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C++ while 循环 讲义
1. 课程引言
1.1 问题引入
任务:让计算机在屏幕上换行输出 1、2、3、4、5。 很简单,我们利用顺序结构很快就能写出这样的代码:
int main() {
cout << 1 << endl;
cout << 2 << endl;
/* ... 略 ... */
cout << 5 << endl;
return 0;
}
“So easy!” 很多同学可能会这么想。但是,请看下一个任务:
升级版任务:让计算机换行输出 1 到 100 之间的每一个整数。
这时候,如果继续使用顺序结构,我们需要把 cout 语句复制粘贴 100 遍。如果要求是输出 1 到 10000 呢?这种简单、重复、有规律的工作,人类来做既枯燥又易错。
核心观点:计算机非常适合且极其擅长做大规模重复的事情! 为了“解放”我们,我们需要一种新的程序结构——循环结构。
2. 核心思想:什么是 while 循环?
循环,顾名思义,就是让一段代码能够“转着圈”地反复执行。while 循环是其中最基础、最直观的一种。
2.1 生活中的 while 逻辑
大家对这句话一定不陌生,妈妈在你写作业前说:
“只要(while)你还没完成所有作业(循环条件),你就必须一直写(循环体)。”
这句话包含了 while 循环的核心要素:
- 循环条件:还没完成所有作业。
- 循环体(重复的动作):一直写作业。
你每写完一门作业,都会检查一次条件(作业写完了吗?)。如果没有,继续写;直到条件不再成立(作业写完了),循环结束,你可以出去玩了。
2.2 if 与 while 的区别
if语句(分支):像一个岔路口,判断一次条件,满足就做,做完就接着往下走。while语句(循环):在执行完“做某事”之后,会返回到原点再次判断条件,形成一个圈。只要条件为真,这个圈就会一直转下去。
2.3 while 循环的执行流程(重点)
while (条件表达式) {
// 循环体:重复执行的代码
}
- 第一步(判断):计算
条件表达式的值。 - 第二步(决策):若为
true(真),进入大括号执行代码;若为false(假),直接跳过整个while结构。 - 第三步(执行):从上到下执行循环体内的所有语句。
- 第四步(返回):执行完毕后,自动返回第一步,重新判断条件。
3. 代码实战:编写 while 循环的模板
如何编写一个正确的 while 循环:
- 第一步:初始化循环控制变量。 在循环开始前,设立一个“标记变量”(如计数器)。
- 第二步:设置循环继续的条件。 写下让循环“继续下去”的规则。
- 第三步:更新控制变量。 在循环体内部改变“标记变量”的值,使其朝着“不满足条件”的方向发展。
3.1 解决 输出 1 到 100 的任务
int main() {
// 初始化:创建一个循环控制变量 i,让它从 1 开始
int i = 1;
// 条件:只要 i 小于或等于 100,就继续循环
while (i <= 100) {
// 循环体
cout << i << endl; // 重复的任务:打印当前数字
// 更新:让 i 的值加 1,为下一轮判断做准备
i++;
}
return 0;
}
4. 案例剖析
案例一:乘地铁回家
场景:小六乘坐地铁回家,世纪大道站上车,梦站下车。他想知道途经了多少站。 逻辑梳理:
- 初始化:上车,计数器设为 0。
- 条件:
while (还没有到梦站) - 循环体:再坐一站路;计数器 +1。
- 结束:下车,输出计数器。
代码思路:
上车;
计数器设置为0;
while( 没有到梦站 ){
再做一站路;
计数器+1;
}
下车;
输出计数器;
案例二:一尺之棰(数学计算 - 书本 P51 例 4-4)
题目:《庄子》曰:“一尺之棰,日取其半,万世不竭”。输入木棍初始长度 $a$,每天锯掉一半(向下取整),求第几天木棍长度会变为 1?
分析:这题很适合 while 循环,因为我们不知道具体要循环多少次,我们只知道循环结束的条件。
int a;
cin >> a;
int day = 1; // 第一步:初始化天数
while (a > 1) { // 第二步:循环条件,只要长度还大于1就继续砍
a = a / 2; // 第三步:更新变量1(木棍变短)
day++; // 第三步:更新变量2(天数增加)
}
cout << day << endl; // 循环结束后输出结果
如果缺了 a = a / 2;,木棍永远那么长,永远砍不完;如果缺了 day++;,时间就静止了天数永远都是1。
案例三:累加
3.1 题目描述
编写一个程序,让用户输入一个正整数 n,然后计算 s = 1 + 2 + 3 + … + n 的值,并输出最终结果 s。
输入/输出样例:
- 如果用户输入
3,程序应该计算1 + 2 + 3,最终输出6。 - 如果用户输入
5,程序应该计算1 + 2 + 3 + 4 + 5,最终输出15。 - 如果用户输入
100,程序应该计算1 + 2 + ... + 100,最终输出5050。
3.2 思路分析
这个问题我们无法用一行代码直接得出答案。我们先想一想,如果不用程序,我们的大脑是如何计算 1 + 2 + 3 + 4 + 5 的?
过程很可能是这样的:
- 先算
1 + 2,在脑中记下结果3。 - 再用刚才记下的
3,去加上3,得到6,并用这个新结果6更新我们脑中的记忆。 - 接着,用记下的
6,去加上4,得到10,再次更新记忆。 - 最后,用记下的
10,去加上5,得到最终答案15。
在这个过程中关键的一点是:我们的大脑里始终**“记着”一个“当前的和”**。这个“当前的和”在计算过程中是不断变化的、滚雪球式增长的。
程序也需要这样一个能“记事儿”的角色。在编程中,我们给它起了一个非常形象的名字——累加器 。
3.3 累加器的运作流程
基于上面的分析,我们可以把核心思路拆解成以下几个步骤:
- 准备一个“累加器”:我们需要一个整型变量,专门用来存放累加的和。我们叫它
sum。在计算开始前,这个“和”是空的,所以sum的初始值必须是 0。 - 准备一个“计数器”:我们需要另一个变量,依次代表我们要加的数:1, 2, 3, ..., n。这个我们很熟悉了,就是循环控制变量,我们叫它
i。它应该从1开始。 - 建立循环:我们需要一个
while循环,来驱动计数器i从1稳定地增长到n。循环的条件自然就是i <= n。 - 执行累加动作:在循环的每一次中,我们都执行最核心的累加动作:
sum = sum + i;。这行代码的含义是:取出sum的当前值,和i的当前值相加,得到的新和再存回给sum变量自己,完成一次自我更新。 - 更新计数器:在累加动作之后,要让
i的值加1 (i++;),这样下次循环才能累加下一个数。
这个过程就像滚雪球,sum 是那个雪球,i 是每一捧新雪。循环一次,雪球就裹上一层新雪,变得更大。当 i 遍历完所有数,雪球的最终大小就是我们所求的总和。
3.4 代码实现与解读
int main() {
// 让用户输入目标数字 n
int n;
cin >> n;
// 初始化
int sum = 0; // 累加器 sum 初始值为 0
int i = 1; // 计数器 i 从第一个要加的数 1 开始
// 循环条件:只要 i 还没有超过 n,就继续累加
while (i <= n) {
// 将当前的数 i 累加到 sum 中
sum = sum + i; // 也可以简写为: sum += i;
// 让 i 增加 1,准备加下一个数
i++;
}
// 循环结束后,sum 中存放的就是 1 到 n 的最终累加结果
cout << sum << endl;
return 0;
}
代码解读:
int sum = 0;:如果sum没有被初始化,它的值将是随机的,最终结果自然也是错误的。而0是加法运算的起点。while (i <= n):循环的边界条件是i <= n,确保从1到n(包括n本身)的每一个数都被加进了sum中。sum = sum + i;:它读取sum的旧值,进行计算,然后用新值覆盖旧值。cout << sum << ...;:这行代码位于while循环的外部。因为我们只关心最终的那个总和,而不是中间过程的每一个“当前和”。如果你把这行代码错误地放进了循环体内部,会发生什么呢?可以动手试一试,区别一下“循环内外”到底有什么不同。
5. 深化理解
5.1 死循环
如果我们在输出 1 到 100 的代码中漏掉了 i++; 会怎样?
int i = 1;
while (i <= 100) {
cout << "救命!" << endl;
}
运行结果:i 的值永远是 1,1 <= 100 永远成立。屏幕会被“救命!”一直刷屏,程序永不停止。
所以务必确保循环体内部有代码能让循环条件最终变为 false!
5.2 C++ 中的“真”与“假”
在 C++ 中,0 为假(false),其他所有非 0 数都为真(true)。
if (0)或while (0):条件为假,里面的代码绝对不会执行。while (1)或while (999):条件永远为真,这是一个标准的无限循环(死循环)写法,通常需要配合内部的break语句来跳出(后续课程学习)。
5.3 如何实现循环 n 次?
我们要输出 n 个 *,有许多种写法(例如从 n 递减到 1),但最通用、最标准的“约定”是:从 0 开始,循环 n 次。
int n;
cin >> n;
int i = 0; // 从 0 开始
while (i < n) { // 条件为小于 n (注意不是小于等于)
cout << "*" << endl;
i++;
}
为什么推荐这种写法?
- 与数组契合:C++ 中的数组索引是从 0 开始的,习惯
0到n-1的模式,未来学习数组时可以进行衔接。 - 逻辑清晰:
[0, n)是一个左闭右开的区间(从0~n-1),区间内元素的个数正好是 $n$,不多也不少。
6. 遍历 + 筛选 模式
掌握了基础循环,我们来看一个解决大量编程问题的核心基础框架:遍历与筛选。
任务:输入区间起点 n1 和终点 $n2$,打印出这个区间内的所有偶数。
用一个生活中的例子想象一下,你现在推着购物车在超市的货架通道里走。你的任务是:“在第 1 排到第 10 排货架之间,把所有打半价的商品挑出来。”
在这个场景中:
- 货架通道的范围(第 1 排到第 10 排):这就是我们的区间(
n1到 $n2$)。 - 你顺着通道一排排走过,目光扫过每一件商品:这个动作就叫做【遍历】。不管买不买,你都必须逐一“看”过去,不能漏掉。在代码中,这就是
while (i <= n2)和不断向前看的i++,而你当前正在看的这个物品,就相当于是循环变量i。 - 你拿起一件商品,看一眼标签上的价格:这个动作叫做【筛选】。如果是半价,放进购物车(执行操作);如果不是半价,放回原处(什么都不做)。在代码中,这就是
if判断。
int n1, n2;
cin >> n1 >> n2;
int i = n1; // 初始化循环变量 i,因为 n1 是起点,故初始化为 n1 让循环变量从起点开始
while (i <= n2) { // 步骤1:【遍历】只要循环变量 i 没越过终点,就挨个检查
if (i % 2 == 0) { // 步骤2:【筛选】判断当前数字是否为偶数
cout << i << endl; // 满足条件才处理(输出)
}
i++; // 步骤3:更新,无论是不是偶数,都要前进到下一个数字
}
为什么说它是“解决大量编程问题的核心基础框架”?因为掌握了这个模式,你只需要修改 if 里面的鉴定条件,就能解决成百上千种不同的问题,而外层的 while 遍历框架完全不需要改动!
如果把刚才代码里的 if 条件换一下,我们可以实现:
- 找奇数:
if (i % 2 != 0)(除以 2 余数不为 0) - 找 5 的倍数:
if (i % 5 == 0) - 找个位数是 7 的数字:
if (i % 10 == 7)(任何正整数对 10 取余,结果就是它的个位数)
遍历 + 筛选 模式思路步骤:
- 遍历:使用
while循环,借助自增循环变量i,挨个访问想要查找区间内的每一个元素。 - 筛选:在循环体内部,嵌套一个
if条件语句,提取出我们感兴趣的数据(如偶数、素数、最大值等)。