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07-选择语句.md

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选择语句

It is easier to write an incorrect program than understand a correct one. 1

目录

[TOC]

选择语句

前面已经讲过C语言的语句主要分为 6 大类。本节我们主要探讨 选择语句：if 语句 和 switch 语句

一 逻辑表达式

包括 if 语句在内的某些 C 语句（while，for 等）都必须测试表达式的值是“真”还是“假”。

许多编程语言中，类似 i < j 这样的表达式都具有特殊的“布尔”类型或者“逻辑”类型（C++ 的 bool 和 Java 的 boolean）。这样的类型只有两个值，即真（true）和假（false）。

而在 C 语言中，诸如 i < j 这样的比较会产生整数：0（假）1（真）。

但是，非 0 的其他数也可以表示 真。在今天看来，这是 C 语言设计的弊端，它将布尔类型与整型混为一谈，让我们在变成过程中可能稍不小心就会给自己挖一个坑。

1. 关系运算符

C 语言的关系运算符（relational operator）和数学上的 >,<,≤，≥相对应，只是用在 C 语言的表达式中时产生的结果是 0 或 1 。

例如，表达式 10 < 11 的值是 1，11 < 10 的值是 0 。

关系运算符也可以用于比较整数和浮点数，也允许比较不同类型的操作数。如：5.6 < 5 的值为 0 。

符号 含义
< 小于
> 大于
<= 小于等于
>= 大于等于

关系运算符的优先级低于算数运算符。例如：i + j < k - 1 的意思是 (i + j) < (k - 1)

关系运算符都是左结合的。

注意： 表达式 i < j < k 在 C 语言中是合法的，但是可能不是你所期望的含义。因为 < 运算符是左结合的，所以这个表达式等价于：(i < j) < k

表达式会先检测 i 是否小于 j，然后用比较后产生的结果（1 或 0 ）来和 k 进行比较。这个表达式并不是测试 j 是否位于 i 和 k 之间。（正确的写法是：j > i && j < k）

2. 判等运算符

**判等运算符(equality operator)：**相等用==表示 。注意不是 = ，=表示赋值。

注意：

一定要注意不要将 == 写成 = ，编译器可能会给你报错，但是如果没有，在你查错的时候，注意是不是 == 写错了的问题。

符号 含义
== 等于
!= 不等于

和关系运算符一样，判等运算符是左结合的，也是产生 0（假） 或 1（真） 作为结果。

判等运算符的优先级低于关系运算符。例如：

i < j == j < k 等价于：(i < j) == (j < k)，含义是：如果 i < j 和 j < k 同真或同假 这个表达式的结果为真。

利用 关系运算符 和 判等运算符：

(i >= j) + (i == j)

上面表达式的值为 0，1 或者 2 分别代表 i < j, i > j, i == j

3. 逻辑运算符

逻辑运算符（logical operator）

符号 含义
! 逻辑非（一元运算符）
&& 逻辑与（二元运算符）
|| 逻辑或（二元运算符）

其实 && 就是 数学中的 且 ，|| 就是数学的的 或

逻辑运算符产生的结果仍然是 0 或 1，操作数经常也是 0 或 1，但这不是必需的。逻辑运算符将任何 非0值操作数当作真来处理，任何0值操作数当作假来处理。

  • 如果表达式的值为 0，那么 ！表达式的结果为 1
  • 如果 表达式1 和 表达式2 的值都是非零值，那么表达式1 && 表达式2 的结果为 1
  • 如果 表达式1 和 表达式2 的值 中的任意一个是（或者两个都是）非零值，那么表达式1 || 表达式2 的结果为 1

所有其他情况下，这些运算符产生的结果都为 0

“短路”计算

&& 和 || 运算符都遵循“短路”原则。也就是说，这些运算符首先计算出左操作数的值，然后计算右操作数；如果表达式的值可以仅由左操作数推导出来，那么将不计算右操作数的值。如：

	int i = 0, j = 1;

	if (i && i++) {
		; // 空语句
	}
	printf("%d\n", i); // i 的值没有增加，说明 i++ 没有计算

	if (j || j++) {
		;
	}
	printf("%d\n", j); // j 的值没有增加， 说明 j++ 没有计算
// 输出：
0
1

运算符 ！的优先级和一元正负号优先级相同，运算符 && 和 || 的优先级低于判等运算符。

例如：i < j && k == m 等价于 (i < j) && (k == m)

运算符 ! 是右结合的，&& 和 || 是左结合的。

二 if 语句

1. if

if 语句允许程序通过测试表达式的值从两种选项中选择一种。if 语句的简单格式如下：

if(表达式){
    语句
}

如果语句部分只有一条语句，也可以写成

if(表达式)
    语句;

执行 if 语句时，先计算圆括号内表达式的值。如果表达式的值非零（C语言将非零值解释为真值），那么接着执行大括号内的语句。例如：

if(i > 0)
    printf("正数\n");

为了判定 k < i < j，可以这样写：

if(i > k && i < j)

为了判定相反的情况，可以写成：

if(i <= k || i >= j)

**例2-1：**程序：为了判定一个数是不是大于零的，如果是，我们就输出提示语，然后让这个数加 1

if(i > 0){
	printf("是正数\n");
	i++;
}

2. else 子句

if(表达式)
    语句;
else 
    语句;

如果是复合语句（compound statement），需要加上花括号

加上花括号是一种好习惯。建议不管是不是复合语句，尽量都加上花括号。

例2-2：增加需求：如果这个数不是正数，那么输出提示语，然后让这个数减 1

if(i > 0){
	printf("是正数\n");
	i++;
}else{
    printf("不是正数\n");
    i--;
}

3. 嵌套的 if 语句

例2-3：找出 i，j，k 中的最大值，并将其保存到 max 中

if(i > j){
    if(i > k){
        max = i;
    }else{
        max = k;
    }
}else{
    if(j > k){
        max = j;
    }else{
        max = k;
    }
}

4. 级联式 if 语句

编程时常常需要判定一系列的条件，一旦其中某个条件为真就立刻停止。

如何做到呢？

例2-4 程序：判断 n 是大于 0 还是 等于 0 还是小于 0

使用 if else

if(n < 0){
    printf("n < 0");
}else{
    if(n == 0){
        printf("n = 0");
    }
    else{
        printf("n > 0");
    }
}

使用 else if

if(n < 0){
    printf("n < 0");
}
else if(n == 0){
    printf("n == 0");
}
else{
    printf("n > 0");
}

这样写可以避免 if else 嵌套，从而提高了书写和理解的难易度。

级联式 if 语句书写形式：

if(表达式){
 	语句;   
}
else(表达式){
    语句;
}
else{
    语句;
}

5. “悬空 else”问题

请看下面的程序，思考 else 与 那个 if 匹配

if(y != 0)
    if(x != 0)
        printf("%.2f", x / y);
else
    printf("Error: y is zero!");

如果此时 y = 0, x = 2 会输出什么？

如果 y = 2, x = 0 会输出什么？

虽然缩进格式按时 else 属于外层 if，但是 C 语言遵循的规则是else 子句应该属于离它最近且还未和其他 else 匹配的 if 语句。

所以，此例中 else 属于内层的 if 语句。为了避免这种问题，最好的办法就是加括号。

if(y != 0){
    if(x != 0)
        printf("%.2f", x / y);
}
else
    printf("Error: y is zero!");

6. 条件表达式

**条件运算符(conditional operator)：**C 语言运算符中唯一一个三元(ternary)（三个操作数）运算符。

格式：

[条件表达式]表达式 1 ？ 表达式2 ：表达式3 ;

例2-6

if(x > 0){
    x++;
}
else{
    x--;
}

上面的程序我们用条件运算符可以这么写：

x > 0 ? x++ : x--;

判断 k 的值

i = 1;
j = 2;
k = i > j ? i : j; // k is 2 now
k = (i >= 0 ? i : 0) + j; // k is now 3

条件运算符使程序更短小但也更难以阅读，所以最好避免使用。然而有的情况会常常使用条件表达式。比如：

1）判断返回：

return i > j ? i : j;

2）printf

printf("%d\n", i > j ? i : j);

条件表达式也普遍应用于某些类型的宏定义中。

7. 布尔值

C89

多年以来，C语言一直缺乏适当的布尔类型。

一种解决方法是，先声明一个 int 型变量，让后将其赋值为 0 或 1：

int flag;
flag = 0; // 表示 flag 为 false
...
flag = 1; // 表示 flag 为 true

虽然这种方法可行，但是对于程序的可读性没有多大贡献，因为没有明确的表示 flag 的赋值只能是布尔型，并没有明确指出 0 和 1就是表示真和假。

为了使得程序更加便于理解，C89 程序员通常使用 TRUE 和 FALSE 这样的名字定义宏：

#define TRUE 1
#define FALSE 0

现在对 flag 的赋值就有了更加自然的形式：

flag = FALSE;
...
flag = TRUE;

为了判定 flag 是否为真，可以用：

if(flag == TRUE){
    ...
}

或者只写：

if(flag){
    ...
}

为了发扬这一思想，我们可以进一步定义一个用作布尔类型的宏：

#define BOOL int;

声明布尔类型变量时可以用 BOOL 替代 int

BOOL flag;

现在我们就非常清楚了：flag 不是一个普通的整型变量，而是表示布尔条件。（当然编译器还是将 flag 当作 int 类型的变量。）

C99

C99 中提供了 _Bool 类型：

_Bool flag;

_Bool是无符号整型。但是和一般的整形不同，_Bool 只能被赋值为 0 或 1 。一般来说，向 _Bool 类型变量中储存非零值会导致变量赋值为 1 。

_Bool flag = 5;
printf("%u", flag);

// 输出：
1

C99 还提供了一个新的头文件<stdbool.h>，改头提供了 bool 宏，用来代表 _Bool ；还提供了 true 和 false 两个宏，分别代表 1 和 0 。于是可以写：

#include<stdbool.h>

bool flag;
flag = true;
...
flag = false;

三 switch 语句

日常的编程中，常常需要把表达式和一系列值进行比较，从而找出当前匹配的值。

使用级联式 if 语句可以达到这个目的：

if(grade == 4)
    printf("Excellent");
else if(grade == 3)
    printf("Good");
else if(grade == 2)
    printf("Average");
else if(grade == 1)
    printf("Poor");
else if(grade == 0)
    printf("Failing");
else
    printf("Illegal grade");

C 语言提供了 switch 语句作为这类级联式 if 语句的替换。使用 switch 语句改写上面的程序：

switch(grade){
    case 4: printf("Excellent"); 
        	break;
    case 3: printf("Good");
    		break;
    case 2: printf("Average");
        	break;
    case 1: printf("Poor");
        	break;
    case 0: printf("Failing");
        	break;
    default:printf("Illegal grade");
        	break;
}

switch 语句常用格式：

switch(控制表达式){
    case 常量表达式 : 语句
        ...
    case 常量表达式 : 语句
    default : 语句
}

  • **控制表达式：**控制表达式只能用：整型，字符型的变量（C 语言把字符当成整数来处理），不能用浮点数 和 字符串。

  • **分支标号：**每一个分支的开头都有一个标号，格式如下：

    case 常量表达式；

    常量表达式(constant expression): 必须是整数或字符型，不能包含变量和函数调用。

    5 是常量表达式，5 + 10 也是常量表达式；但是 10 + n 不是常量表达式（除非 n 是表示常量的宏）。

  • **语句：**每个分支标号后可以跟任意数量的语句。不需要用花括号把这些语句括起来。每组语句的最后一条通常是 break 语句。

  • break 的作用： 本节后面会详细讨论。

  • default 语句的作用： 控制表达式的值和所有的标号语句都不匹配的话，会执行 default 后面的语句。（default ：默认的意思）

C 语言不允许有重复的分支标号，但对分支的顺序没有要求，特别是 default 分支不一定要放在最后。

case 后只可以跟随一个常量表达式。但是，多个分支标号可以放置在同一组语句前面 。如：

switch(grade){
    case 4:
    case 3:
    case 2: 
    case 1: printf("Passing");
        	break;
    case 0: printf("Failing");
        	break;
    default:printf("Illegal grade");
        	break;
}

为了节省空间，可以将拥有相同语句的分支标号放在同一行：

switch(grade){
    case 4: case 3: case 2:  case 1: 
        	printf("Passing");
        	break;
    case 0: printf("Failing");
        	break;
    default:printf("Illegal grade");
        	break;
}

switch 语句不要求一定有 default 分支。如果 default 不存在，而且控制表达式的值和所有的标号语句都不匹配的话，控制会直接传给 switch 语句后面的语句。

break 语句的作用

break 会使程序“跳出” switch 语句，继续执行 switch 后面的语句。

对控制表达式求值的时，控制会跳转到与 switch 表达式相匹配的分支标号处。分支标号只是说明 switch 内部位置的标记。在执行完分支的最后一句后，程序控制“向下跳转”到下一个分支的第一条语句上，而忽略下一个分支的分支标号。如果没有 break 语句（或者其他某种跳转语句），控制将会从一个分支继续到下一个分支。思考下面的 switch 语句：

switch(grade){
    case 4: printf("Excellent"); 
    case 3: printf("Good");
    case 2: printf("Average");
    case 1: printf("Poor");
    case 0: printf("Failing");
    default:printf("Illegal grade");
}

如果 grade 的值为 3，那么显示的信息是：

GoodAveragePoorFailingIllegal grade

**注意：**忘记 break 是编程时常见的错误。虽然有时候会故意忽略 break 以便多个分支共享代码，但是通常情况下省略 break 是因为忽略。

如果有需要，明确指出故意省略 break 语句是一个好主意：

switch(grade){
    case 4: case 3: case 2:  case 1: 
			num_passing++;
        // Fail Through 
    case 0: total_grades++;
        	break;
}

最然 switch 语句最后一个分支不需要 break 语句，但是通常还是会加上一个 break 语句在那里，以防止将来增加分支时出现“丢失” break 的问题。

参考资料：《C Primer Plus》《C语言程序设计：现代方法》

Footnotes

  1. 写错误的程序比理解正确的程序简单。Epigrams on Programming 编程警句 ↩