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C++学习：六个月从基础到就业——C++基础语法回顾：控制流语句

news 来源：原创 2025/5/2 9:25:42

C++学习：六个月从基础到就业——C++基础语法回顾：控制流语句

本文是我C++学习之旅系列的第三篇技术文章，主要回顾C++中的控制流语句，包括条件语句、循环语句以及跳转语句，并分享一些实用技巧和最佳实践。查看完整系列目录了解更多内容。

引言

控制流语句是编程语言的核心组成部分，它们决定了程序执行的路径和顺序。无论是简单的判断、重复执行特定代码块，还是在特定条件下跳转到程序的其他部分，控制流语句都扮演着至关重要的角色。本文将详细介绍C++中的各种控制流语句，包括条件语句、循环语句和跳转语句，并提供一些实用的编程技巧和最佳实践。

条件语句

条件语句允许程序根据条件的真假来决定执行哪段代码。C++提供了多种条件语句，包括if语句、if-else语句、if-else if-else语句和switch语句。

if语句

if语句是最基本的条件语句，当条件为真时执行指定的代码块：

if (condition) {
    // 当condition为真时执行的代码
}

示例：

int age = 20;
if (age >= 18) {
    std::cout << "您已成年，可以投票。" << std::endl;
}

注意：虽然当代码块只有一行时可以省略花括号，但为了代码的可读性和避免潜在的错误，建议始终使用花括号。

if-else语句

if-else语句在条件为真时执行一个代码块，在条件为假时执行另一个代码块：

if (condition) {
    // 当condition为真时执行的代码
} else {
    // 当condition为假时执行的代码
}

示例：

int age = 16;
if (age >= 18) {
    std::cout << "您已成年，可以投票。" << std::endl;
} else {
    std::cout << "您未成年，不能投票。" << std::endl;
}

if-else if-else语句

if-else if-else语句用于测试多个条件，并在满足第一个为真的条件时执行相应的代码块：

if (condition1) {
    // 当condition1为真时执行的代码
} else if (condition2) {
    // 当condition1为假且condition2为真时执行的代码
} else {
    // 当所有条件都为假时执行的代码
}

示例：

int score = 85;
if (score >= 90) {
    std::cout << "优秀" << std::endl;
} else if (score >= 80) {
    std::cout << "良好" << std::endl;
} else if (score >= 60) {
    std::cout << "及格" << std::endl;
} else {
    std::cout << "不及格" << std::endl;
}

嵌套if语句

在C++中，可以在一个if或else语句内部嵌套另一个if或else语句：

if (condition1) {
    if (condition2) {
        // 当condition1和condition2都为真时执行的代码
    } else {
        // 当condition1为真但condition2为假时执行的代码
    }
} else {
    // 当condition1为假时执行的代码
}

示例：

int age = 20;
bool hasID = true;

if (age >= 18) {
    if (hasID) {
        std::cout << "您可以进入。" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "请出示您的身份证。" << std::endl;
    }
} else {
    std::cout << "未成年人不得入内。" << std::endl;
}

条件运算符（三元运算符）

条件运算符是if-else语句的简写形式，特别适用于简单的条件判断：

condition ? expression1 : expression2;

如果条件为真，整个表达式的值为expression1；如果条件为假，整个表达式的值为expression2。

示例：

int age = 20;
std::string status = (age >= 18) ? "成年" : "未成年";
std::cout << "状态：" << status << std::endl;

嵌套条件运算符：

条件运算符可以嵌套使用，但可能会降低代码的可读性：

int score = 85;
std::string grade = (score >= 90) ? "A" : 
                    (score >= 80) ? "B" : 
                    (score >= 70) ? "C" : 
                    (score >= 60) ? "D" : "F";

在复杂条件判断中，使用if-else if-else语句通常更为清晰。

switch语句

switch语句提供了一种根据表达式的值选择多个代码路径的方法：

switch (expression) {
    case constant1:
        // 当expression等于constant1时执行的代码
        break;
    case constant2:
        // 当expression等于constant2时执行的代码
        break;
    // 更多case语句
    default:
        // 当expression不匹配任何常量时执行的代码
        break;
}

示例：

int day = 3;
switch (day) {
    case 1:
        std::cout << "星期一" << std::endl;
        break;
    case 2:
        std::cout << "星期二" << std::endl;
        break;
    case 3:
        std::cout << "星期三" << std::endl;
        break;
    case 4:
        std::cout << "星期四" << std::endl;
        break;
    case 5:
        std::cout << "星期五" << std::endl;
        break;
    case 6:
        std::cout << "星期六" << std::endl;
        break;
    case 7:
        std::cout << "星期日" << std::endl;
        break;
    default:
        std::cout << "无效的日期" << std::endl;
        break;
}

注意事项：

  1. break语句：每个case后面的break语句是必要的，除非您希望执行"贯穿"多个case。没有break语句，控制流将会"贯穿"到下一个case，直到遇到break或switch语句结束。
int day = 3;
switch (day) {
    case 1:
    case 2:
    case 3:
    case 4:
    case 5:
        std::cout << "工作日" << std::endl;
        break;
    case 6:
    case 7:
        std::cout << "周末" << std::endl;
        break;
    default:
        std::cout << "无效的日期" << std::endl;
        break;
}

  1. default语句：default语句是可选的，但建议始终包含它以处理未预期的情况。

  2. 表达式类型：switch表达式必须是整数类型（包括枚举）或可以隐式转换为整数类型的值。

  3. case常量：case标签必须是常量表达式，不能是变量或函数调用结果。

C++17的增强：带初始化的if和switch语句

从C++17开始，if和switch语句可以包含一个初始化语句，类似于for循环：

if (initialization; condition) {
    // 代码
}

switch (initialization; expression) {
    // case语句
}

这种语法允许您在条件检查的范围内创建临时变量，提高了代码的局部性和可读性：

// C++17之前
{
    auto result = getValue();
    if (result.success()) {
        useValue(result.value());
    }
}

// C++17
if (auto result = getValue(); result.success()) {
    useValue(result.value());
}

使用switch的示例：

switch (auto value = getUserInput(); value) {
    case 1:
        processOption1(value);
        break;
    case 2:
        processOption2(value);
        break;
    default:
        handleInvalidInput(value);
        break;
}

循环语句

循环语句允许重复执行代码块，直到满足特定条件。C++提供了几种类型的循环：while循环、do-while循环、for循环和范围for循环（C++11）。

while循环

while循环在条件为真的情况下重复执行代码块：

while (condition) {
    // 当condition为真时重复执行的代码
}

示例：

int count = 0;
while (count < 5) {
    std::cout << count << " ";
    count++;
}
// 输出：0 1 2 3 4

注意：条件在每次迭代开始前检查。如果初始条件为假，循环体一次也不会执行。

do-while循环

do-while循环至少执行一次循环体，然后在条件为真的情况下继续执行：

do {
    // 至少执行一次的代码
} while (condition);

示例：

int count = 0;
do {
    std::cout << count << " ";
    count++;
} while (count < 5);
// 输出：0 1 2 3 4

do-while循环特别适用于至少需要执行一次操作的情况，例如用户输入验证：

int number;
do {
    std::cout << "请输入一个正数：";
    std::cin >> number;
} while (number <= 0);

for循环

for循环提供了一种更结构化的循环方式，特别适合已知迭代次数的情况：

for (initialization; condition; update) {
    // 循环体
}

for循环的执行流程：

  1. 执行initialization（只执行一次）
  2. 检查condition（如果为真，执行循环体；如果为假，跳出循环）
  3. 执行循环体
  4. 执行update
  5. 返回步骤2

示例：

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    std::cout << i << " ";
}
// 输出：0 1 2 3 4

for循环的变体：

  1. 省略初始化：
int i = 0;
for (; i < 5; i++) {
    std::cout << i << " ";
}
  1. 省略条件（创建无限循环，需要内部break）：
for (int i = 0; ; i++) {
    if (i >= 5) break;
    std::cout << i << " ";
}
  1. 省略更新：
for (int i = 0; i < 5; ) {
    std::cout << i << " ";
    i++;
}
  1. 省略所有部分（创建无限循环）：
for (;;) {
    // 无限循环，需要内部break
    if (someCondition) break;
}
  1. 多个初始化和更新表达式：
for (int i = 0, j = 10; i < 5; i++, j--) {
    std::cout << i << "," << j << " ";
}
// 输出：0,10 1,9 2,8 3,7 4,6

范围for循环（C++11）

C++11引入了范围for循环，简化了对容器和数组的遍历：

for (declaration : expression) {
    // 循环体
}

示例：

std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
for (int num : numbers) {
    std::cout << num << " ";
}
// 输出：1 2 3 4 5

使用auto关键字可以更灵活地处理不同类型的容器：

std::map<std::string, int> ages = {{"Alice", 25}, {"Bob", 30}, {"Charlie", 35}};
for (const auto& pair : ages) {
    std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;
}

引用与值的使用：

  • 使用引用可以避免不必要的复制，提高性能：
// 使用引用（推荐，避免复制）
for (const auto& num : numbers) {
    std::cout << num << " ";
}

// 使用值（会复制每个元素）
for (auto num : numbers) {
    std::cout << num << " ";
}
  • 如果需要修改元素，使用非const引用：
for (auto& num : numbers) {
    num *= 2;  // 将所有元素乘以2
}

嵌套循环

循环可以嵌套使用，创建多维迭代：

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    for (int j = 0; j < 3; j++) {
        std::cout << "(" << i << "," << j << ") ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

输出：

(0,0) (0,1) (0,2) 
(1,0) (1,1) (1,2) 
(2,0) (2,1) (2,2)

跳转语句

跳转语句允许程序改变正常的控制流程，跳到代码的其他部分。

break语句

break语句用于终止最内层的循环或switch语句，并继续执行循环或switch之后的语句：

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    if (i == 5) {
        break;  // 当i等于5时终止循环
    }
    std::cout << i << " ";
}
// 输出：0 1 2 3 4

在嵌套循环中，break只会终止包含它的最内层循环：

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    for (int j = 0; j < 3; j++) {
        if (i == 1 && j == 1) {
            break;  // 只跳出内层循环
        }
        std::cout << "(" << i << "," << j << ") ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

输出：

(0,0) (0,1) (0,2) 
(1,0) 
(2,0) (2,1) (2,2)

continue语句

continue语句跳过当前迭代的剩余部分，直接进入下一次迭代：

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    if (i % 2 == 0) {
        continue;  // 跳过偶数
    }
    std::cout << i << " ";
}
// 输出：1 3 5 7 9

在不同类型的循环中continue的行为：

  • 在for循环中，控制流跳到更新表达式，然后检查条件
  • 在while和do-while循环中，控制流直接跳到条件检查

goto语句

goto语句提供了无条件跳转到程序中标记位置的能力：

goto label;
// 跳过的代码
label:
// 执行的代码

示例：

int i = 0;
start:
if (i < 5) {
    std::cout << i << " ";
    i++;
    goto start;
}
// 输出：0 1 2 3 4

注意：goto语句通常被认为是不良的编程实践，因为它会使代码的控制流难以理解和维护。在大多数情况下，循环和条件语句是更好的选择。

return语句

return语句终止当前函数的执行，并可选地返回一个值：

int sum(int a, int b) {
    return a + b;  // 返回两数之和并终止函数
}

在void函数中，return可以用来提前终止函数：

void printPositive(int number) {
    if (number <= 0) {
        return;  // 如果数字不是正数，提前终止函数
    }
    std::cout << "正数：" << number << std::endl;
}

控制流的最佳实践

1. 避免深层嵌套

深层嵌套的条件和循环会使代码难以阅读和维护：

// 不好的示例：深度嵌套
if (condition1) {
    if (condition2) {
        if (condition3) {
            // 代码
        }
    }
}

// 更好的示例：提前返回
if (!condition1) return;
if (!condition2) return;
if (!condition3) return;
// 代码

2. 使用卫语句简化逻辑

卫语句（guard clauses）可以减少嵌套并提高代码的可读性：

// 使用卫语句
bool processOrder(Order order) {
    if (!order.isValid()) {
        logError("无效订单");
        return false;
    }
    
    if (!order.hasInventory()) {
        logError("库存不足");
        return false;
    }
    
    // 处理有效订单的代码
    return true;
}

3. 优化循环

  • 将不变的计算移出循环：
// 不好的示例
for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {  // size()在每次迭代中计算
    // 代码
}

// 更好的示例
const size_t size = vector.size();  // 计算一次
for (int i = 0; i < size; i++) {
    // 代码
}
  • 尽可能使用范围for循环：
// 冗长的传统for循环
for (auto it = container.begin(); it != container.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";
}

// 更简洁的范围for循环
for (const auto& item : container) {
    std::cout << item << " ";
}

4. 合理使用switch与if-else

  • 当有多个离散值需要比较时，使用switch
  • 当需要测试范围或不同条件时，使用if-else
// 适合switch的情况
switch (day) {
    case 1: /* ... */ break;
    case 2: /* ... */ break;
    // ...
}

// 适合if-else的情况
if (score >= 90) {
    // A级
} else if (score >= 80) {
    // B级
} else {
    // ...
}

5. 避免神秘数字（magic numbers）

使用命名常量代替硬编码的数字：

// 不好的示例
if (age >= 18) {  // 18是什么？为什么是18？
    // 代码
}

// 更好的示例
const int LEGAL_ADULT_AGE = 18;
if (age >= LEGAL_ADULT_AGE) {
    // 代码
}

6. 使用花括号保持一致性

即使代码块只有一行，也建议使用花括号，以避免潜在的逻辑错误：

// 容易出错
if (condition)
    doSomething();
    doSomethingElse();  // 这行总是执行，不受if条件影响

// 更清晰、更安全
if (condition) {
    doSomething();
}
doSomethingElse();  // 明确不在if块内

高级控制流技巧

1. 状态机模式

使用switch语句实现简单的状态机：

enum State { IDLE, RUNNING, PAUSED, STOPPED };

State current_state = IDLE;

void processEvent(Event event) {
    switch (current_state) {
        case IDLE:
            if (event == START) {
                current_state = RUNNING;
                startOperation();
            }
            break;
        case RUNNING:
            if (event == PAUSE) {
                current_state = PAUSED;
                pauseOperation();
            } else if (event == STOP) {
                current_state = STOPPED;
                stopOperation();
            }
            break;
        // 其他状态处理
    }
}

2. 使用lambda简化控制流

C++11引入的lambda表达式可以简化某些控制流情况：

// 使用lambda处理条件分支
auto process = [&](int value) {
    if (value < 0) {
        handleNegative(value);
    } else if (value > 0) {
        handlePositive(value);
    } else {
        handleZero();
    }
};

// 调用lambda
process(userInput);

3. 表驱动方法

对于复杂的条件逻辑，使用查找表可以简化代码：

// 一个表驱动的日期验证示例
const int daysInMonth[] = {0, 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31};

bool isValidDate(int year, int month, int day) {
    if (month < 1 || month > 12) return false;
    
    // 处理闰年二月
    int maxDays = daysInMonth[month];
    if (month == 2 && isLeapYear(year)) {
        maxDays = 29;
    }
    
    return day >= 1 && day <= maxDays;
}

4. C++17的结构化绑定与控制流

结合C++17的结构化绑定和带初始化的if语句：

std::map<std::string, int> scores = {{"Alice", 95}, {"Bob", 87}, {"Charlie", 92}};

if (auto [iter, inserted] = scores.insert({"David", 88}); inserted) {
    std::cout << "添加了新学生" << std::endl;
} else {
    std::cout << "学生已存在，分数为" << iter->second << std::endl;
}

实际案例分析

菜单驱动程序

#include <iostream>
#include <string>

void showMenu() {
    std::cout << "\n==== 主菜单 ====\n";
    std::cout << "1. 添加新记录\n";
    std::cout << "2. 显示所有记录\n";
    std::cout << "3. 搜索记录\n";
    std::cout << "4. 删除记录\n";
    std::cout << "0. 退出\n";
    std::cout << "请选择操作: ";
}

int main() {
    int choice;
    bool running = true;
    
    while (running) {
        showMenu();
        std::cin >> choice;
        
        switch (choice) {
            case 0:
                std::cout << "感谢使用，再见！\n";
                running = false;
                break;
            case 1:
                std::cout << "添加新记录功能\n";
                // 添加记录代码
                break;
            case 2:
                std::cout << "显示所有记录功能\n";
                // 显示记录代码
                break;
            case 3:
                std::cout << "搜索记录功能\n";
                // 搜索记录代码
                break;
            case 4:
                std::cout << "删除记录功能\n";
                // 删除记录代码
                break;
            default:
                std::cout << "无效选择，请重试\n";
                break;
        }
    }
    
    return 0;
}

简单游戏循环

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <random>

enum class GameState { MENU, PLAYING, PAUSED, GAME_OVER };

int main() {
    GameState state = GameState::MENU;
    bool running = true;
    int score = 0;
    std::random_device rd;
    std::mt19937 gen(rd());
    std::uniform_int_distribution<> dis(1, 10);
    
    while (running) {
        switch (state) {
            case GameState::MENU:
                std::cout << "====游戏菜单====\n";
                std::cout << "1. 开始游戏\n";
                std::cout << "2. 退出\n";
                int choice;
                std::cin >> choice;
                if (choice == 1) {
                    state = GameState::PLAYING;
                    score = 0;
                } else if (choice == 2) {
                    running = false;
                }
                break;
                
            case GameState::PLAYING:
                // 简单游戏逻辑
                std::cout << "\n当前得分: " << score << std::endl;
                std::cout << "press 'p' to pause, 'q' to quit: ";
                char input;
                std::cin >> input;
                
                if (input == 'p') {
                    state = GameState::PAUSED;
                } else if (input == 'q') {
                    state = GameState::GAME_OVER;
                } else {
                    // 随机增加分数
                    score += dis(gen);
                }
                
                // 检查游戏结束条件
                if (score > 50) {
                    std::cout << "你赢了！\n";
                    state = GameState::GAME_OVER;
                }
                break;
                
            case GameState::PAUSED:
                std::cout << "游戏已暂停，按'c'继续，'q'退出: ";
                std::cin >> input;
                if (input == 'c') {
                    state = GameState::PLAYING;
                } else if (input == 'q') {
                    state = GameState::GAME_OVER;
                }
                break;
                
            case GameState::GAME_OVER:
                std::cout << "游戏结束！最终得分: " << score << std::endl;
                std::cout << "1. 重新开始\n";
                std::cout << "2. 退出\n";
                std::cin >> choice;
                if (choice == 1) {
                    state = GameState::MENU;
                } else {
                    running = false;
                }
                break;
        }
        
        // 简单的帧率控制
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
    
    std::cout << "感谢游玩！\n";
    return 0;
}

总结

控制流语句是编程的基本构建块，掌握它们对于编写高效、可读和健壮的C++程序至关重要。本文回顾了C++中的各种控制流语句，包括条件语句（if、if-else、switch）、循环语句（while、do-while、for、范围for）和跳转语句（break、continue、goto、return）。

通过理解这些控制流机制并遵循最佳实践，您可以编写出更加清晰和可维护的代码。随着您编程经验的增长，您将逐渐学会在不同情况下选择最合适的控制流结构，并有效地组合它们以解决复杂的问题。

在下一篇文章中，我们将探讨C++中的函数定义与调用，包括函数重载、默认参数、内联函数和Lambda表达式等主题。

参考资料

  1. Bjarne Stroustrup. The C++ Programming Language (4th Edition)
  2. Scott Meyers. Effective C++
  3. cppreference.com - 语句
  4. C++ Core Guidelines - 控制流

这是我C++学习之旅系列的第三篇技术文章。查看完整系列目录了解更多内容。

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