第5章 循环和表达式

说明

看《C++ Primer Plus》时整理的学习笔记，部分内容完全摘抄自《C++ Primer Plus》（第6版）中文版，Stephen Prata 著，张海龙 袁国忠译，人民邮电出版社。只做学习记录用途。

本章介绍循环和关系表达式。

5.1 for 循环

for循环是入口条件循环，也就是在每轮循环之前，都将计算测试表达式的值。

5.1.1 for 循环格式

for循环的基本格式如下：

for (initialization; test-expression; update-expression)
{
    statements;
}

initialization在循环开始时被执行，且整个循环过程中只被执行一次，它可以使用任意表达式，通常在这一部分中声明并初始化变量，但这种变量只存在于for语句中，当程序离开循环后，这种变量将消失。（对于部分老式实现，initialization部分内声明的变量将被视为在循环之前声明的，因此在循环结束后仍可使用。）

test-expression（测试表达式）决定循环体是否被执行，它也可以使用任意表达式，C++ 将把结果强制转换为 bool 类型，若值为false，将导致循环结束，若值为true，循环将继续进行，这一部分通常使用关系表达式。当省略测试表达式时，测试条件默认为true。

update-expression（更新表达式）在每轮循环结束时执行，它也可以使用任意表达式，但通常被用来对跟踪循环轮次的变量的值进行增减。

//以下循环将一直运行，除非在statements里跳出
for (;;)
{
    statements;
}

5.1.2 递增运算符（++）和递减运算符（--）

递增运算符（++）和递减运算符（--）执行两种极其常见的循环操作：将循环计数加 1 或减 1。这两个运算符都有两种变体：前缀版本位于操作数前面，如++x；后缀版本位于操作数后面，如x++；两个版本对操作数的影响是一样的，但是影响的时间不同。后缀版本表示先使用操作数的值，然后再将操作数的值加 1；前缀版本表示先将操作数的值加 1，然后再使用操作数的值。

//前缀版本，全部执行完毕后x=6, y=6.
int x = 5;
int y = ++x;
//后缀版本，全部执行完毕后x=6, y=5.
int x = 5;
int y = x++;

此外，前缀格式与后缀格式的执行速度会有细微的差别：后缀版本首先会复制一个副本，将其加 1，然后将复制的副本返回，而前缀版本不会进行额外的复制操作。对于内置类型而言，这种差异微乎其微，但对于用户定义的类型，前缀版本的效率比后缀版本高。

5.1.3 递增/递减运算符和解除引用运算符

将递增（++）/递减（--）运算符和解除引用运算符（*）同时用于指针时，将依据运算符的位置以及优先级来进行运算。前缀递增、前缀递减、解除引用运算符的优先级相同，都以从右到左的方式进行结合；后缀递增、后缀递减的优先级相同，但比前缀运算符的优先级高，且都以从左到右的方式进行结合。

//执行完毕后x=32.8, pt指向arr[1], arr元素无变化
double arr[3] = {21.1, 32.8, 23.4};
double *pt = arr;
double x = *++pt;
//执行完毕后x=22.1, pt指向arr[0], arr元素无变化
double arr[3] = {21.1, 32.8, 23.4};
double *pt = arr;
double x = ++*pt;
//执行完毕后x=21.1, pt指向arr[1], arr元素无变化
double arr[3] = {21.1, 32.8, 23.4};
double *pt = arr;
double x = *pt++;
//执行完毕后x=21.1, pt指向arr[0], arr[0]=22.1
double arr[3] = {21.1, 32.8, 23.4};
double *pt = arr;
double x = (*pt)++;

5.1.4 组合赋值运算符

每个算术运算符都有其对应的组合赋值运算符：

操作数	作用（L为左操作数，R为右操作数）
+=	将L+R赋给L
-=	将L-R赋给L
*=	将L*R赋给L
/=	将L/R赋给L
%=	将L%R赋给L

5.1.5 逗号运算符

用两个花括号可以构造一条复合语句（代码块），代码块被视为一条语句，这种做法允许把两条或更多语句放到按 C++ 语法只能放一条语句的地方。逗号运算符对表达式完成同样的任务，可以将两个或多个表达式合并为一个，但在声明语句中，逗号只做为分隔符，而不是运算符。逗号运算符是一个顺序点，它确保先计算第一个表达式，再计算第二个表达式，C++ 规定，逗号表达式的值是第二部分的值，在所有运算符中，逗号运算符的优先级是最低的。

//声明语句中，逗号用做分隔符
int i = 0, j = 0;
//逗号用做运算符
i = 0, j = 0;
//逗号运算符的优先级最低，此时i=1
i = 1,2,3,4,5,6;
//逗号表达式的值，此时i=6
i = (1,2,3,4,5,6);

5.1.6 关系表达式

C++ 提供了 6 种关系运算符来对数字进行比较，由于字符用其 ASCII 码表示，因此也可将这些运算符用于字符。不能将它们用于 C-风格字符串，但可用于 string类对象。对所有关系表达式，若比较结果为真，则其值为true，否则为false。关系运算符的优先级比算术运算符低。

操作符	含义
<	小于
<=	小于或等于
==	等于
>	大于
>=	大于或等于
!=	不等于

5.1.7 字符串的比较

C-风格字符串应使用strcmp()函数来比较，该函数接受两个字符串地址作为参数，参数可以是指针、字符串常量或字符数组名。如果两个字符串相同，该函数将返回零；如果第一个字符串按字母顺序排在第二个字符串之前，该函数将返回一个负值；如果第一个字符串按字母顺序排在第二个字符串之后，该函数将返回一个正值。

//比较C-风格字符串是否相等
strcmp(str1,str2) == 0
//比较C-风格字符串是否不等
strcmp(str1,str2) != 0
strcmp(str1,str2)
//比较C-风格字符串str1是否在str2前面
strcmp(str1,str2) < 0
//比较C-风格字符串str1是否在str2后面
strcmp(str1,str2) > 0

string类函数重载了关系运算符，因此其对象可直接使用关系运算符进行比较。

5.2 while 循环

while循环也是入口条件循环，也就是在每轮循环之前，都将计算测试表达式的值。

5.2.1 while 循环格式

while循环的基本格式如下：

while (test-expression)
{
    statements;
}

它可以转换为for循环：

for (;test-expression;)
{
    statements;
}

同样地，for循环基本格式也可以转换为while循环：

initialization;
while (test-expression)
{
    statements;
    update-expression;
}

通常，使用for循环来为循环计数，在无法事先知道循环将执行的次数时，一般使用while循环。设计循环时，有以下几条指导原则：

• 指定循环终止条件。
• 在首次测试之前初始化条件。
• 在条件被再次测试之前更新条件。

5.2.2 编写延时循环

头文件ctime定义了一个符号常量CLOCKS_PER_SEC，该常量等于每秒钟包含的系统时间单位数，将系统时间除以这个值，可以得到秒数。或者将秒数乘以CLOCKS_PER_SEC，可以得到以系统时间单位为单位的时间。以下程序使用了头文件ctime来创建延时 5 秒的循环：

#include <ctime>
int main()
{
    //接下来的4行总耗时约5秒
    float secs = 5;
    clock_t delay = secs * CLOCKS_PER_SEC;
    clock_t start = clock();
    while (clock() - start < delay);
    return 0;
}

5.2.3 类型别名

C++ 为类型建立别名的方式有两种。一种是使用预处理器：

//使用预处理器创建别名(通用格式)
#define aliasName typeName
//使用预处理器创建别名(例子)
#define BYTE char
#define FLOAT_POINTER float *

第二种方法是使用关键字typedef来创建别名：

//使用关键字typedef来创建别名(通用格式)
typedef typeName aliasName;
//使用关键字typedef来创建别名(例子)
typedef char BYTE;
typedef float * FLOAT_POINTER;

typedef不会创建新类型，只是为已有类型建立一个新名称，相比于使用#define，它能处理更复杂的类型别名，因此，使用typedef是一种更佳的选择。

5.3 do while 循环

do while循环是出口条件循环，这意味着这种循环将首先执行循环体，然后再判定测试表达式，决定是否应继续执行循环。这样的循环通常至少执行一次。do while循环的基本格式如下（注意最后的分号）：

do
{
    statements;
} while (test-expression);

5.4 基于范围的 for 循环（C++11）

C++11 新增了一种循环：基于范围的for循环，这简化了一种常见的循环任务：对数组或容器类的每个元素执行相同的操作：

//循环遍历数组的值
double prices[5] = {4.99, 10.99, 6.87, 7.99, 8.49};
for (double x : prices)
{
    std::cout << x << std::endl;
}
//循环遍历并修改数组的值(引用变量)
double prices[5] = {4.99, 10.99, 6.87, 7.99, 8.49};
for (double &x : prices)
{
    x = x * 0.80;
}
//基于范围的for循环和初始化列表
for (double x : {3, 5, 2, 8, 6})
{
    std::cout << x << std::endl;
}

这种循环多用于模板容器类。

5.5 嵌套循环和二维数组

5.5.1 初始化二维数组

C++ 没有提供二维数组的类型，但用户可以创建每个元素本身都是数组的数组，二维数组在概念上是二维的，但在内存中是连续存放的，在 C++ 中，二维数组是按行存储的，也就是先存放a[0]行，再存放a[1]行，接着存放a[2]行，以此类推直到元素放完，每行中元素也是依次存放。二维数组的初始化与一维数组类似：

//初始化方式一：全元素初始化
int a[4][5] = 
{
    {96, 100, 87, 101, 105},
    {96, 98, 91, 107, 104},
    {96, 101, 93, 108, 107},
    {96, 103, 95, 109, 108}
};
//初始化方式二：全元素初始化时，可省略内部括号
int a[4][5] = 
{
    96, 100, 87, 101, 105,
    96, 98, 91, 107, 104,
    96, 101, 93, 108, 107,
    96, 103, 95, 109, 108
};
//初始化方式三：全元素初始化时，第一维大小可省略
int a[][5] = 
{
    96, 100, 87, 101, 105,
    96, 98, 91, 107, 104,
    96, 101, 93, 108, 107,
    96, 103, 95, 109, 108
};
//初始化方式四：全元素初始化为0
int a[4][5] = {0};
//初始化方式五：初始化部分元素，剩余元素默认为0
int a[4][5] = 
{
    {96},
    {96, 98, 91},
    {96, 101},
    {96, 103, 95, 109}
};
//初始化方式六：省略第一维大小且只初始化部分元素
int a[][5] = 
{
    {},
    {96, 98, 91},
    {96, 101},
    {96, 103, 95, 109}
};

5.5.2 使用 new 创建动态二维数组

动态二维数组的创建以及释放如下所示：

//分配动态二维数组内存的通用格式
typeName ** pointer_name = new typeName *[rowSize];
for (int i = 0; i < rowSize; i++)
{
    pointer_name[i] = new typeName[columnSize];
}
//释放动态二维数组内存
for (int i = 0; i < rowSize; i++)
    delete[] pointer_name[i];
delete[] pointer_name;

在 C++11 中，使用 new 创建动态二维数组的同时还可对其进行初始化，采用动态一维数组的初始化方法，在for循环中对动态二维数组的每行进行初始化即可。

5.5.3 嵌套循环

嵌套循环是循环中的循环，外层循环以及内层循环可以是for、while、do while中的任意一种。由于 CPU 使用了分支预测技术，将大循环做为内层循环，小循环做为外层循环可以提升嵌套循环的运行效率，因此嵌套循环一般将循环次数最多循环的放在最内层。由于二维数组是按行存储的，使用嵌套循环遍历二维数组时，按行遍历可提升运行效率，因此当嵌套循环仅用于遍历二维数组时，一般将列循环放在内层[测试例]。