第三章控制结构

本章将详细介绍C++中的控制结构，包括条件语句、循环语句、跳转语句和switch语句，这些是控制程序流程的基本工具。

3.1 条件语句

3.1.1 if语句

if语句是C++中最基本的条件控制结构。

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main() {
    int score = 85;
 
    // 简单if语句
    if (score >= 60) {
        cout << "Passed" << endl;
    }
 
    // if-else语句
    if (score >= 60) {
        cout << "Passed" << endl;
    } else {
        cout << "Failed" << endl;
    }
 
    // if-else if-else链
    if (score >= 90) {
        cout << "Grade: A" << endl;
    } else if (score >= 80) {
        cout << "Grade: B" << endl;
    } else if (score >= 70) {
        cout << "Grade: C" << endl;
    } else if (score >= 60) {
        cout << "Grade: D" << endl;
    } else {
        cout << "Grade: F" << endl;
    }
 
    return 0;
}

3.1.2 嵌套if语句

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main() {
    int age = 25;
    bool hasLicense = true;
 
    // 嵌套if
    if (age >= 18) {
        if (hasLicense) {
            cout << "You can drive" << endl;
        } else {
            cout << "You need a license" << endl;
        }
    } else {
        cout << "You are too young to drive" << endl;
    }
 
    // 使用逻辑运算符简化
    if (age >= 18 && hasLicense) {
        cout << "You can drive" << endl;
    }
 
    // 悬空else问题
    int x = 5, y = 10;
    if (x > 0)
        if (y > 0)
            cout << "Both positive" << endl;
        else  // 这个else匹配内层的if
            cout << "y not positive" << endl;
 
    // 使用花括号避免歧义
    if (x > 0) {
        if (y > 0) {
            cout << "Both positive" << endl;
        }
    } else {
        cout << "x not positive" << endl;
    }
 
    return 0;
}

3.1.3 if语句的注意事项

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main() {
    int* ptr = nullptr;
 
    // 常见错误：赋值而不是比较
    int x = 5;
    if (x = 10) {  // 警告：赋值操作，x变为10，条件为真
        cout << "This will always print" << endl;
    }
 
    // 安全做法：常量在前
    if (10 == x) {  // 如果写成 = 会编译错误
        cout << "x is 10" << endl;
    }
 
    // 检查空指针
    if (ptr) {  // 等价于 ptr != nullptr
        cout << "Pointer is valid" << endl;
    }
 
    // C++17 if with initializer
    if (int value = someFunction(); value > 0) {
        cout << "Positive: " << value << endl;
    }  // value在这里超出作用域
 
    return 0;
}

3.2 switch语句

3.2.1 基本语法

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main() {
    int day = 3;
 
    switch (day) {
        case 1:
            cout << "Monday" << endl;
            break;
        case 2:
            cout << "Tuesday" << endl;
            break;
        case 3:
            cout << "Wednesday" << endl;
            break;
        case 4:
            cout << "Thursday" << endl;
            break;
        case 5:
            cout << "Friday" << endl;
            break;
        case 6:
        case 7:
            cout << "Weekend" << endl;
            break;
        default:
            cout << "Invalid day" << endl;
            break;
    }
 
    return 0;
}

3.2.2 switch的注意事项

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main() {
    // switch表达式必须是整数类型
    // char、short、int、long、enum都可以
    char grade = 'B';
 
    switch (grade) {
        case 'A':
            cout << "Excellent" << endl;
            break;
        case 'B':
            cout << "Good" << endl;
            // 注意：这里没有break，会fall-through到case 'C'
        case 'C':
            cout << "Average" << endl;
            break;
        case 'D':
            cout << "Poor" << endl;
            break;
        case 'F':
            cout << "Fail" << endl;
            break;
        default:
            cout << "Invalid grade" << endl;
    }
 
    // C++17 [[fallthrough]] 属性
    int x = 1;
    switch (x) {
        case 1:
            cout << "One" << endl;
            [[fallthrough]];  // 明确表示故意fall-through
        case 2:
            cout << "Two" << endl;
            break;
    }
 
    // 不能使用字符串
    // string name = "hello";
    // switch (name) { }  // 错误！
 
    return 0;
}

3.2.3 枚举与switch

#include <iostream>
using namespace std;
 
enum class Color {
    Red,
    Green,
    Blue
};
 
enum Direction {
    North,
    South,
    East,
    West
};
 
int main() {
    Direction dir = East;
 
    switch (dir) {
        case North:
            cout << "Going North" << endl;
            break;
        case South:
            cout << "Going South" << endl;
            break;
        case East:
            cout << "Going East" << endl;
            break;
        case West:
            cout << "Going West" << endl;
            break;
    }
 
    // C++11强类型枚举
    Color c = Color::Red;
    switch (c) {
        case Color::Red:
            cout << "Red" << endl;
            break;
        case Color::Green:
            cout << "Green" << endl;
            break;
        case Color::Blue:
            cout << "Blue" << endl;
            break;
    }
 
    return 0;
}

3.3 循环语句

3.3.1 while循环

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main() {
    // 基本while循环
    int count = 0;
    while (count < 5) {
        cout << "Count: " << count << endl;
        count++;
    }
 
    // 读取输入直到遇到特定值
    int number;
    cout << "Enter numbers (0 to stop): " << endl;
    while (cin >> number && number != 0) {
        cout << "You entered: " << number << endl;
    }
 
    // 无限循环（需要break）
    int sum = 0;
    int n;
    while (true) {
        cout << "Enter a number (-1 to stop): ";
        cin >> n;
        if (n == -1) break;
        sum += n;
    }
    cout << "Sum: " << sum << endl;
 
    // do-while循环（至少执行一次）
    int choice;
    do {
        cout << "\nMenu:" << endl;
        cout << "1. Option 1" << endl;
        cout << "2. Option 2" << endl;
        cout << "3. Exit" << endl;
        cout << "Enter choice: ";
        cin >> choice;
 
        switch (choice) {
            case 1: cout << "Option 1 selected" << endl; break;
            case 2: cout << "Option 2 selected" << endl; break;
            case 3: cout << "Goodbye" << endl; break;
            default: cout << "Invalid choice" << endl;
        }
    } while (choice != 3);
 
    return 0;
}

3.3.2 for循环

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main() {
    // 基本for循环
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        cout << "i = " << i << endl;
    }
 
    // 多种变体
    // 1. 省略初始化
    int j = 0;
    for (; j < 5; j++) {
        cout << "j = " << j << endl;
    }
 
    // 2. 省略条件（无限循环）
    for (int k = 0; ; k++) {
        if (k >= 5) break;
        cout << "k = " << k << endl;
    }
 
    // 3. 省略更新
    for (int m = 0; m < 5; ) {
        cout << "m = " << m << endl;
        m++;
    }
 
    // 4. 多重初始化（C++允许）
    for (int a = 0, b = 10; a < b; a++, b--) {
        cout << "a = " << a << ", b = " << b << endl;
    }
 
    // 5. 范围for循环（C++11）
    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    for (int x : arr) {
        cout << x << " ";
    }
    cout << endl;
 
    // 使用引用修改元素
    for (int& x : arr) {
        x *= 2;
    }
 
    // 使用auto（C++11）
    for (auto x : arr) {
        cout << x << " ";
    }
    cout << endl;
 
    return 0;
}

3.3.3 嵌套循环

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;
 
int main() {
    // 打印乘法表
    cout << "Multiplication Table:" << endl;
    for (int i = 1; i <= 9; i++) {
        for (int j = 1; j <= i; j++) {
            cout << j << "x" << i << "=" << setw(2) << i * j << " ";
        }
        cout << endl;
    }
 
    // 打印金字塔
    int rows = 5;
    for (int i = 1; i <= rows; i++) {
        // 打印空格
        for (int j = 1; j <= rows - i; j++) {
            cout << " ";
        }
        // 打印星号
        for (int k = 1; k <= 2 * i - 1; k++) {
            cout << "*";
        }
        cout << endl;
    }
 
    // 使用break跳出内层循环
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        for (int j = 0; j < 10; j++) {
            if (i * j > 20) {
                break;  // 只跳出内层循环
            }
            cout << i * j << " ";
        }
        cout << endl;
    }
 
    return 0;
}

3.4 跳转语句

3.4.1 break语句

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main() {
    // 在switch中使用
    int choice = 2;
    switch (choice) {
        case 1:
            cout << "One" << endl;
            break;
        case 2:
            cout << "Two" << endl;
            break;  // 跳出switch
        case 3:
            cout << "Three" << endl;
            break;
    }
 
    // 在循环中使用
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        if (i == 10) {
            break;  // 跳出循环
        }
        cout << i << " ";
    }
    cout << endl;
 
    // 查找第一个能被7和13整除的数
    int num = 1;
    while (true) {
        if (num % 7 == 0 && num % 13 == 0) {
            cout << "Found: " << num << endl;  // 91
            break;
        }
        num++;
    }
 
    return 0;
}

3.4.2 continue语句

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main() {
    // 跳过偶数
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        if (i % 2 == 0) {
            continue;  // 跳过本次循环剩余部分
        }
        cout << i << " ";  // 只打印奇数
    }
    cout << endl;
 
    // 只处理正数
    int numbers[] = {1, -2, 3, -4, 5, -6, 7};
    int sum = 0;
    for (int num : numbers) {
        if (num < 0) {
            continue;  // 跳过负数
        }
        sum += num;
    }
    cout << "Sum of positives: " << sum << endl;  // 16
 
    // 在while中使用continue要小心
    int x = 0;
    while (x < 10) {
        x++;  // 先递增！
        if (x % 3 == 0) {
            continue;
        }
        cout << x << " ";
    }
    cout << endl;
 
    return 0;
}

3.4.3 goto语句

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main() {
    // goto语句（尽量避免使用）
    int i = 0;
 
loop_start:
    if (i >= 5) {
        goto loop_end;
    }
    cout << "i = " << i << endl;
    i++;
    goto loop_start;
 
loop_end:
    cout << "Loop finished" << endl;
 
    // goto的一个合理使用场景：跳出多层循环
    for (int a = 0; a < 10; a++) {
        for (int b = 0; b < 10; b++) {
            for (int c = 0; c < 10; c++) {
                if (a * b * c == 27) {
                    cout << "Found: a=" << a << ", b=" << b << ", c=" << c << endl;
                    goto found;  // 跳出所有循环
                }
            }
        }
    }
 
found:
    cout << "Search complete" << endl;
 
    // 更好的替代：使用函数和return
    // 或使用标志变量
    bool found2 = false;
    for (int a = 0; a < 10 && !found2; a++) {
        for (int b = 0; b < 10 && !found2; b++) {
            for (int c = 0; c < 10; c++) {
                if (a * b * c == 27) {
                    cout << "Found: " << a << ", " << b << ", " << c << endl;
                    found2 = true;
                    break;
                }
            }
        }
    }
 
    return 0;
}

3.4.4 return语句

#include <iostream>
using namespace std;
 
// 从函数返回值
int max(int a, int b) {
    if (a > b) {
        return a;  // 提前返回
    }
    return b;
}
 
// void函数中的return
void printPositive(int n) {
    if (n <= 0) {
        cout << "Not positive" << endl;
        return;  // 提前结束函数
    }
    cout << "Positive: " << n << endl;
}
 
// main函数中的return
int main() {
    cout << max(10, 20) << endl;
 
    printPositive(5);
    printPositive(-3);
 
    // return 0表示程序成功结束
    return 0;
    // 或者省略，C++会自动return 0
}

3.5 C++17新特性

3.5.1 if和switch的初始化语句

#include <iostream>
#include <map>
using namespace std;
 
int main() {
    map<string, int> scores;
    scores["Alice"] = 90;
    scores["Bob"] = 85;
 
    // C++17: if with initializer
    if (auto it = scores.find("Alice"); it != scores.end()) {
        cout << "Alice's score: " << it->second << endl;
    }
    // it在这里不可见，避免污染外部作用域
 
    // C++17: switch with initializer
    switch (int choice = 2; choice) {
        case 1: cout << "One" << endl; break;
        case 2: cout << "Two" << endl; break;
        default: cout << "Other" << endl;
    }
 
    // 实际应用：锁的自动管理
    // if (lock_guard<mutex> lock(mtx); shared_data.ready) {
    //     process(shared_data.value);
    // }
 
    return 0;
}

3.6 最佳实践

3.6.1 代码风格建议

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main() {
    // 1. 总是使用花括号，即使只有一条语句
    if (true) {
        cout << "Good practice" << endl;
    }
 
    // 避免这样：
    // if (true)
    //     cout << "Risky" << endl;
    //     cout << "This always executes!" << endl;  // 不是if的一部分
 
    // 2. 避免深层嵌套，使用提前返回
    int value = 10;
 
    // 不好的写法
    if (value > 0) {
        if (value < 100) {
            if (value % 2 == 0) {
                cout << "Valid even number" << endl;
            }
        }
    }
 
    // 好的写法
    if (value <= 0) {
        cout << "Not positive" << endl;
    } else if (value >= 100) {
        cout << "Too large" << endl;
    } else if (value % 2 != 0) {
        cout << "Not even" << endl;
    } else {
        cout << "Valid even number" << endl;
    }
 
    // 或者使用guard clause
    if (value <= 0 || value >= 100) {
        cout << "Out of range" << endl;
    } else if (value % 2 != 0) {
        cout << "Not even" << endl;
    } else {
        cout << "Valid even number" << endl;
    }
 
    // 3. switch中使用枚举代替整数
    enum class Operation { Add, Subtract, Multiply, Divide };
    Operation op = Operation::Add;
 
    switch (op) {
        case Operation::Add:      /* ... */ break;
        case Operation::Subtract: /* ... */ break;
        case Operation::Multiply: /* ... */ break;
        case Operation::Divide:   /* ... */ break;
    }
 
    // 4. 范围for循环优先
    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
 
    // 推荐
    for (int x : arr) {
        cout << x << " ";
    }
 
    // 不推荐
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        cout << arr[i] << " ";
    }
 
    return 0;
}

3.7 本章小结

本章我们学习了：

if语句的各种形式：简单if、if-else、if-else if链
switch语句的用法和注意事项（break、fall-through）
三种循环：while、do-while、for
范围for循环（C++11）
跳转语句：break、continue、goto、return
C++17的if/switch初始化语句
控制结构的最佳实践

练习题

基础练习：

1. 编写程序判断一个年份是否是闰年。闰年条件：

能被4整除但不能被100整除，或
能被400整除

2. 使用switch语句实现简单计算器，支持+、-、*、/运算

3. 编写程序打印斐波那契数列的前n项（使用循环）

4. 编写程序判断一个数是否是质数

进阶练习：

5. 实现数字猜测游戏：

程序随机生成1-100的数字
用户猜测，程序提示“太大”或“太小”
记录猜测次数
允许用户选择是否继续游戏

6. 打印菱形图案，用户可以输入行数

7. 编写程序找出1-1000之间的所有完数（等于其因子之和的数）

思考题：

8. 分析以下代码的输出：

 <code cpp>
 int i = 0;
 while (i++ < 5) {
     cout << i << " ";
 }
 </code>

9. 比较for、while、do-while的适用场景，各举一例

10. 研究C++20的ranges库如何改变循环的写法

参考答案

练习1参考：

bool isLeapYear(int year) {
    return (year % 4 == 0 && year % 100 != 0) || (year % 400 == 0);
}

练习4参考：

bool isPrime(int n) {
    if (n <= 1) return false;
    if (n <= 3) return true;
    if (n % 2 == 0 || n % 3 == 0) return false;
 
    for (int i = 5; i * i <= n; i += 6) {
        if (n % i == 0 || n % (i + 2) == 0) {
            return false;
        }
    }
    return true;
}

练习6参考：

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main() {
    int n;
    cout << "Enter number of rows (odd): ";
    cin >> n;
 
    int half = n / 2;
 
    // 上半部分
    for (int i = 0; i <= half; i++) {
        for (int j = 0; j < half - i; j++) cout << " ";
        for (int j = 0; j < 2 * i + 1; j++) cout << "*";
        cout << endl;
    }
 
    // 下半部分
    for (int i = half - 1; i >= 0; i--) {
        for (int j = 0; j < half - i; j++) cout << " ";
        for (int j = 0; j < 2 * i + 1; j++) cout << "*";
        cout << endl;
    }
 
    return 0;
}

继续学习：第四章函数

目录

第三章控制结构

3.1 条件语句

3.1.1 if语句

3.1.2 嵌套if语句

3.1.3 if语句的注意事项

3.2 switch语句

3.2.1 基本语法

3.2.2 switch的注意事项

3.2.3 枚举与switch

3.3 循环语句

3.3.1 while循环

3.3.2 for循环

3.3.3 嵌套循环

3.4 跳转语句

3.4.1 break语句

3.4.2 continue语句

3.4.3 goto语句

3.4.4 return语句

3.5 C++17新特性

3.5.1 if和switch的初始化语句

3.6 最佳实践

3.6.1 代码风格建议

3.7 本章小结

练习题

参考答案

下一章

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第三章 控制结构

3.1 条件语句

3.1.1 if语句

3.1.2 嵌套if语句

3.1.3 if语句的注意事项

3.2 switch语句

3.2.1 基本语法

3.2.2 switch的注意事项

3.2.3 枚举与switch

3.3 循环语句

3.3.1 while循环

3.3.2 for循环

3.3.3 嵌套循环

3.4 跳转语句

3.4.1 break语句

3.4.2 continue语句

3.4.3 goto语句

3.4.4 return语句

3.5 C++17新特性

3.5.1 if和switch的初始化语句

3.6 最佳实践

3.6.1 代码风格建议

3.7 本章小结

练习题

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