【重学C语言】五、分支结构

Jasonakeke2024-04-07 19:58

【重学C语言】五、分支结构

  • 三种结构
  • 分支结构
    • [`if` 语句](#if 语句)
      • [示例 1：基本的 if 语句](#示例 1：基本的 if 语句)
    • [`if...else` 语句](#if...else 语句)
      • [示例 2：if...else 语句](#示例 2：if...else 语句)
    • [嵌套 `if`](#嵌套 if)
      • [示例 3：嵌套的 if 语句](#示例 3：嵌套的 if 语句)
    • [`if` 语句与逻辑运算符](#if 语句与逻辑运算符)
      • [示例 4：使用逻辑与（&&）](#示例 4：使用逻辑与（&&）)
      • [示例 5：使用逻辑或（||）](#示例 5：使用逻辑或（||）)
      • [示例 6：使用逻辑非（!）](#示例 6：使用逻辑非（!）)
      • [示例 7：组合使用逻辑运算符](#示例 7：组合使用逻辑运算符)
    • [`if` 语句与关系运算符](#if 语句与关系运算符)
      • [示例 8：比较两个整数](#示例 8：比较两个整数)
      • [示例 9：检查字符串是否相等](#示例 9：检查字符串是否相等)
      • [示例 10：检查变量是否在特定范围内](#示例 10：检查变量是否在特定范围内)
      • [示例 11：检查用户输入](#示例 11：检查用户输入)
    • [`if ... else` 注意事项](#if ... else 注意事项)
    • [`switch` 语句](#switch 语句)
      • [示例 12：使用 `switch` 语句](#示例 12：使用 switch 语句)
    • [`switch` 注意事项](#switch 注意事项)
  • [`if` 和 `switch` 语句的应用](#if 和 switch 语句的应用)
    • [`if` 语句的应用](#if 语句的应用)
    • [`switch` 语句的应用](#switch 语句的应用)

三种结构

C语言中的三种基本结构是指顺序结构、选择结构（分支结构）和循环结构。这三种结构是构成C语言程序的基本框架，它们能够组合起来实现复杂的逻辑和算法。

  1. 顺序结构 ：
    顺序结构是程序中最基本的结构，它按照代码的顺序逐行执行。在顺序结构中，语句与语句之间，框与框之间是按从上到下的顺序进行的，它是由若干个依次执行的处理步骤组成的，它是任何一个算法都离不开的一种基本算法结构。

例如：

c 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello, ");
    printf("World!\n");
    return 0;
}

上面的程序就是按照顺序结构执行的，先输出"Hello, "，然后输出"World!"。

  1. 选择结构（分支结构） ：
    选择结构是根据条件判断的结果来选择执行不同的代码块。C语言提供了if、if...else、switch等关键字来实现选择结构。

例如，使用if...else实现的选择结构：

c 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int num = 5;
    if (num > 0) {
        printf("Number is positive.\n");
    } else {
        printf("Number is non-positive.\n");
    }
    return 0;
}
  1. 循环结构 ：
    循环结构是指程序中需要反复执行某段代码的结构。C语言提供了for、while、do...while等关键字来实现循环结构。

例如，使用for循环打印1到5的整数：

c 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    for (int i = 1; i <= 5; i++) {
        printf("%d\n", i);
    }
    return 0;
}

这三种结构可以单独使用，也可以组合起来使用，以构建更复杂的程序逻辑。在实际的编程中，程序员会根据需要灵活运用这三种结构来实现特定的功能。

分支结构

分支结构（也称为选择结构或条件结构）是程序设计中用于根据特定条件选择不同的执行路径的一种结构。在C语言中，分支结构主要由if语句、if...else语句、switch语句等来实现。

if 语句

if 语句用于在满足某个条件时执行一段代码。其基本语法如下：

c 复制代码 
if (condition) {
    // 代码块，当 condition 为真时执行
}

如果 condition 为真（非零），则执行 if 语句后面的代码块。

示例 1：基本的 if 语句

c 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 5;
    
    if (a > 0) {
        printf("a is positive.\n");
    }
    
    return 0;
}

在这个例子中，我们检查变量 a 是否大于 0。如果是，就打印出 "a is positive."。

if...else 语句

if...else 语句用于在满足某个条件时执行一段代码，否则执行另一段代码。其基本语法如下：

c 复制代码 
if (condition) {
    // 当 condition 为真时执行的代码块
} else {
    // 当 condition 为假时执行的代码块
}

示例 2：if...else 语句

c 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int b = -3;
    
    if (b > 0) {
        printf("b is positive.\n");
    } else {
        printf("b is non-positive.\n");
    }
    
    return 0;
}

在这个例子中，我们检查变量 b 是否大于 0。如果是，我们打印 "b is positive."；如果不是（即 b 小于或等于 0），我们打印 "b is non-positive."。

嵌套 if

嵌套 if 语句是 if 语句的一种扩展形式，其中 if 语句或 if...else 语句可以作为另一个 if 或 if...else 语句的一部分。这种结构允许我们在一个条件的基础上进一步细分决策流程，根据多个条件执行不同的代码块。

嵌套 if 语句的基本语法如下：

c 复制代码 
if (condition1) {
    // 当 condition1 为真时执行的代码块
    if (condition2) {
        // 当 condition1 和 condition2 都为真时执行的代码块
    } else {
        // 当 condition1 为真但 condition2 为假时执行的代码块
    }
} else {
    // 当 condition1 为假时执行的代码块
}

在这个例子中，condition2 的检查仅在 condition1 为真时执行。如果 condition1 为假，那么不会检查 condition2，而是直接执行与 else 关联的代码块。

嵌套 if 语句可以多层嵌套，每一层都根据前一个 if 语句的结果来决定是否执行。然而，过度使用嵌套 if 语句可能导致代码难以理解和维护。因此，在编写嵌套 if 语句时，最好保持结构清晰，并使用适当的缩进和注释来增强代码的可读性。

示例 3：嵌套的 if 语句

c 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int c = 10;
    int d = 5;
    
    if (c > 5) {
        printf("c is greater than 5.\n");
        if (d < 10) {
            printf("And d is less than 10.\n");
        }
    }
    
    return 0;
}

在这个例子中，我们首先检查变量 c 是否大于 5。如果是，我们打印 "c is greater than 5."，然后进一步检查变量 d 是否小于 10。如果 d 也满足条件，我们打印 "And d is less than 10."。

if 语句与逻辑运算符

在 C 语言中，if 语句经常与逻辑运算符一起使用，以便根据多个条件的组合来执行不同的代码块。逻辑运算符包括 &&（逻辑与）、||（逻辑或）和 !（逻辑非）。这些运算符可以帮助我们构建更复杂的条件表达式。

下面是一些使用 if 语句和逻辑运算符的 C 语言实例：

示例 4：使用逻辑与（&&）

c 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 5;
    int b = 10;
    
    if (a > 0 && b > 0) {
        printf("Both a and b are positive.\n");
    } else {
        printf("Either a or b is not positive.\n");
    }
    
    return 0;
}

在这个例子中，只有当 a 和 b 都大于 0 时，才会执行 if 语句块中的代码。

示例 5：使用逻辑或（||）

c 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int x = -5;
    int y = 15;
    
    if (x > 0 || y > 0) {
        printf("At least one of x or y is positive.\n");
    } else {
        printf("Both x and y are non-positive.\n");
    }
    
    return 0;
}

在这个例子中，只要 x 或 y 中至少有一个大于 0，就会执行 if 语句块中的代码。

示例 6：使用逻辑非（!）

c 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int z = 0;
    
    if (!z) {
        printf("z is zero or false.\n");
    } else {
        printf("z is non-zero or true.\n");
    }
    
    return 0;
}

在这个例子中，!z 表示对 z 的逻辑非操作。因为 z 是 0（在 C 语言中，0 通常被视为假），所以 !z 的结果是真，因此会执行 if 语句块中的代码。

示例 7：组合使用逻辑运算符

c 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int m = 3;
    int n = 4;
    int o = 2;
    
    if ((m > 0 && n > 0) || o > 5) {
        printf("Either both m and n are positive, or o is greater than 5.\n");
    } else {
        printf("Neither both m and n are positive, nor o is greater than 5.\n");
    }
    
    return 0;
}

在这个例子中，我们组合使用了逻辑与和逻辑或。只有当 m 和 n 都大于 0，或者 o 大于 5 时，才会执行 if 语句块中的代码。

逻辑运算符允许我们构建复杂且灵活的条件表达式，从而根据多个条件的组合来控制程序的流程。在实际编程中，根据具体的需求，我们可以使用这些逻辑运算符来创建精确的条件判断。

if 语句与关系运算符

在C语言中，if语句经常与关系运算符一起使用，以根据两个或多个值之间的关系来决定执行哪一段代码。关系运算符用于比较两个操作数，并返回一个布尔值（真或假）。常见的关系运算符包括：==（等于）、!=（不等于）、>（大于）、<（小于）、>=（大于或等于）和<=（小于或等于）。

下面是一些使用if语句和关系运算符的C语言实例：

示例 8：比较两个整数

c 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 10;
    int b = 20;
    
    if (a < b) {
        printf("a is less than b.\n");
    } else {
        printf("a is not less than b.\n");
    }
    
    return 0;
}

在这个例子中，我们比较了两个整数a和b。如果a小于b，则执行if语句块中的代码。

示例 9：检查字符串是否相等

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    char str1[] = "Hello";
    char str2[] = "World";
    
    if (strcmp(str1, str2) != 0) {
        printf("str1 is not equal to str2.\n");
    } else {
        printf("str1 is equal to str2.\n");
    }
    
    return 0;
}

在这个例子中，我们使用strcmp函数来比较两个字符串str1和str2。如果它们不相等，strcmp会返回一个非零值，因此if语句的条件为真。

示例 10：检查变量是否在特定范围内

c 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int x = 5;
    
    if (x >= 0 && x <= 10) {
        printf("x is within the range of 0 to 10.\n");
    } else {
        printf("x is not within the range of 0 to 10.\n");
    }
    
    return 0;
}

在这个例子中，我们检查变量x是否在0到10的范围内。我们使用了逻辑与运算符&&来组合两个关系表达式。

示例 11：检查用户输入

c 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int age;
    printf("Enter your age: ");
    scanf("%d", &age);
    
    if (age >= 18) {
        printf("You are an adult.\n");
    } else {
        printf("You are not an adult.\n");
    }
    
    return 0;
}

在这个例子中，程序会提示用户输入年龄，并使用if语句和关系运算符来判断用户是否是成年人。

通过结合if语句和关系运算符，我们可以编写出能够根据特定条件执行不同操作的灵活程序。这种条件判断在编程中非常常见，特别是在需要根据用户输入或程序状态做出决策的情况下。

if ... else 注意事项

在使用 if ... else 语句时，有几个关键的注意事项需要牢记，以确保代码的正确性和可读性。以下是使用 if ... else 语句时的一些重要提示：

  1. 条件表达式的结果 ：
    if 语句后面的条件表达式必须返回一个布尔值（即 true 或 false）。在 C 语言中，任何非零值通常被视为 true，而零值被视为 false。但是，为了代码清晰，最好直接使用布尔表达式或比较运算的结果。

  2. 代码块 ：
    if 和 else 语句后面的代码块必须用花括号 {} 括起来，即使代码块只包含一条语句。这是一个良好的编程习惯，因为它可以提高代码的可读性，并避免潜在的错误。

  3. 嵌套使用 ：
    if ... else 语句可以嵌套使用，以处理更复杂的条件逻辑。但是，过度嵌套会使代码难以理解和维护。因此，应尽量避免深度嵌套，并考虑使用其他结构（如函数或 switch 语句）来简化逻辑。

  4. 可读性 ：

    为了提高代码的可读性，建议将条件表达式和 if ... else 语句块放在合适的缩进级别，并使用有意义的变量名和注释来解释复杂的逻辑。

  5. 避免空语句 ：

    不要在 if 或 else 后面直接跟分号（;），这会导致一个空语句被执行。这通常是一个错误，应该避免。

  6. 逻辑运算符的使用 ：

    在条件表达式中，可以使用逻辑运算符（如 &&、|| 和 !）来组合多个条件。但是，要注意逻辑运算符的优先级和结合性，必要时使用括号来明确优先级。

  7. else if 的使用 ：

    如果需要检查多个条件，并为每个条件执行不同的代码块，可以使用 else if。这可以避免深度嵌套的 if 语句，并使代码更加清晰。

  8. 避免魔法数字 ：

    在条件表达式中，避免直接使用硬编码的数字（称为"魔法数字"）。相反，应将这些数字定义为常量或变量，并为其赋予有意义的名称。

  9. 错误处理 ：

    当使用 if ... else 语句进行条件判断时，不要忘记考虑可能出现的错误情况，并为其编写适当的错误处理代码。

  10. 测试与调试 ：

    编写完包含 if ... else 语句的代码后，务必进行充分的测试和调试，以确保其按预期工作。特别要注意边界条件和异常情况。

遵循这些注意事项可以帮助你编写出健壮、可维护和易于理解的 if ... else 语句。

switch 语句

switch 语句用于基于不同的情况值来执行不同的代码块。其基本语法如下：

c 复制代码 
switch (variable) {
    case value1:
        // 当 variable 等于 value1 时执行的代码块
        break;
    case value2:
        // 当 variable 等于 value2 时执行的代码块
        break;
    // 可以有更多的 case
    default:
        // 当 variable 不等于任何 case 值时执行的代码块
        break;
}

在 switch 语句中，break 关键字用于终止 switch 语句的执行，跳出当前的 case 分支。如果没有 break，程序会继续执行下一个 case 分支，直到遇到 break 或者 switch 语句结束。

当然，下面是一个使用 switch 语句的 C 语言实例。switch 语句允许我们根据一个表达式的值来执行多个代码块中的一个。

示例 12：使用 switch 语句

c 复制代码 
#include <stdio.h>

int main() {
    int day = 3; // 假设这是从用户输入或其他计算中得到的值

    switch (day) {
        case 1:
            printf("Monday\n");
            break;
        case 2:
            printf("Tuesday\n");
            break;
        case 3:
            printf("Wednesday\n");
            break;
        case 4:
            printf("Thursday\n");
            break;
        case 5:
            printf("Friday\n");
            break;
        case 6:
            printf("Saturday\n");
            break;
        case 7:
            printf("Sunday\n");
            break;
        default:
            printf("Invalid day\n");
    }

    return 0;
}

在这个例子中，我们根据变量 day 的值打印出相应的星期几。每个 case 标签后面跟着一个要匹配的值，如果 switch 表达式的结果与某个 case 标签匹配，就会执行那个 case 下的代码，直到遇到 break 语句或者 switch 语句的结束。如果没有 break 语句，程序会继续执行下一个 case 的代码，这通常被称为"case 穿透"（fall-through）。

default 标签是可选的，用于处理所有其他情况，即当 switch 表达式的值没有与任何 case 标签匹配时。在这个例子中，如果 day 的值不是 1 到 7 之间的任何一个数，就会执行 default 下的代码，打印 "Invalid day"。

注意：在实际编程中，为了代码的可读性和维护性，通常建议为每个 case 使用 break 语句，除非你确实需要利用 case 穿透的特性。

switch 注意事项

在使用 switch 语句时，有几点关键的注意事项需要牢记，以确保代码的正确性和可读性。以下是使用 switch 语句时的一些重要提示：

  1. case穿透 ：

    每个 case 后面都应该加上 break; 语句，以跳出 switch 语句。如果没有 break 语句，程序会继续执行下一个 case 中的代码块，这种情况称为"case穿透"，可能会导致逻辑错误或意外结果。为了避免这种情况，务必在每个 case 结尾添加 break 语句，除非有意使多个 case 执行相同的代码。

  2. case中的变量定义 ：

    在C89标准中，不允许在 case 中定义变量。但在C99标准中，这是允许的。不过，为了避免代码的可读性和维护性问题，建议在 switch 语句之前定义所有需要使用的变量。

  3. 不支持浮点数和字符串 ：
    switch 语句在C语言中只支持整型和字符型表达式，不支持浮点数或字符串类型。如果需要基于浮点数或字符串进行判断，应使用 if-else 语句或其他方法。

  4. default分支 ：

    即使程序不需要处理默认情况，也建议包含一个 default 分支，并在其中至少包含 break; 语句。这样做可以防止其他开发者误以为遗漏了 default 处理，并提供一个明确的代码结构。

  5. 代码块的使用 ：

    不管 case 分支中有多少条语句，都建议使用花括号 {} 将其括起来。这可以提高代码的可读性，并避免潜在的逻辑错误。

  6. case值的唯一性 ：

    虽然C语言不强制要求 case 的值唯一，但为了确保逻辑清晰，最好确保每个 case 的值都是唯一的。如果多个 case 有相同的值，它们将执行相同的代码块，这可能会导致逻辑上的混淆。

  7. 避免过多的case ：

    虽然 switch 语句支持大量的 case 分支，但过多的 case 会使代码难以理解和维护。如果逻辑变得过于复杂，考虑使用其他结构（如查找表或函数指针数组）来简化代码。

  8. 测试与调试 ：

    编写完包含 switch 语句的代码后，务必进行充分的测试和调试，以确保其按预期工作。特别要注意边界条件和异常情况。

  9. case 和后面的常量一定要有空格

遵循这些注意事项可以帮助你编写出健壮、可维护和易于理解的 switch 语句。

if 和 switch 语句的应用

if 和 switch 语句在编程中都是用于基于特定条件执行不同代码块的控制结构。它们各自有不同的应用场景和优势，下面将详细讨论它们的应用：

if 语句的应用

if 语句主要用于根据一个或多个条件的评估结果来执行相应的代码块。其应用非常广泛，包括但不限于以下几种情况：

  1. 输入验证：检查用户输入是否满足特定条件，如是否为空、是否在有效范围内等。
c 复制代码 
if (input != NULL && input_length > 0 && input_length < MAX_LENGTH) {
    // 处理有效输入
} else {
    // 处理无效输入或错误
}
  1. 状态判断：根据对象的当前状态执行不同的操作，如判断一个游戏角色是否活着。
c 复制代码 
if (character.is_alive) {
    // 角色活着，执行相应操作
} else {
    // 角色死亡，执行不同操作
}
  1. 数值比较：比较两个数值的大小，根据比较结果执行不同操作。
c 复制代码 
int a = 10;
int b = 20;

if (a < b) {
    printf("a is less than b.\n");
} else {
    printf("a is not less than b.\n");
}
  1. 复杂逻辑判断 ：组合多个条件使用逻辑运算符（如 &&、||）进行复杂逻辑判断。
c 复制代码 
if ((age >= 18 && age <= 65) && is_citizen) {
    // 成年人且是公民，执行某些操作
} else {
    // 不满足条件，执行其他操作
}

switch 语句的应用

switch 语句通常用于根据一个表达式的值来执行多个不同的代码块。它适用于有多个离散选项的情况，如菜单选择、状态机或对不同枚举值进行处理。

  1. 菜单系统：根据用户的选择执行不同的操作。
c 复制代码 
int choice = get_user_choice(); // 假设这个函数返回用户的选择（1, 2, 3 等）

switch (choice) {
    case 1:
        // 执行选项 1 的操作
        break;
    case 2:
        // 执行选项 2 的操作
        break;
    case 3:
        // 执行选项 3 的操作
        break;
    default:
        // 处理无效选择
        break;
}
  1. 状态机：根据对象或系统的当前状态执行不同的行为。
c 复制代码 
enum State { IDLE, RUNNING, STOPPED };
enum State currentState = get_current_state();

switch (currentState) {
    case IDLE:
        // 处理空闲状态
        break;
    case RUNNING:
        // 处理运行状态
        break;
    case STOPPED:
        // 处理停止状态
        break;
    default:
        // 处理未知状态
        break;
}
  1. 枚举值处理：对枚举类型的值进行不同处理。
c 复制代码 
enum Color { RED, GREEN, BLUE };
enum Color myColor = get_color();

switch (myColor) {
    case RED:
        // 处理红色
        break;
    case GREEN:
        // 处理绿色
        break;
    case BLUE:
        // 处理蓝色
        break;
    default:
        // 处理未知颜色
        break;
}

总结来说，if 语句适用于根据一个或多个条件的评估结果来执行不同的代码块，而 switch 语句则适用于基于一个表达式的离散值来执行多个不同的代码块。在选择使用哪种结构时，应根据具体的应用场景和需求来决定。

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