循环

对于初学者来说，可以将 while 循环视为一种智能的条件重复机制。它就像一个勤奋的工人，只要满足特定条件，就会继续执行任务，只有在条件变为假时才会停止。

实现 Do-While 循环示例

在这一步中，我们将探讨 do-while 循环的独特特性，它保证代码块在检查条件之前至少执行一次。这种方法在你需要确保特定代码块最初运行，而不管后续条件如何时特别有用。

创建一个名为 number_guessing_game.c 的文件，以展示 do-while 循环的实际用途：

cd ~/project
touch number_guessing_game.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main() {
    // 初始化随机数生成器
    srand(time(NULL));

    // 生成一个 1 到 10 之间的随机数
    int secret_number = rand() % 10 + 1;
    int guess;
    int attempts = 0;

    printf("Welcome to the Number Guessing Game!\n");
    printf("I'm thinking of a number between 1 and 10.\n");

    do {
        // 提示用户输入
        printf("Enter your guess (1-10): ");
        scanf("%d", &guess);
        attempts++;

        // 提供反馈
        if (guess < secret_number) {
            printf("Too low! Try again.\n");
        } else if (guess > secret_number) {
            printf("Too high! Try again.\n");
        } else {
            printf("Congratulations! You guessed the number in %d attempts!\n", attempts);
        }
    } while (guess != secret_number);

    return 0;
}

在学习编程时，像这个猜数字游戏这样的实际示例有助于以引人入胜且易于理解的方式说明复杂的概念。这段代码展示了 do-while 循环如何创建响应用户输入的交互式动态体验。

现在，让我们编译并运行程序：

gcc number_guessing_game.c -o number_guessing_game
./number_guessing_game

示例输出：

Welcome to the Number Guessing Game!
I'm thinking of a number between 1 and 10.
Enter your guess (1-10): 5
Too low! Try again.
Enter your guess (1-10): 7
Too high! Try again.
Enter your guess (1-10): 6
Congratulations! You guessed the number in 3 attempts!

do-while 循环的关键特性提供了对其独特行为的深入理解：

代码块在检查条件之前至少执行一次
条件在循环结束时检查
语法：do { ... } while (condition);
当你希望确保代码至少运行一次时非常有用

在这个示例中，我们设计了一个简单但具有教育意义的演示，展示了 do-while 循环的强大功能。通过生成一个随机秘密数字并实现一个交互式猜测机制，我们说明了这种循环结构如何创建引人入胜的编程体验。

该程序系统地引导用户完成一个游戏，其中：

生成一个随机数
do-while 循环确保我们至少询问一次猜测
循环持续运行，直到猜中正确的数字
提供有用的反馈，帮助用户进行后续猜测

理解这些循环结构对于开发更复杂和交互式的编程解决方案至关重要，使这个示例成为学习 C 语言控制流的绝佳起点。

扩展 Do-While 循环示例

在这一步中，我们将扩展 do-while 循环示例，以包含更多功能。我们将修改猜数字游戏，提供提示并限制尝试次数。这种方法展示了循环如何创建引人入胜的交互式编程体验，同时教授核心编程概念。

创建一个名为 extended_number_guessing_game.c 的文件：

cd ~/project
touch extended_number_guessing_game.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main() {
    // 初始化随机数生成器
    srand(time(NULL));

    // 生成一个 1 到 10 之间的随机数
    int secret_number = rand() % 10 + 1;
    int guess;
    int attempts = 0;
    int max_attempts = 5;

    printf("Welcome to the Extended Number Guessing Game!\n");
    printf("I'm thinking of a number between 1 and 10.\n");

    do {
        // 提示用户输入
        printf("Enter your guess (1-10): ");
        scanf("%d", &guess);
        attempts++;

        // 提供反馈
        if (guess < secret_number) {
            printf("Too low! Try again.\n");
        } else if (guess > secret_number) {
            printf("Too high! Try again.\n");
        } else {
            printf("Congratulations! You guessed the number in %d attempts!\n", attempts);
            break;
        }

        if (attempts >= max_attempts) {
            printf("Sorry, you've reached the maximum number of attempts. The number was %d.\n", secret_number);
            break;
        }
    } while (guess != secret_number);

    return 0;
}

上面的代码展示了一种强大的编程技术，结合了随机数生成、用户交互和循环控制。通过使用 do-while 循环，我们创建了一个游戏，该游戏会持续运行，直到玩家猜中正确的数字或用尽尝试次数。

现在，让我们编译并运行程序：

gcc extended_number_guessing_game.c -o extended_number_guessing_game
./extended_number_guessing_game

示例输出：

Welcome to the Extended Number Guessing Game!
I'm thinking of a number between 1-10.
Enter your guess (1-10): 5
Too low! Try again.
Enter your guess (1-10): 7
Too high! Try again.
Enter your guess (1-10): 6
Congratulations! You guessed the number in 3 attempts!

此示例中的关键新增内容展示了重要的编程原则：

使用 rand() 和 srand() 进行动态随机数生成
使用 scanf() 处理用户输入
条件反馈机制
尝试次数跟踪和限制
使用 break 语句跳出循环

通过探索此示例，初学者可以理解循环如何为创建交互式和动态程序提供强大的工具，将简单的代码转化为引人入胜的体验。

总结

在本实验中，我们探索了 C 编程中的基本循环结构：for、while 和 do-while 循环。我们学习了每种循环的语法，并实现了打印 1 到 5 数字的示例。for 循环使用计数器变量来控制迭代次数，while 循环在执行循环体之前检查条件，而 do-while 循环在执行循环体至少一次后才检查条件。通过理解这些循环结构，我们可以编写更复杂和灵活的程序，根据需要重复任务。