4.4 循环控制

4.4.1 概述

几乎每个程序都会用到循环语句，它的作用就是用来实现语句多次的反复执行操作。如一个频率为12MHz的51单片机应用电路中，要求实现1ms的延时，那它就要执行1000次空语句才可以达到延时的目的（当然可以使用定时器来做，我们将在后面介绍定时器的使用），如果手工写1000条空语句那是非常麻烦的事情，难以想象，其次就是要占用很多的存储空间。我们知道这1000条空语句，都是一样的语句——即一条空语句重复执行1000次，因此我们就可以用循环语句去写，这样不但使程序结构简洁，查看代码显示直观，而且使编译的效率大大提高。在C语言中构成循环控制的语句有goto，while，do-while，for语句。这些语句都能起到循环作用，但其具体的用法会有一些区别，我们根据具体的情况来选用哪种循环语句。

C语言提供了多种循环语句，可以组成各种不同形式的循环结构。

1）goto语句和if语句构成循环；

2）while语句；

3）do-while语句；

4）for语句。

4.4.2 goto语句以及用goto语句构成循环

goto语句在很多高级语言中都会有，和BASIC语言中的一样，这个并不陌生。它是一个无条件的转向语句，只要执行到这个语句，程序指针就会跳转到goto后的标号所在的程序段。

goto语句的使用格式为

其中标号是一个有效的标识符，这个标识符与一个“：”相连接，一起出现在函数内某处，执行goto语句后，程序将跳转到该标号处并执行其后的语句。另外标号必须与goto语句同处于一个函数中，但可以不在一个循环层中。通常goto语句与if条件语句连用，当满足某一条件时，程序跳到标号处运行。

结构化程序设计应尽量不用goto语句，主要因为它将使程序层次不清，不易读懂，但在程序多层嵌套退出时，使用goto语句则比较合理、方便。

【例4-11】

例4-11中说明了goto语句的用法，实际编写很少使用这样的手法，在此我们仅用它来说明语句的用法。这段程序的意思是在程序开始处用标识符“loop：”标识，表示程序的开始，“end：”标识程序的结束，标识符的定义应遵循C语言标识符定义原则，不能用C语言系统中的关键字，也不能和其他变量或函数名相同，否则编译时将出现错误提示。程序执行a++，a的值加1，当a等于100时，程序就会跳到end标识处，即执行一条空语句后，结束程序运行，否则跳回到loop标识处继续执行a++语句，直到a等于100才结束程序运行。例4-11说明goto不但可以无条件的转向，也可以和if语句构成一个循环结构，不过这样的用法并不太常见，goto语句用的最多的是用它来跳出多重循环，不过它只可以从内层循环跳到外层循环，不能从外层循环跳到内层循环。过多的使用goto语句会使程序结构不清晰，过多的跳转就使程序变得又像汇编语言的风格，而失去了C程序模块化的优点。

4.4.3 while语句

while语句的意思很容易理解，其英语单词解释的意思是“当…的时候”，在这里我们可以理解为“当条件为真的时候就执行后面的语句”。

while语句的一般形式为

其中表达式是循环条件，语句为循环体。

while语句的语义是：计算表达式的值，当值为真（非0）时，执行循环体语句。

使用while语句时要注意当条件表达式为真时，它执行后面的语句，执行一次完成之后再次回到while执行条件判断，如果为真，则重复执行语句，为假时退出循环体。当条件一开始就为假时，那么while后面的循环体一次都不会被执行就退出整个循环。

While语句的执行过程如图4-6所示。

图4-6 while语句的执行过程

【例4-12】用while语句求

用传统流程图和N-S结构流程图表示算法，如图4-7所示。

图4-7 程序流程图

【例4-13】编写程序，求1～100累加和。

这是一个求100个数的累加和问题。所加的加数从1变化到100，可以看到加数是有规律变化的，后一个加数比前一个加数增1，第一个加数为1，最后一个加数为100。因此，可以在循环中使用一个整型变量i，每循环一次，使i增1，一直循环到i的值超过100，用这个办法就解决了所需的加数问题。但是要特别注意的是变量i需要有一个正确的初值，在这里它的初值应当设定为0。

下一个要解决的是求累加和。设用一个变量sum来存放这100个数的和值，可以先求0+1的和并将其放在sum中，然后把sum中的数加上2再放在sum中，依次类推。这和人们心算的过程没有什么区别，sum代表着人们脑中累加的那个和数，不同的是心算的过程由人们自己控制。在这里，sum累加的过程要放在循环中，由计算机来判断所加的数是否已经超过100，加数则放在变量i中，并在循环过程中一次次增1。

以下就是求累加和的典型程序。

main（）

程序运行后的输出结果；

sum=5050

注意：

1）如果在第一次进入循环时，while后圆括号内表达式的值为0，循环一次也不执行。在本程序中，如果i的初值大于100，将使表达式i<=100的值为0，循环体也不执行。

2）在循环体中一定要有使循环趋向结束的操作，以上循环体内的语句i++使i不断增1，当i＞100时，循环结束.如果没有i++；这一语句，则a的值始终不变，循环将无限进行。

3）在循环体中，语句的先后位置必须符合逻辑，否则将会影响运算结果，例如，若将上例中的while循环体改写成：

运行后，将输出：

sum=5150

运行的过程中，少加了第一项的值1，而多加了最后一项的值101。

【单片机C语言设计小实例1】程序显示从1到10的累加和，读者可以修改一下

while中的条件看看结果会如果，从而体会一下while的使用方法。

4.4.4 do-while语句

do-while语句的一般形式为

do

语句

while（表达式）；

1）do是C语言的关键字，必须和while联合使用。

2）do-while循环由do开始，用while结束；必须注意的是：在while（表达式）后的“；”不可丢，它表示do-while语句的结束。

3）while后一对圆括号中的表达式，可以是C语言中任意合法的表达式，由它控制循环是否执行。

do-while语句可以说是while语句的补充，while是先判断条件是否成立再执行循环体，而do-while则是先执行循环体，再根据条件判断是否要退出循环。这样就决定了循环体无论在任何条件下都会至少被执行一次。其执行过程如图4-8所示。

图4-8 do-while语句的执行过程

【例4-14】求1～100之间的累加和。

程序如下：

}

可以看到：对同一个问题可以用while语句处理，也可以用do-while语句处理。do-while结构可以转换成while结构。

由do-while构成的循环与while循环十分相似，它们之间的主要区别是：while循环的控制，出现在循环体之前，只有当while后表达式的值为非零时，才可能执行循环体；在do-while构成的循环中，总是先执行一次循环体，然后再求表达式的值，因此，无论表达式的值是0还是非0，循环体至少执行一次。和while循环一样，在do-while循环体中，一定要有能使while后表达式的值变为0的操作，否则，循环将会无限制地进行下去。

【例4-15】while和do-while循环比较。

【单片机C语言设计小实例2】

4.4.5 for语句

在C语言中，for语句使用最为灵活，它完全可以取代while语句。在明确循环次数的情况下，for语句比以上说的循环语句都要方便简单。它的一般形式为

它的执行过程如下：

1）先求解初值设定表达式。

2）求解循环条件表达式，若它的值为真（非0），则执行for语句中指定的内嵌语句，然后执行下面第3）步；若值为假（0），则结束循环，转到第5）步。

3）条件更新表达式。

4）转回上面第2）步继续执行。

5）循环结束，执行for语句下面的一个语句。

其执行过程如图4-9所示。

for语句最简单的应用形式也是最容易理解的形式如下

图4-9 for语句的执行过程

初值设定表达式总会是一个赋值语句，用来给循环变量赋初值；循环条件表达式是一个关系表达式，由它决定什么条件下执行循环，什么时候退出循环；条件更新表达式，循环变量每循环一次后，都会进行相应的自增或自减运算。这三个部分之间用“；”隔开。

例如：

for（i=1；i＜=50；i++）sum=sum+i；

先给变量i赋初值1，判断i是否小于或等于50，如果为真，则执行语句“sum=sum+i”，然后i自增1。然后再重新判断，直到条件为假，即i>50时，循环结束。

相当while语句：

如果将for循环语句的表现形式转换成while语句形式，则如下所示：

注意：

1）省略了“初值设定表达式”，表示不对循环变量赋初值。

2）省略了“循环条件表达式”，如程序中不做相应的处理，则将变成为死循环。

例如：

for（j=1；；j++）sum=sum+j；

相当于：

3）如果不写“条件更新表达式”，则不对循环变量进行操作，这时可在语句体中加入修改循环变量的语句。

例如：

4）如果不写“初值设定表达式”和“条件更新表达式”。

例如：

相当于：

while（j＜=100）

5）for语句中的3个表达式全部省略不写。

例如：

for（；；）语句

相当于：

while（1）语句 即条件永远为真，形成死循环。

6）初值设定表达式可以是设置循环变量初值的赋值表达式，也可以是其他表达式。

7）“初值设定表达式”和“条件更新表达式”可以是一个简单的表达式，也可以是逗号表达式。

for（j=0，i=1；i＜=50；i++）j=j+i；

或：

for（i=0，j=100；i＜=50；i++，j--）k=i+j；

8）“循环条件表达式”一般我们使用关系表达式或逻辑表达式，但也可是数值或字符的表达式，只要其最终的值为非零，即逻辑“真”，那么就执行循环体。

【单片机C语言设计小实例3】

4.4.6 循环的嵌套

一个循环体内又完整地包含了另一个循环，称为循环嵌套，前面介绍的3种循环都可以互相嵌套，这就是多重循环。但要注意循环层次要清楚，不能交叉。

【例4-16】求2～10000以内的完全数。

完全数：一个数如果恰好等于它的因子（除开自身）和，该数称为完全数。例如，6的因子为1、2、3，而且1+2+3，因此6是“完全数。

程序如下：

程序包含了一个两重循环j。其中外层循环变量为i，控制数据的取值范围、求出因子和，如i等于因子和s，则输出这个数。内层循环变量为j，内层循环的循环体只有一条语句用于求对应每一个i所有的因子和（s）（当i能被j整除时，j就是i的一个因子）。

几种循环的比较：

前面介绍的各种循环语句，虽然格式不同，但它们有着共同的特点，都实用于循环结构的程序设计。在程序设计的过程中，都具有以下三条内容：

（1）循环体的设计。

（2）循环条件的设计。

（3）循环入口的初始化工作。

从前面所举的几个例子中可以看出，循环体语句的正确执行，依赖于循环的条件，循环的条件依赖循环入口时的初始化工作，一环紧扣一环。

循环体中安排哪些语句，要从分析具体问题入手，前后呼应，合乎逻辑。并且能确保循环能够终止。而且结论正确。

While，do-while语句的使用，它的循环条件的改变，要靠程序员在循环体中去有意安排某些语句。而for语句却不必。使用for语句时，若在循环体中想去改变循环控制变量，以期改变循环条件，无异于画蛇添足。

While循环，do-while循环适用于未知循环的次数的场合，而for循环适用于已知循环次数的场合。使用哪一种循环又依具体的情况而定。

凡是能用for循环的场合，都能用While，do-while循环实现，反之则未必。

4.4.7 break和continue语句

1.break语句

break语句通常用在循环语句（for，while，do-while）和switch语句中。当break用于switch语句中时，可使程序跳出switch程序体而执行switch语句后面的语句；如果没有break语句，则将成为一个死循环。break在switch中的用法非常简单，加上一句“break；”即可。

当break语句用于do-while、for、while循环语句中时，可使程序终止循环，跳出循环体而执行后面的语句，通常break语句与if语句一起使用，当满足条件时便跳出循环。

【例4-17】计算半径r=1～10时的圆面积，直到面积area大于100为止。

程序如下：

从上面的for循环可以看到当area>100时，执行break语句，提前终止执行循环，即不再继续执行其余的几次循环。

2.continue语句

continue语句是用于中断的语句，通常使用在循环中，它的作用是结束本次循环，跳过循环体中还没有执行到的语句，而跳转到下一次循环周期。

语法为：continue；

continue同时也是一个无条件跳转语句，但功能和前面说到的break语句有所不同，continue执行后不是跳出循环体，而是跳到循环的开始部分并执行下一次的循环。

continue语句只用在for、while、do-while等循环体中，通常与if语句一起使用。

Continue语句与break语句的区别及其执行过程如图4-10所示。

图4-10 break，continue语句的执行过程比较

1）while（表达式1）

}

2）while（表达式1）

【例4-18】

这个程序是将1～20之间不能被2整除的数输出到屏幕上。当变量i对2取模为0时，则为i能整除2，此时执行continue语句，程序将跳到for语句继续执行，输出函数在此时将不会被执行。这个程序是针对for语句的。如果在其他两种循环中使用了continue语句，程序将跳过剩余的循环体内的语句，直接转到条件表达式处开始判断表达式是否成立，然后继续执行程序。

3.程序举例

【例4-19】用公式求π。

N-S流程如图4-11所示。

图4-11 N-S流程图

【例4-20】判断m是否为素数。

N-S流程如图4-12所示

图4-12 N-S流程图

【例4-21】求100～200间的全部素数。