while (loop_condition)

Организация циклов в языке С

 

Рассматриваются операторы цикла while, for, do – while. Приводятся составные операторы цикла и операторы отношения, для которых подобраны примеры с полной программной реализацией.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Операторы цикла относятся к управляющим конструкциям всякого языка программирования. Управляющие операторы и конструкции языка задают порядок, в котором выполняются вычислительные операции программы [1].

 

3.1. Оператор while

 

Изучение операторов цикла начнем с оператора while. Цикл while имеет следующий формат (синтаксис) записи:

While (expression)

program statement;

Производится расчет выражения expression, заключенного в круглые скобки. Если получается истинный результат (TRUE), то выполняется утверждение program statement, следующее непосредственно за закрывающей круглой скобкой. Затем опять рассчитывается выражение expression. Если результатом расчета окажется TRUE, то вновь будут выполнены утверждения program statement. Цикл повторяется до тех пор, пока в результате расчета выражения expression не будет получено значение FALSE (ложный), которое является признаком окончания цикла, после чего выполнение программы продолжается с утверждения, следующего за program statement [2]. Когда требуется выполнить группу утверждений, то она (группа) располагается в фигурных скобках:

While (expression)

{

program statement;

program2 statement2;

program3 statement3;

¼

}

Открывающаяся фигурная скобка может следовать непосредственно после закрывающей круглой скобки оператора while. Все, что находится в фигурных скобках, будет выполняться, пока верно выражение expression.

Очевидно, что неверное задание выражения expression может привести к бесконечному циклу (зацикливанию).

 

3.2. Оператор for

 

Оператор цикла for имеет следующий формат записи:

For (init_expression; loop_condition; loop_expression)

program statement;

Три выражения, заключенные в круглые скобки, задают условия выполнения программного цикла [2]. Первый параметр init_expression используется для задания начального значения цикла.

Второй компонент loop_condition определяет условие или условия, в соответствии с которыми будет осуществляться выход из цикла. Повторение будет происходить до тех пор, пока это условие (или условия) выполняется. Если условие не выполняется, то цикл немедленно заканчивается.

Третий параметр loop_expression выполняется каждый раз, когда заканчивается обработка тела цикла, т. е. program statement.

Чаще всего выражения init_expression и loop_expression являются операторами присваивания или вызовами функций, а второе выражение loop_condition – выражением отношения или логическим выражением [1]. Любую из трех частей можно опустить, но точки с запятыми должны остаться на своих местах. Если опустить init_expression или loop_expression, то соответствующие операции не будут выполняться. Если же опустить проверку условия loop_condition, то по умолчанию считается, что условие продолжения цикла всегда истинно, и тогда цикл станет бесконечным (произойдет зацикливание).

Когда требуется выполнение нескольких утверждений, они должны заключаться в фигурные скобки:

For (init_expression; loop_condition; loop_expression)

{

program1 statement1;

program2 statement2;

program3 statement3;

¼

}

В представленном случае тело цикла находится в фигурных скобках.

Конструкция цикла, реализованная оператором for, может быть выполнена также оператором while [1]:

init_expression;

while (loop_condition)

{

program statement;

loop_expression;

}

Исключением является применение операции continue.

Операторы отношения перечислены в табл. 3.1.

 

Таблица 3.1
Операторы отношения языка программирования С
№ п/п	Оператор	Значение
	== != < <= > >=	Равно Не равно Меньше Меньше или равно Больше Больше или равно

В программах языка С возможно применять вложенные циклы, каждый из которых контролируется своей переменной и своим отношением (второе выражение в круглых скобках оператора for). Вложенные циклы могут идти непосредственно друг за другом или составлять тело цикла с помощью фигурных скобок. Возможно также использование двух индексных переменных для инициализации начала цикла с последующим их инкрементированием (увеличением) или декрементированием (уменьшением).

 

3.3. Оператор do – while

 

Рассмотренные операторы цикла while и for производят проверку условия выполнения цикла до начала выполнения тела цикла [1]. Поэтому тело цикла может ни разу не выполниться, если с самого начала результатом проверки условия будет значение FALSE (ложь). В случае необходимости производить проверку условия выполнения цикла после тела цикла (т. е. когда выполняется хотя бы одно предписанное действие в теле цикла) прибегают к циклу do – while.

Оператор цикла do – while имеет следующий формат записи:

do

program statement;

while (loop_expression);

Выполнение цикла do – while происходит следующим образом: сначала выполняется утверждение program statement, затем производится проверка условия выполнения цикла loop_expression с помощью оператора while. Если результатом проверки будет значение TRUE (истина), то выполнение цикла продолжится и утверждение program statement всякий раз будет выполняться вновь. Повторение цикла будет продолжаться до тех пор, пока в результате проверки условия выполнения цикла loop_expression будет получаться значение TRUE. Когда будет вычислено значение FALSE (ложь), выполнение цикла прекратится и произойдет переход к утверждению (фрагменту программы), непосредственно следующему за циклом [2]. Таким образом, цикл do – while гарантированно выполнится хотя бы один раз.

В случае выполнения нескольких утверждений используются фигурные скобки для выделения тела цикла:

do {

program1 statement1;

program2 statement2;

program3 statement3;

¼ } while (loop_expression);

Оператор цикла while называется оператором цикла с предусловием, оператор for – оператором цикла с параметром, оператор do – while – оператором цикла с постусловием.

 

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Рассмотрим примеры программ с операторами циклов while, for и do – while.

Пример 1. Написать программу вывода на экран пользователя целых положительных чисел с помощью оператора while. Начальное и последнее число должны задаваться пользователем с клавиатуры.

Программный код решения примера

#include <stdio.h> #include <conio.h> int main(void) { int i, j = 0, n; printf("\n\t Enter the primary natural number: "); scanf_s("%d", &i); printf("\t Enter the last natural number: "); scanf_s("%d", &n); printf("\n\t The numbers are:"); while (i <= n) { printf("\n\t %3d", i); ++i; ++j; } printf("\n\t Total numbers: %d\n", j); printf("\n Press any key: "); _getch(); return 0; }

Возможный результат выполнения программы показан на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Результат выполнения программы с вводом целых чисел

В программе использована функция scanf_s(), принятая в MS Visual Studio. Применено инкрементирование переменных, принятое в языке С, а именно ++i или ++j означает, что переменные увеличиваются на единицу. При этом знаки ++ могут располагаться перед именем переменной или после. Отличие в том, что ++i – это значение переменной после увеличения, а i++ показывает, что сначала переменная имеет заданное значение, а потом происходит ее увеличение. Для переменных цикла обе формы равнозначны.

Условием цикла является то, что пока переменная i меньше или равна переменной n (предполагается, что n больше начального значения i), то будут выполняться действия (печать и увеличение переменной j), заложенные в теле цикла. Расчет выражения, заключенного в круглые скобки оператора, предназначен для проверки нестрогого неравенства переменной i по отношению к переменной n. Если это неравенство выполняется, то в теле цикла происходят печать и увеличение (инкрементирование) переменных i, j.

Задание 1

1. Предусмотрите ввод только отрицательных чисел.
2. Предусмотрите ввод только неотрицательных чисел.
3. Предусмотрите вывод чисел и их порядковых номеров (т. е. в два столбца).
4. Предусмотрите вывод чисел на консоль в виде строки.
5. Предусмотрите ввод и вывод только вещественных чисел.
6. С учетом предыдущего пункта предусмотрите вывод чисел и их порядковых номеров (т. е. в два столбца).
7. Рассмотрите варианты форм инкрементирования. Выполните вывод на консоль.

Пример 2. Написать программу посимвольного ввода предложения «Hello, world» и подсчитать число символов в нем (включая запятую и пробел).

Программный код решения примера

#include <stdio.h> #include <conio.h> int main(void) { int c, i = 0; printf("\n Enter symbol-by-symbol the offer \"Hello, world\",\n press twice Ctrl+Z and press Enter:\n"); printf("\t"); while ((c = getchar())!= EOF) { printf("\t"); c = getchar(); ++i; } printf("\n\t The number of characters: %d\n", i); printf("\n Press any key: "); _getch(); return 0; }

В программе ввод символьных данных должен завершиться комбинацией клавиш Ctrl+Z, что будет соответствовать окончанию ввода (файла), т. е. EOF. Оператор цикла while будет выполняться до тех пор, пока не встретится так называемый конец файла EOF. В предложении \"Hello, world\" два обратных слэша включены для вывода на консоль двойных кавычек.

Функции printf("\t") осуществляют табуляцию вводимых символов. Подсчет их числа выполняется с помощью переменной цикла (счетчика) i, которая инкрементируется в теле цикла.

Заголовочный файл #include <conio.h> служит для поддержания консольного ввода-вывода для функции _getch(). Без него при компиляции программы могут выводиться предупреждения, хотя программа с предупреждениями работает.

Результат выполнения программы показан на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Выполнение программы посимвольного ввода данных

Задание 2

1. Введите комментарии с помощью символов // и /* ¼ */.
2. В качестве вводимых символов используйте буквы своей фамилии (набранные латиницей). В отчет вставьте полученный результат.
3. В качестве вводимых символов используйте свои фамилию и имя. В отчет вставьте полученный результат.
4. Осуществите вывод своих фамилии и имени по главной диагонали дисплея.
5. В качестве символов введите числа от 1 до (2 + Х), где Х – номер компьютера, на котором выполняется лабораторная работа. В отчет вставьте полученный результат.
6. Выполните дублирование символов с помощью функции putchar(), которая отображает символы на экране пользователя.

Примечание. Прототип функции putchar() имеет следующий вид:

#include <stdio.h>

int putchar (int ch);

Пример 3. Написать программу табличного вывода строчных букв латинского алфавита и их десятичных кодов с помощью оператора цикла for.

Как известно, в латинском алфавите 26 букв. Поэтому можно создать массив символов этих букв. С учетом того что char представляет собой целочисленный тип, можно обойтись без создания массива.

Программный код решения примера

#include <stdio.h> #include <conio.h> int main(void) { int j = 1; char a = 'a'; printf("\n Table code characters:\n"); for (; a <= 'z'; ++a) printf("\n %4d) %2c: code%4d", j++, a, a); printf("\n\n Press any key: "); _getch(); return 0; }

Результат выполнения программы представлен на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Таблица десятичных кодов букв латинского алфавита

Форматированный вывод данных предполагает выравнивание по правому краю, для чего предусматриваются числовые спецификаторы типа %4d и %2c для целых чисел и символов в функции printf().

Задание 3

1. Примените префиксную форму инкрементирования переменной j.
2. Инкрементирование переменной j создайте отдельно в теле цикла.
3. Инициализацию переменной j начните с нуля. Результат выполнения программы должен быть тем же самым, что и в приведенной программе.
4. Напишите программу для вывода кодов букв из заданного диапазона на усмотрение пользователя, например от ' j ' до ' w '.
5. В цикле for заполните все поля.
6. Напишите программу для вывода кодов прописных и строчных букв латинского алфавита в одной таблице.
7. Выведите буквы своей фамилии и их коды.

Пример 4. Написать программу расчета значений функции распределения интервалов времени в потоке Эрланга 4-го порядка (k = 4) с параметром l = 2.3 на отрезке времени от 0 до 5 (условных единиц) с шагом 0.2:

Программный код решения примера

#include <stdio.h> #include <conio.h> #include <math.h> int main(void) { int j, f, k = 4; double F, Lt, s, t = 0.0, Tend = 5.0; float L = 2.3F; printf("\n Erlang function of order %d, Lambda = %1.2f:\n\n", k, L); for (; t <= Tend; t += 0.2) { s = 0.0; f = 1; Lt = 1.0; for (j = 1; j <= k; ++j) { f *= j; Lt *= (L*t); s += (Lt/f)*exp(-L*t); } F = 1 - exp(-L*t) - s; printf("\t %lg\n", F); } printf("\n\n Press any key: "); _getch(); return 0; }

В программе использованы вложенные циклы for. Применены специфические условия изменения переменных:

t += 0.2; /* t = t + 0.2; */

f *= j; /* f = f * j; */

Lt *= (L*t); /* Lt = Lt * (L*t); */

Вычисление факториала выполнено с помощью произведения и выделения отдельного слагаемого суммы, когда рассчитывается 0!.

В программе также предусмотрено накопление суммы для каждого шага времени t. Для расчета экспоненты в заголовок включена библиотека математических функций #include <math.h>.

Результат выполнения программы представлен на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Расчет функции распределения интервалов времени в потоке

Эрланга 4-го порядка

Задание 4

1. В заголовке внешнего цикла for добавьте первое поле и устраните третье поле.
2. Предусмотрите вывод количества значений рассчитанной функции распределения.
3. Предусмотрите ввод параметров программы, а именно: порядок потока Эрланга k, параметр l, конечную величину временного интервала, шаг по времени.

Пример 5. Вычислить с точностью до «машинного нуля» значение суммы числового ряда:

Программный код решения примера

#include <stdio.h> #include <conio.h> int main(void){ double denom; double sum1 = 0.0, sum2 = 0.0; int k = 1; denom = k * (k + 1) * (k + 2); // знаменатель ряда do { sum1 = sum2; sum2 += 1.0 / denom; denom = denom / k * (k + 3); ++k; } while (sum1 < sum2); printf("\n\t The amount of numerical series: %lg\n", sum2); printf("\n Press any key: "); _getch(); return 0; }

В приведенной программе сумма вычисляется как значение переменной sum2. Ее предыдущее значение сохраняется в переменной sum1. Так как приближенное значение с добавлением неотрицательных слагаемых не уменьшается, условием продолжения цикла служит отношение sum1 < sum2 (поскольку растет знаменатель denom). Когда при добавлении очередного слагаемого значение суммы остается неизменным (за счет конечной разрядной сетки для представления вещественных чисел), нарушается условие sum1 < sum2 и цикл прекращается. Таким образом, конечность разрядной сетки представления вещественных чисел в компьютере представляет собой «машинный нуль».

Инициализация знаменателя сделана до начала цикла. Форматный вывод результата осуществлен с помощью спецификатора символа l. Результат выполнения программы показан на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Результат подсчета суммы бесконечного ряда

Задание 5

1. Подсчитайте число итераций цикла для подсчета суммы ряда.
2. Напишите программу с нулевой инициализацией переменной k.
3. Напишите условие «загрубения» результата подсчета суммы ряда.
4. В программе примените тип float вместо типа double. Проанализируйте результат.
5. Вместо оператора цикла do – while примените иной оператор цикла.

Пример 6. Произвести реверс цифр заданного целого числа, вводимого с клавиатуры пользователем.

Задача заключается в том, чтобы, например, число 123 переписать как 321.

Программный код решения примера

#include <stdio.h> #include <conio.h> int main(void) { long int x, r; printf("\n Enter an integer: "); scanf_s("%ld", &x); printf("\n Reverse-digit number %ld:\n\n\t", x); do { r = x % 10; printf(" %ld", r); x = x / 10; } while (x!= 0); printf("\n\n Press any key: "); _getch(); return 0; }

В программе применена арифметическая операция деления по модулю, которая имеет символ процента, т. е. «%». Любой остаток, получающийся в результате деления целых чисел, будет отброшен [2]. В шкале старшинства оператор деления по модулю имеет приоритет, равный приоритету операторов умножения и деления. Переменные, используемые в программе, объявлены как длинные числа, поэтому применен тип long int (или long). В некоторых компиляторах имеются различия между типами int и long int в смысле максимально поддерживаемого значения числа.

Результат выполнения программы приведен на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Результат программы по реверсу числа

Задание 6

1. Предусмотрите подсчет итераций заданного цикла.
2. Напишите программу по реверсу числа с оператором цикла while. Протестируйте обе программы, в том числе по вводу числа 0.
3. Определите максимальное число вида 123¼987¼, для которого еще можно применить тип long int.

Пример 7. На основе только оператора цикла for написать программу по выводу «горки» заглавных букв, симметрично убывающих к букве, введенной пользователем. Также на основе оператора цикла for предусмотреть защиту от неправильного ввода.

Возможный программный код решения примера

#include <stdio.h> #include <conio.h> int main (void) { int p = 0; char ch = 'A'; char i, j, k, ch2, kk, chA = ch; printf("\n Enter a capital letter between \"A\" and \"S\": "); scanf_s("%c", &ch2, sizeof(char)); for(chA -= 1; chA >= ch2; chA--) { printf("\n Error! Press any key: "); _getch(); return -1; } for (kk = 'S'+1; kk <= ch2; kk++) { printf("\n Error! Press any key: "); _getch(); return -1; } k = ch2; for (kk = ch; kk <= k; kk++) { printf("\n "); for (ch2 = ch; ch2 <= (k - p); ch2++) printf(" "); for (j = ch; j <= kk; j++) printf(" %c", j); for (i = kk; i > ch; i--) printf(" %c", i-1); p++; } printf("\n\n Press any key: "); _getch(); return 0; }

Пример выполнения программы показан на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Пример вывода горки букв

Задание 7

1. Напишите программу на основе только оператора цикла for по выводу перевернутой горки букв, а также «левой» и «правой» горки.

2. Напишите программу на основе только оператора цикла for по выводу «ромба» букв, относительно введенной буквы.

3. Напишите программу по выводу горки букв только на основе оператора цикла while.

 

 

Контрольные вопросы

1. Как организуются составные операторы циклов в языке С?
2. Как организуются вложенные циклы в языке С?
3. В каких случаях может произойти зацикливание при использовании оператора цикла с предусловием?
4. В каких случаях может произойти зацикливание при использовании оператора цикла с постусловием?
5. Сколько условий требуется для работы оператора цикла с параметром?
6. Чем различаются префиксное и постфиксное инкрементирование и декрементирование?
7. Каково различие в операторах цикла между префиксным и постфиксным инкрементированием?
8. Сколько операторов отношения в языке С? Перечислите их.
9. Как реализуется взаимозаменяемость операторов цикла while и for?
10. В чем сходство и различие между циклами с предусловием и с постусловием?