CSP-J教程——第一阶段——第七课：程序流程控制 - 循环结构（二）while和do-while循环

课程目标

• 掌握while循环的语法和使用场景
• 理解do-while循环的特点和适用情况
• 学会在不同场景下选择合适的循环结构
• 掌握循环嵌套的复杂应用
• 能够解决复杂的模式输出和计算问题
• 理解循环控制语句break和continue的用法

---

第一部分：while循环（50分钟）

1.1 while循环的基本概念

while循环的特点：

• 先判断条件，再执行循环体
• 适合循环次数不确定的情况
• 条件为真时继续循环，为假时退出

语法：

while (条件) {
    // 循环体
}

执行流程图：

开始
  ↓
检查条件
  ↓
条件为假 → 结束循环
  ↓条件为真
执行循环体
  ↓
检查条件 → ...

1.2 基本的while循环示例

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int count = 1;  // 初始化计数器
    
    // 输出1到5的数字
    while (count <= 5) {
        cout << "当前数字: " << count << endl;
        count++;  // 更新计数器
    }
    
    cout << "循环结束！" << endl;
    return 0;
}

1.3 while循环与for循环的对比

相同功能的两种实现：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 使用for循环输出1-5
    cout << "for循环: ";
    for (int i = 1; i <= 5; i++) {
        cout << i << " ";
    }
    cout << endl;
    
    // 使用while循环输出1-5
    cout << "while循环: ";
    int j = 1;          // 初始化
    while (j <= 5) {    // 条件
        cout << j << " ";
        j++;            // 更新
    }
    cout << endl;
    
    return 0;
}

1.4 while循环的适用场景

场景1：用户输入验证

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int score;
    
    // 要求用户输入有效的成绩（0-100）
    cout << "请输入成绩(0-100): ";
    cin >> score;
    
    // 如果输入无效，要求重新输入
    while (score < 0 || score > 100) {
        cout << "输入无效！请重新输入成绩(0-100): ";
        cin >> score;
    }
    
    cout << "输入的成绩是: " << score << endl;
    
    return 0;
}

场景2：游戏循环

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int playerHealth = 100;
    int monsterHealth = 80;
    int playerAttack, monsterAttack;
    
    cout << "=== 勇士斗恶龙 ===" << endl;
    
    // 游戏主循环
    while (playerHealth > 0 && monsterHealth > 0) {
        cout << "\n你的生命值: " << playerHealth;
        cout << " | 恶龙生命值: " << monsterHealth << endl;
        
        // 玩家攻击
        cout << "请输入你的攻击力(1-20): ";
        cin >> playerAttack;
        monsterHealth -= playerAttack;
        cout << "你对恶龙造成了 " << playerAttack << " 点伤害！" << endl;
        
        // 如果恶龙还活着，进行反击
        if (monsterHealth > 0) {
            monsterAttack = 10 + rand() % 11;  // 10-20的随机伤害
            playerHealth -= monsterAttack;
            cout << "恶龙对你造成了 " << monsterAttack << " 点伤害！" << endl;
        }
    }
    
    // 判断游戏结果
    if (playerHealth > 0) {
        cout << "\n恭喜！你击败了恶龙！" << endl;
    } else {
        cout << "\n很遗憾，你被恶龙击败了..." << endl;
    }
    
    return 0;
}

场景3：数据统计

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int number;
    int sum = 0, count = 0;
    double average;
    
    cout << "请输入一系列整数，输入0结束:" << endl;
    
    // 读取第一个数字
    cout << "请输入第1个数字: ";
    cin >> number;
    
    // 循环读取直到输入0
    while (number != 0) {
        sum += number;
        count++;
        
        cout << "请输入第" << count + 1 << "个数字: ";
        cin >> number;
    }
    
    // 计算结果
    if (count > 0) {
        average = static_cast<double>(sum) / count;
        cout << "\n=== 统计结果 ===" << endl;
        cout << "数字个数: " << count << endl;
        cout << "总和: " << sum << endl;
        cout << "平均值: " << average << endl;
    } else {
        cout << "没有输入有效数字！" << endl;
    }
    
    return 0;
}

---

第二部分：do-while循环（40分钟）

2.1 do-while循环的特点

do-while循环的特点：

• 先执行循环体，再判断条件
• 循环体至少执行一次
• 适合需要至少执行一次的情况

语法：

do {
    // 循环体
} while (条件);

执行流程图：

开始
  ↓
执行循环体
  ↓
检查条件
  ↓
条件为真 → 执行循环体
  ↓条件为假
结束循环

2.2 do-while循环示例

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int number;
    
    // 使用do-while确保至少执行一次
    do {
        cout << "请输入一个正整数: ";
        cin >> number;
        
        if (number <= 0) {
            cout << "输入无效！请重新输入。" << endl;
        }
    } while (number <= 0);  // 条件不满足时继续循环
    
    cout << "你输入的正整数是: " << number << endl;
    
    return 0;
}

2.3 do-while的典型应用：菜单系统

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int choice;
    
    do {
        // 显示菜单
        cout << "\n=== 学生管理系统 ===" << endl;
        cout << "1. 添加学生" << endl;
        cout << "2. 删除学生" << endl;
        cout << "3. 查询学生" << endl;
        cout << "4. 显示所有学生" << endl;
        cout << "0. 退出系统" << endl;
        cout << "请选择操作: ";
        
        cin >> choice;
        
        // 根据选择执行相应操作
        switch (choice) {
            case 1:
                cout << "执行添加学生功能..." << endl;
                break;
            case 2:
                cout << "执行删除学生功能..." << endl;
                break;
            case 3:
                cout << "执行查询学生功能..." << endl;
                break;
            case 4:
                cout << "执行显示所有学生功能..." << endl;
                break;
            case 0:
                cout << "感谢使用，再见！" << endl;
                break;
            default:
                cout << "无效选择，请重新输入！" << endl;
        }
        
    } while (choice != 0);  // 选择0时退出
    
    return 0;
}

2.4 while vs do-while 对比

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int number = 10;
    
    cout << "while循环测试:" << endl;
    // 先判断条件，条件为false，不执行循环体
    while (number < 5) {
        cout << "这个不会执行" << endl;
        number++;
    }
    cout << "while循环后number = " << number << endl;
    
    cout << "\ndo-while循环测试:" << endl;
    // 先执行循环体，再判断条件
    do {
        cout << "这个会执行一次" << endl;
        number++;
    } while (number < 5);
    cout << "do-while循环后number = " << number << endl;
    
    return 0;
}

---

第三部分：循环控制语句（40分钟）

3.1 break语句

break的作用： 立即退出当前循环

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 查找第一个能被7整除的数
    for (int i = 1; i <= 100; i++) {
        if (i % 7 == 0) {
            cout << "找到第一个能被7整除的数: " << i << endl;
            break;  // 找到后立即退出循环
        }
        cout << "检查: " << i << endl;
    }
    
    return 0;
}

3.2 continue语句

continue的作用： 跳过本次循环的剩余代码，直接进入下一次循环

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 输出1-10的奇数
    cout << "1-10的奇数: ";
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
        if (i % 2 == 0) {
            continue;  // 如果是偶数，跳过输出
        }
        cout << i << " ";
    }
    cout << endl;
    
    return 0;
}

3.3 break和continue的综合应用

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int number;
    
    cout << "请输入数字（输入负数退出）:" << endl;
    
    while (true) {  // 无限循环
        cout << "请输入一个数字: ";
        cin >> number;
        
        // 输入负数时退出
        if (number < 0) {
            cout << "输入负数，程序结束！" << endl;
            break;
        }
        
        // 跳过0
        if (number == 0) {
            cout << "0被跳过" << endl;
            continue;
        }
        
        // 处理正数
        cout << "你输入的是正数: " << number << endl;
        cout << "它的平方是: " << number * number << endl;
    }
    
    return 0;
}

---

第四部分：循环嵌套进阶（50分钟）

4.1 多重循环的概念

循环嵌套： 在一个循环内部包含另一个循环

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 外层循环控制行
    for (int i = 1; i <= 3; i++) {
        cout << "外层循环 i = " << i << endl;
        
        // 内层循环控制列
        for (int j = 1; j <= 2; j++) {
            cout << "  内层循环 j = " << j << endl;
        }
        
        cout << "外层循环结束" << endl;
        cout << "---" << endl;
    }
    
    return 0;
}

4.2 复杂图案输出

打印菱形：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int n;
    
    cout << "请输入菱形大小(奇数): ";
    cin >> n;
    
    // 上半部分
    for (int i = 1; i <= n; i += 2) {
        // 打印空格
        for (int j = 1; j <= (n - i) / 2; j++) {
            cout << " ";
        }
        
        // 打印星号
        for (int j = 1; j <= i; j++) {
            cout << "*";
        }
        cout << endl;
    }
    
    // 下半部分
    for (int i = n - 2; i >= 1; i -= 2) {
        // 打印空格
        for (int j = 1; j <= (n - i) / 2; j++) {
            cout << " ";
        }
        
        // 打印星号
        for (int j = 1; j <= i; j++) {
            cout << "*";
        }
        cout << endl;
    }
    
    return 0;
}

4.3 数学表格生成

乘法表增强版：

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;

int main() {
    int size;
    
    cout << "请输入乘法表大小: ";
    cin >> size;
    
    // 打印表头
    cout << "    ";
    for (int i = 1; i <= size; i++) {
        cout << setw(4) << i;
    }
    cout << endl;
    
    // 打印分隔线
    cout << "    ";
    for (int i = 1; i <= size * 4; i++) {
        cout << "-";
    }
    cout << endl;
    
    // 打印乘法表
    for (int i = 1; i <= size; i++) {
        cout << setw(2) << i << " |";
        for (int j = 1; j <= size; j++) {
            cout << setw(4) << i * j;
        }
        cout << endl;
    }
    
    return 0;
}

4.4 组合数学问题

组合计数：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int count = 0;
    
    cout << "所有的三位数组合（各位数字不同）:" << endl;
    
    // 百位数字从1-9
    for (int i = 1; i <= 9; i++) {
        // 十位数字从0-9，但不能与百位相同
        for (int j = 0; j <= 9; j++) {
            if (j == i) continue;  // 跳过相同的数字
            
            // 个位数字从0-9，不能与前两位相同
            for (int k = 0; k <= 9; k++) {
                if (k == i || k == j) continue;  // 跳过相同的数字
                
                int number = i * 100 + j * 10 + k;
                cout << number << " ";
                count++;
                
                // 每10个数字换行
                if (count % 10 == 0) {
                    cout << endl;
                }
            }
        }
    }
    
    cout << "\n总共有 " << count << " 个满足条件的三位数" << endl;
    
    return 0;
}

---

第五部分：综合应用示例（50分钟）

5.1 猜数字游戏

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
using namespace std;

int main() {
    srand(time(0));  // 设置随机数种子
    int secretNumber = rand() % 100 + 1;  // 1-100的随机数
    int guess, attempts = 0;
    const int maxAttempts = 7;
    
    cout << "=== 猜数字游戏 ===" << endl;
    cout << "我想了一个1-100之间的数字，你有" << maxAttempts << "次机会猜中它！" << endl;
    
    while (attempts < maxAttempts) {
        attempts++;
        cout << "\n第" << attempts << "次尝试，请输入你的猜测: ";
        cin >> guess;
        
        if (guess == secretNumber) {
            cout << "恭喜！你猜对了！" << endl;
            cout << "你用了 " << attempts << " 次猜中了数字 " << secretNumber << endl;
            break;
        } else if (guess < secretNumber) {
            cout << "太小了！" << endl;
        } else {
            cout << "太大了！" << endl;
        }
        
        // 提示剩余次数
        cout << "还剩 " << maxAttempts - attempts << " 次机会" << endl;
        
        // 最后一次机会的提示
        if (attempts == maxAttempts - 1) {
            // 给一个范围提示
            int lower = max(1, secretNumber - 10);
            int upper = min(100, secretNumber + 10);
            cout << "提示：数字在 " << lower << " 到 " << upper << " 之间" << endl;
        }
    }
    
    if (attempts == maxAttempts && guess != secretNumber) {
        cout << "\n很遗憾，你没有猜中。正确的数字是: " << secretNumber << endl;
    }
    
    return 0;
}

5.2 素数筛选器

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;

int main() {
    int limit;
    
    cout << "请输入上限（找出该范围内的所有素数）: ";
    cin >> limit;
    
    if (limit < 2) {
        cout << "没有素数！" << endl;
        return 0;
    }
    
    cout << "2到" << limit << "之间的素数:" << endl;
    
    int count = 0;
    int perLine = 10;  // 每行显示10个素数
    
    // 检查每个数字是否为素数
    for (int number = 2; number <= limit; number++) {
        bool isPrime = true;
        
        // 检查从2到number-1是否有因数
        for (int i = 2; i * i <= number; i++) {  // 优化：检查到平方根即可
            if (number % i == 0) {
                isPrime = false;
                break;
            }
        }
        
        // 如果是素数，输出
        if (isPrime) {
            cout << setw(6) << number;
            count++;
            
            // 每行显示perLine个素数后换行
            if (count % perLine == 0) {
                cout << endl;
            }
        }
    }
    
    cout << "\n\n总共找到 " << count << " 个素数" << endl;
    
    return 0;
}

5.3 数字金字塔进阶

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int rows;
    
    cout << "请输入金字塔行数: ";
    cin >> rows;
    
    // 数字金字塔
    for (int i = 1; i <= rows; i++) {
        // 打印前导空格
        for (int j = 1; j <= rows - i; j++) {
            cout << "  ";
        }
        
        // 打印左半部分（递增）
        for (int j = 1; j <= i; j++) {
            cout << j << " ";
        }
        
        // 打印右半部分（递减）
        for (int j = i - 1; j >= 1; j--) {
            cout << j << " ";
        }
        
        cout << endl;
    }
    
    cout << "\n字符金字塔:\n";
    
    // 字符金字塔
    for (int i = 1; i <= rows; i++) {
        // 打印前导空格
        for (int j = 1; j <= rows - i; j++) {
            cout << " ";
        }
        
        // 打印字符
        char currentChar = 'A';
        for (int j = 1; j <= 2 * i - 1; j++) {
            cout << currentChar;
            if (j < i) {
                currentChar++;
            } else {
                currentChar--;
            }
        }
        
        cout << endl;
    }
    
    return 0;
}

5.4 分数统计系统

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;

int main() {
    int studentCount;
    int subjectCount;
    
    cout << "请输入学生人数: ";
    cin >> studentCount;
    cout << "请输入科目数量: ";
    cin >> subjectCount;
    
    // 输入每个学生的每科成绩
    for (int student = 1; student <= studentCount; student++) {
        cout << "\n=== 第" << student << "个学生 ===" << endl;
        
        double totalScore = 0;
        double highestScore = 0;
        double lowestScore = 100;
        
        for (int subject = 1; subject <= subjectCount; subject++) {
            double score;
            cout << "请输入第" << subject << "科成绩: ";
            cin >> score;
            
            totalScore += score;
            
            if (score > highestScore) {
                highestScore = score;
            }
            if (score < lowestScore) {
                lowestScore = score;
            }
        }
        
        double averageScore = totalScore / subjectCount;
        
        // 输出学生成绩统计
        cout << fixed << setprecision(2);
        cout << "总分: " << totalScore << endl;
        cout << "平均分: " << averageScore << endl;
        cout << "最高分: " << highestScore << endl;
        cout << "最低分: " << lowestScore << endl;
        
        // 成绩评价
        if (averageScore >= 90) {
            cout << "评价: 优秀" << endl;
        } else if (averageScore >= 80) {
            cout << "评价: 良好" << endl;
        } else if (averageScore >= 70) {
            cout << "评价: 中等" << endl;
        } else if (averageScore >= 60) {
            cout << "评价: 及格" << endl;
        } else {
            cout << "评价: 不及格" << endl;
        }
    }
    
    return 0;
}

---

第六部分：循环结构选择指南（20分钟）

6.1 如何选择合适的循环结构

循环类型	适用场景	特点
for循环	循环次数已知	初始化、条件、更新都在一行
while循环	循环次数未知，先判断后执行	适合输入验证、条件控制
do-while循环	循环次数未知，至少执行一次	适合菜单系统、用户交互

6.2 循环选择示例

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int choice;
    
    // 场景1：已知次数 - 使用for循环
    cout << "场景1：输出1-10的平方" << endl;
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
        cout << i << "² = " << i * i << endl;
    }
    
    // 场景2：未知次数，先判断 - 使用while循环
    cout << "\n场景2：输入验证" << endl;
    int age;
    cout << "请输入年龄: ";
    cin >> age;
    while (age < 0 || age > 150) {
        cout << "年龄无效！请重新输入: ";
        cin >> age;
    }
    
    // 场景3：至少执行一次 - 使用do-while循环
    cout << "\n场景3：菜单系统" << endl;
    do {
        cout << "1. 开始游戏" << endl;
        cout << "2. 设置" << endl;
        cout << "3. 退出" << endl;
        cout << "请选择: ";
        cin >> choice;
        
        // 处理选择...
        
    } while (choice != 3);
    
    return 0;
}

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练习与作业

基础练习（必做）

练习1：数字反转

输入一个正整数，使用循环将其数字反转。

例如：输入12345，输出54321

练习2：最大公约数(GCD)

使用欧几里得算法计算两个数的最大公约数。

算法：gcd(a,b) = gcd(b, a mod b)，直到b为0

练习3：简单计算器循环版

改进之前的计算器，使其可以连续进行计算，直到用户选择退出。

挑战练习（选做）

挑战1：帕斯卡三角形

输出指定行数的帕斯卡三角形（杨辉三角）。

1
1 1
1 2 1
1 3 3 1
1 4 6 4 1

挑战2：数字黑洞

实现数字黑洞6174的验证：

1. 任选一个四位数（数字不能全相同）
2. 数字按降序排列和升序排列，得到最大数和最小数
3. 用大数减小数，得到新的四位数
4. 重复上述步骤，最多7步，必然会得到6174

挑战3：生命游戏

实现康威生命游戏的简单版本，在控制台显示细胞演化过程。

实验任务

任务1：循环性能比较

对同一个问题分别用for、while、do-while实现，比较代码的可读性和适用性。

任务2：嵌套循环深度测试

测试多层嵌套循环的性能和可读性，找出合理的嵌套深度。

任务3：循环优化实验

对素数判断算法进行优化，比较优化前后的性能差异。

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学习总结

今天学到了：

• ✅ while循环：先判断后执行，适合次数不确定的循环
• ✅ do-while循环：先执行后判断，至少执行一次
• ✅ 循环控制语句：break（退出循环）和continue（跳过本次）
• ✅ 循环嵌套进阶：复杂图案和数学问题的解决
• ✅ 循环结构选择：根据不同场景选择合适的循环类型

关键技能：

• 循环设计：根据问题特点选择合适的循环结构
• 条件控制：编写有效的循环条件和退出条件
• 嵌套应用：使用多重循环解决复杂问题
• 算法思维：将数学问题转化为循环解决方案

下一课预告：

下一节课我们将进行阶段性复习与测评，综合运用前面学过的所有知识，通过小测验和编程闯关游戏来巩固学习成果！

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