C語言程序設(shè)計循環(huán)結(jié)構(gòu)之“四要素學(xué)習(xí)法”

摘要：C語言程序設(shè)計中循環(huán)結(jié)構(gòu)是順序、選擇、循環(huán)三大基本結(jié)構(gòu)之一，功能強大，使用靈活方便，但是學(xué)生學(xué)習(xí)難度比較大。該文以累加和為切入點深入分析循環(huán)結(jié)構(gòu)特點，總結(jié)出循環(huán)結(jié)構(gòu)“四要素學(xué)習(xí)法”，用for、while、do-while等循環(huán)語句分別實現(xiàn)其循環(huán)算法，并舉例加以深入解讀，使循環(huán)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)思路清晰，重點突出，對于學(xué)生掌握并靈活使用循環(huán)結(jié)構(gòu)非常有幫助。

關(guān)鍵詞：C語言程序設(shè)計;循環(huán)結(jié)構(gòu);四要素學(xué)習(xí)法

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）29-0121-03

1 背景

C語言是面向過程的高級程序設(shè)計語言之一，它具有數(shù)據(jù)類型豐富、靈活高效和結(jié)構(gòu)化等特征[1]。C語言程序設(shè)計是自動化等工科專業(yè)非常重要的專業(yè)課程，尤其后期學(xué)習(xí)單片機時進行編程也是使用C語言。循環(huán)指事物周而復(fù)始地運動或變化。在計算機程序設(shè)計中，“循環(huán)”這一術(shù)語指的是一種專門的控制結(jié)構(gòu)。特征是重復(fù)執(zhí)行循環(huán)體中的語句，比一般情況下的順序執(zhí)行復(fù)雜一些，需要跳轉(zhuǎn)命令和條件判斷組合實現(xiàn)[2]。循環(huán)結(jié)構(gòu)是C語言程序設(shè)計中三大基本結(jié)構(gòu)之一[3]，也是最為重要、使用頻率較高的結(jié)構(gòu)，其特點是，在給定條件成立時，反復(fù)執(zhí)行某程序段，直到條件不成立為止。循環(huán)結(jié)構(gòu)一直是學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計的一個難點，下面筆者就以循環(huán)結(jié)構(gòu)中的累加和問題S= 1+2+3+…+100為切人點，談一下自己的授課經(jīng)驗。

累加和的實現(xiàn)有2種方案。

解決方案1：考慮順序結(jié)構(gòu)來完成，雖然可以實現(xiàn)，但是比較煩瑣，費工，計算機智能化快速化優(yōu)勢并沒有體現(xiàn)出來，同時順序結(jié)構(gòu)算法的通用性太差，題目稍有變化如從1加到1000等，就不能解決了。也就是說，順序結(jié)構(gòu)來解決重復(fù)才做問題，只能具體問題具體分析，不能解決此類問題。

解決方案2：使用循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，程序代碼簡單，邏輯清晰，而且通用性強，可以推廣到類似的其他問題。

比較兩種方案，循環(huán)結(jié)構(gòu)用來解決重復(fù)性操作問題優(yōu)勢明顯，但是循環(huán)結(jié)構(gòu)算法相對來說比較難掌握。筆者也就此算法進行了深入的課堂教學(xué)研究，從操作過程拆解、循環(huán)結(jié)構(gòu)流程圖和循環(huán)語句實現(xiàn)三方面來進行分析講解，提出了循環(huán)結(jié)構(gòu)的“四要素學(xué)習(xí)法”。

2 循環(huán)結(jié)構(gòu)教學(xué)過程

2.1 操作過程拆解

對于累加和問題，本質(zhì)上是相加操作的重復(fù)，所以其共性為：和=操作數(shù)1+操作數(shù)2，重復(fù)若干次;重復(fù)性相加操作的不同之處在于：每次參與相加的操作數(shù)1和操作數(shù)2是不同的，操作數(shù)1為上次相加之和，稱為舊和，操作數(shù)2為上次操作數(shù)2加l之后的值。對比重復(fù)性操作的共性和不同之處，累加和操作問題的通式可寫為：新和=舊和+操作數(shù)2。所以累加和問題就變?yōu)椋涸O(shè)置好初值，利用變量值可變的特性重復(fù)求和，直到加到100，累加結(jié)束。在此過程中，設(shè)累加和存放在變量sum中，操作數(shù)2為變量i，則初值設(shè)定為sum=0，i=1，重復(fù)相加通式為：sum=sum+i，累加完成后i值增1，此后進行下一次累加操作，知道i值超過100，累加結(jié)束，共重復(fù)100次，此過程即為循環(huán)結(jié)構(gòu)。

對于程序設(shè)計當(dāng)中涉及重復(fù)性問題，都可按照這個分析過程來進行初步分析。

2.2 循環(huán)結(jié)構(gòu)四要素

以上分析內(nèi)容用程序流程圖表示如下圖1。通過對循環(huán)結(jié)構(gòu)流程圖的分析可以看出，循環(huán)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)需要注意四個關(guān)鍵點：1）初值設(shè)定，是循環(huán)正確開始的基礎(chǔ);2）循環(huán)條件，限定重復(fù)性操作重復(fù)執(zhí)行的條件，也是循環(huán)能適時終止的保證，避免循環(huán)陷入死循環(huán);3）循環(huán)體，是循環(huán)重復(fù)性操作的具體體現(xiàn);4）循環(huán)變量的調(diào)整，是循環(huán)體正確執(zhí)行或者循環(huán)次數(shù)控制的重要環(huán)節(jié)。在使用循環(huán)結(jié)構(gòu)時，這四點必須予以重視。

由累加和問題推廣到一般重復(fù)性問題，流程圖如圖2所示。在分析一般的具有重復(fù)性操作的問題時，都可以歸結(jié)為以上四要素的分析推理過程，所以在C語言程序設(shè)計中循環(huán)結(jié)構(gòu)這一環(huán)節(jié)的授課過程中，筆者提出了“四要素學(xué)習(xí)法”，結(jié)合重復(fù)性操作問題的特點，找出重復(fù)過程中的四個方面，即起始特點、重復(fù)操作條件、重復(fù)操作本身以及每次重復(fù)操作的細微調(diào)整，對應(yīng)以上講解的循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)過程中的初值設(shè)定、循環(huán)是否執(zhí)行的判斷條件、循環(huán)體及循環(huán)變量調(diào)整四個要素，循環(huán)結(jié)構(gòu)算法即可實現(xiàn)。

2.3 循環(huán)語句實現(xiàn)

循環(huán)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)語句包括三種：for、while、do-while，三種語句雖然語法規(guī)則不同，但都可實現(xiàn)上面的循環(huán)結(jié)構(gòu)，而且按照四要素法來分析這三種循環(huán)語句，都包含前面所分析的循環(huán)初值設(shè)定、循環(huán)判斷條件、循環(huán)體及循環(huán)變量調(diào)整四個要素其中。

1）for語句實現(xiàn)

for語句使用十分靈活，變化多端，可以通過for語句培養(yǎng)靈活使用C語言的能力[2]，故我們首先以for語句為例來設(shè)計循環(huán)結(jié)構(gòu)程序代碼。

for語句的基本格式為：

for（表達式1;表達式2;表達式3）

循環(huán)體語句;

其執(zhí)行過程為：先執(zhí)行表達式1，再判斷循環(huán)條件表達式2是否成立，如果條件成立則執(zhí)行循環(huán)體語句，執(zhí)行完循環(huán)體語句后執(zhí)行表達式3;之后再次判斷循環(huán)條件是否成立，若條件還成立，則繼續(xù)重復(fù)循環(huán)體語句，當(dāng)條件不成立時則跳出for循環(huán)。

累加和for語句實現(xiàn)的程序為：

for（i=l，sum=O;i<=lOO;i++）

sum=sum+i;

用四要素學(xué)習(xí)法分析for語句程序段：

i=1.sum=0;為循環(huán)初始條件;i<=100為循環(huán)判斷條件;sum=sum+i;為循環(huán)體語句;i++;為循環(huán)調(diào)整語句。

2）while語句實現(xiàn)

while語句在單片機程序設(shè)計中常會使用，基本格式為：

while（循環(huán)條件）

（循環(huán)體語句;）

其執(zhí)行過程為：先判斷循環(huán)條件是否成立，如果成立就執(zhí)行循環(huán)體語句，執(zhí)行完畢后再回來判斷循環(huán)條件是否滿足，如此重復(fù);直到條件不成立時，跳出循環(huán)，執(zhí)行while循環(huán)后邊的語句。在使用while的循環(huán)語句時一定要包括能最后判斷出while循環(huán)語句條件的真假性的操作過程Ⅲ。

用while語句實現(xiàn)累加和問題：

i=l.sum=0;

while（i

（

sum=sum+l;

i++;

）

同樣用四要素法分析while語句程序段：

i=1，sum=0;為循環(huán)初始條件;i<=100為循環(huán)判斷條件;sum=sum+i;為循環(huán)體語句;i++;為循環(huán)調(diào)整語句。

3） do-while語句實現(xiàn)

do-while語句的特點：

do-while語句的一般形式為：

do

循環(huán)體語句;

while（循環(huán)條件）;

其執(zhí)行過程為：首先無條件地執(zhí)行一次循環(huán)體，然后判斷循環(huán)條件是否成立，成立則繼續(xù)循環(huán)，否則退出循環(huán)。因此，與while循環(huán)相比，do-while循環(huán)要無條件執(zhí)行一次循環(huán)語句，實現(xiàn)相同算法時要注意此區(qū)別。

用do-while語句實現(xiàn)累加和問題：

i=l.sum=0;

do

{

sum=sum+1.

}while（i<=100）;

再次用四要素法分析do-while語句程序段：

i=1，sum=0為循環(huán)初始條件;i<=100為循環(huán)判斷條件;sum=sum+i為循環(huán)體語句;i++為循環(huán)調(diào)整語句。

4）三種循環(huán)語句對比

由以上分析可知，不論是什么語句來實現(xiàn)循環(huán)結(jié)構(gòu)，都離不開循環(huán)結(jié)構(gòu)的四要素：循環(huán)初值設(shè)定、循環(huán)判斷條件、循環(huán)體和循環(huán)變量調(diào)整，循環(huán)算法才能正常實現(xiàn)，否則循環(huán)有可能出現(xiàn)起始條件不正確，或者陷入死循環(huán)等難以發(fā)現(xiàn)的邏輯問題。三種語句的區(qū)別只在于四要素在循環(huán)算法中的位置不同。所以，可以把循環(huán)四要素法推廣應(yīng)用到重復(fù)性操作所有問題中。在設(shè)計循環(huán)結(jié)構(gòu)的算法時，關(guān)鍵在于設(shè)置好循環(huán)四要素，循環(huán)算法才能成功實現(xiàn)。同時也可以利用四要素法來驗證循環(huán)算法是否能成功實現(xiàn)要求。

3 循環(huán)結(jié)構(gòu)四要素學(xué)習(xí)法應(yīng)用

接下來進行應(yīng)用循環(huán)四要素學(xué)習(xí)法來實現(xiàn)其他循環(huán)問題案例分析。

例題1：求費波那西（Fibonacci）數(shù)列的前40個數(shù)。這個數(shù)列同時也是一個有趣的數(shù)學(xué)問題，可把數(shù)列問題描述為：最開始有一對兔子，從出生后第3個月起每個月都能生一對兔子。小兔子長到第3個月后又可以每個月生一對兔子。假設(shè)所有兔子都不死，則每個月的兔子總數(shù)滿足費波那西數(shù)列的規(guī)律。

根據(jù)前面分析信息可總結(jié)出這個數(shù)列有如下特點：第1、2兩個數(shù)為1、1。從第3個數(shù)開始，該數(shù)是其前面兩個數(shù)之和。即：

用程序的思想來解讀這個數(shù)學(xué)問題，用循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最為恰當(dāng)。其思路為：設(shè)置兩個數(shù)列變量fl和f2用來暫存數(shù)列當(dāng)中的某兩個數(shù)，設(shè)置一個循環(huán)調(diào)整變量i，從數(shù)列第一個數(shù)到數(shù)列中的第40個數(shù)。由式1可知當(dāng)i=1和i=2時，f1=1，f2=1。本問題中i的值每變化一次，F(xiàn)。就要重新賦一次值，故重復(fù)性操作為Fn=Fn-1+Fn-2（n≥3）并輸出顯示。在數(shù)列前兩個數(shù)都為1的基礎(chǔ)上，循環(huán)變量的值從i=1到i=38才能把數(shù)列前40個數(shù)計算卅來。所以用循環(huán)四要素法來解讀：循環(huán)初值為f1=1，f2=1，i=1;循環(huán)判斷條件為i≤38;循環(huán)體語句為Fn=Fn+1，+Fn-2（n≥3）和顯示語句，并且要為下次Fn的賦值做準(zhǔn)備，即進行fl和f2值的調(diào)整;循環(huán)變量調(diào)整則為i值每次增1。算法流程圖如下圖3所示。

用for語句實現(xiàn)費波那西數(shù)列循環(huán)結(jié)構(gòu)，其程序代碼為：

#include

int main0

f int fl=l，f2=l，f3; int i;

printf（”%12d＼n%12d＼n”，f1，f2）;

for（i=l;i<=38;i++）

f f3=fl+f2;

printf（”o-/012d＼n”，f3）;

fl=f2;

f2=f3：

）

return 0：

）

接下來進行案例二的分析。

例2：用;π/4≈1-1/3+1/5-1/7+…公式求仃的近似值，直到某一項的絕對值小于10^-6為止（該項不累計加）。

由題十信息可知，公式有無窮項相加減，明顯可考慮用循環(huán)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。分析題中所給公式的特點可總結(jié)為：

1）每一項的分子都是1，后一項的分母是前一項的分母加2;

2）相鄰兩項項分?jǐn)?shù)的符號正負交替;

故相鄰兩項數(shù)據(jù)的關(guān)系為：1/n=>1/n+2

在設(shè)計程序時，需要用到幾個變量：flag：符號變量，用以進行每次加減運算時符號的替換;pi：π變量;n：參與運算的每一項的分母值;t：由符號變量除以沒意向的分母值得到參與運算的當(dāng)前項。用循環(huán)四要素法來解讀：循環(huán)初值為flag=l，pi=0，n=1，t=1;循環(huán)結(jié)束條件為某一項的絕對值小于l0-6，故判斷條件為t≥l0^-6;循環(huán)體：計算pi值;循環(huán)變量調(diào)整：n=n+2，flag取反以及t的新值計算。程序流程圖如圖4所示。

程序清單如下：

#include

#include

int main0

{ int flag=l; double pi=O，n=l，t=l;

while（fabs（t）>=le-6）

（ pi=pi+t;

n=n+2：

flag=-flag;

t=flag/n;

）

pi=pi*4;

printf（”pi= o-/010.8f＼n”，pi）;

return O：

）

4 結(jié)束語

由以上分析可知，重復(fù)操作性問題利用循環(huán)結(jié)構(gòu)可使程序結(jié)構(gòu)清晰，語句簡潔。循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中一定需要注意四要素：初值設(shè)定、循環(huán)判斷條件、循環(huán)體、循環(huán)變量調(diào)整，只要把握住這四個要素，循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計就可實現(xiàn)，并且也可易用循環(huán)四要素查找循環(huán)結(jié)構(gòu)是否存在漏洞。同時在算法設(shè)計好之后，程序?qū)崿F(xiàn)時也應(yīng)注意for、while、do-while等循環(huán)語句的使用特點，在合適的位置上設(shè)置合適的四要素。所以利用“四要素學(xué)習(xí)法”來講解循環(huán)結(jié)構(gòu)，簡單易懂，重點突出，對學(xué)生熟練掌握和應(yīng)用循環(huán)結(jié)構(gòu)解決程序問題可起到事半功倍的效果，循環(huán)類問題就可輕松解決。

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[3]譚浩強.C程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：124.

[4]高茂嬋，呂雪，彭星星，等.淺談C語言中循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2020，16（6）：58-60.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

作者簡介：陳麗敏（1982-），女，河南許昌人，講師，碩士，研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置。