第5章 程序流程控制
本章包括
◆ 描述程序流程的基本方法
◆ 用于循环控制的while语句、do⋯while语句和for语句
◆ 用于流程跳转的goto语句
◆ 用于分支控制的if语句、if⋯else语句和switch语句
◆ 中止循环的break语句和continue语句
程序流程指的是程序指令的执行次序。根据逻辑学家的研究，一般用顺序、分支和循环就可以描述所有的程序流程。顺序是最自然的流程，如果不加以控制，程序中的语句就是以其编写时的次序执行的，所以本章主要介绍分支和循环。
5.1 程序流程的描述
描述程序流程有很多种方式，比如伪码、流程图、UML（统一建模语言）的顺序图和活动图等。伪码和流程图比较适合描述短小的程序，特别是解决某个具体问题的算法，它们清晰、精确，使阅读者可以很容易地了解算法的细节。而UML图则适合描述大型程序，特别是用面向对象方法开发的程序，它便于阅读者从系统、整体的高度了解整个软件系统。本节只介绍伪码和流程图方法，关于UML图，请读者参考专门的书籍。
5.1.1伪码
伪码即伪代码，就是用一种非常自然的、口语的方式来描述程序。伪码不受计算机语言语法的限制，行文非常自由，可以用任何熟悉的语言进行描述。相比代码，伪码可以更好地贴近人类的思维，更容易为阅读者所理解。例如，描述一个求三个数a，b，c中最大值的伪码如下：
step 1 比较a和b，将其中较大的值赋给x。
step 2 比较x和c，将其中较大的值赋给y。
step 3 输出y。
这样就完成了一个简单程序的流程描述。这段流程描述也可以当做程序的设计文本，在后续的编码过程中可以根据这段伪码进行编程。
5.1.2 流程图
流程图以图的形式来描述程序的流程。程序中的每一个或几个步骤用一个图形符号表示，并结合图形中的文字说明该步骤的功用。每个图形符号之间还可以用带箭头的线连接，用来表示步骤间的执行次序。上节中伪码的例子就可以用如图5-1所示的流程图进行描述。
图5-1 求三个数中的最大值
常用的流程图符号如表5-1所示。
表5-1 常用的流程图符号
5.2 分支
所谓分支，指的是根据预设的条件，选择不同的语句序列进行执行。在C++程序中，“条件”是用一个表达式表示的，该表达式的结果是一个bool值或者某个整数值。在程序执行过程中，如果某个条件得到了满足，或者不满足，那么程序就会沿着相应的语句序列顺序执行下去。至于如何选择，则要借助于特殊的控制语句if⋯else或switch⋯case。
5.2.1 if语句
使用if语句的作用是：只有当满足一定条件时，才执行后续的语句或语句块。
执行一条语句的if语句如下：
if ( <条件表达式> )
<语句>;
执行语句块的if语句如下：
if ( <条件表达式> )
{
<语句1>;
<语句2>;
⋯⋯
}
If语句的执行流程如图5-2所示。
图5-2 if语句的执行流程
由图可见，只有当满足“条件”时（即条件表达式的结果为true时），才会执行语句或语句块2。不满足“条件”时（即条件表达式的结果为false时），执行If语句后面的语句3。在C++语言中，条件是用条件表达式表示的。所谓条件表达式指的是一个结果为bool值的表达式，例如：
a < b
a >= b
a != b
a == b
a > b && a < 0
由于其他数据类型和bool型数据间存在隐式数据类型转换的关系，所以当用其他表达式作为条件表达式时，虽然其结果不是bool型，但仍然可以使用。例如，对于表达式“a + b”，如果其结果值是0，则转换成条件表达式的结果就是false；如果其结果值是非0，则转换成条件表达式的结果就是true。
当心
在实际编程中，经常会出现的一个错误是将“a = b”当成“a == b”。前者是一个赋值表达式，其结果是b的值，而后者是一个判断a和b是否相等的条件表达式，其结果是一个bool值。由于存在隐式类型转换关系，所以在编译时并不会报告错误，只有等到运行时才可能出现意料之外的结果。
5.2.2 if⋯else语句
if语句的语义是“如果⋯⋯，则⋯⋯”，C++还提供了一个if⋯else语句，表示“如果⋯⋯，则⋯⋯；否则⋯⋯”语义。简单的if⋯else语句语法如下：
if ( <条件表达式> )
<语句1>;
else
<语句2>;
执行语句块的if⋯else语句语法如下：
if ( <条件表达式> )
{
<语句1>;
<语句2>;
⋯⋯
}
else
{
<语句3>;
<语句4>;
⋯⋯
}
其流程图如图5-3所示。
图5-3 if⋯else语句的执行流程
与If语句的执行流程比较，可以得出if语句同if⋯else语句的区别：if语句没有处理条件不满足的情况，而if⋯else语句有。
下面用if⋯else语句求两个整数中的较大值，程序如示例代码5.1所示。
示例代码5.1
#include <cstdlib>
#include <iostream>
using namespace std; // 使用名称空间std
int main(int argc, char *argv[]) // 主函数
{
int a = 0, b = 0; // 用于比较大小的两个整型变量
cout<<"请输入两个整数："<<endl; // 提示用户输入
cin>>a; // 输入第一个数
cin>>b; // 输入第二个数
cout<<"较大的整数是："<<endl; // 输出提示
if( a <= b ){ // 如果a小于等于b
cout<<b<<endl; // 输出较大值b
}
else{ // a不小于等于b，即a大于b
cout<<a<<endl; // 输出较大值a
}
system("PAUSE"); // 等待用户输入
return EXIT_SUCCESS; // 主函数返回
}
建立一个控制台工程，并将上述代码复制到源文件中，编译、链接并执行，其结果如图5-4所示。
图5-4 求两个整数中的较大值结果
在上面的程序中，利用一个if⋯else语句判断输入的第一个整数是否小于等于第二个整数。如果是，则输出第二个整数；如果不是，则输出第一个整数。
5.2.3 if⋯else语句的嵌套
if⋯else语句可以嵌套，即其中的语句块可以是另外一个if⋯else语句，例如下面的形式：
if ( <条件表达式1> )
if ( <条件表达式2> )
<语句1>;
else
<语句2>;
else
if ( <条件表达式3> )
<语句3>;
else
<语句4>;
其中的每个语句又可以是一个语句块。在嵌套的if⋯else语句中，相配的if和else不是靠缩进决定的，而是遵循一定的规则。这个规则是：else和最后出现、并且没有匹配的if相匹配。例如在上述例子中，相互匹配的if和else分别是：第4行的else和第2行的if，第6行的else和第1行的if，第9行的else和第7行的if。
即便是程序员知道这样的匹配规则，在阅读上述代码时仍然会感到困难，比较好的方法是尽量使用复合语句。例如，上述例子可以改写如下：
if ( <条件表达式1> )
{
if ( <条件表达式2> )
<语句1>;
else
<语句2>;
<语句3>
}
else
{
if ( <条件表达式3> )
<语句4>;
else
<语句5>;
<语句6>
}
如此一改，if和else的匹配关系非常明确，程序阅读起来也十分方便，其流程图如图5-5所示。
图5-5 if⋯else语句嵌套的流程图
if⋯else语句的嵌套还有一种比较常见的形式，即if⋯else级联：
if ( <条件表达式1> )
语句1;
else if ( <条件表达式2> )
语句2;
else if( <条件表达式3> )
语句3;
⋯⋯
else
语句n;
在执行上述语句时，程序依次计算每个条件表达式。一旦某个条件满足，则执行对应的语句或语句块，并且不再判断后面的条件。因此，每个条件表达式应当是互斥的。
下面利用if⋯else嵌套语句，评定学生成绩的档次。成绩的满分为100，分为5档：0～59为E，60～69为D，70～79为C，80～89为B，90～100为A。根据输入的成绩，输出学生成绩的档次。程序如示例代码5.2所示。
示例代码5.2
#include <cstdlib>
#include <iostream>
using namespace std; // 使用名称空间std
int main(int argc, char *argv[]) // 主函数
{
int degree = 0; // 保存成绩的变量
cout<<"请输入学生成绩："<<endl; // 提示用户输入
cin>>degree; // 用户输入成绩
if( degree < 0 || degree > 100 ){ // 判断输入是否合法
cout<<"成绩只能在0~100之间"<<endl; // 输出不合法信息
return EXIT_SUCCESS; // 主函数返回，程序结束
}
if( 0 <= degree && degree < 60 ){ // 如果成绩不及格
cout<<'E'<<endl; // E档
}
else if( 60 <= degree && degree < 70 ){ // 60~69
cout<<'D'<<endl; // D档
}
else if( 70 <= degree && degree < 80 ){ // 70~79
cout<<'D'<<endl; // C档
}
else if( 80 <= degree && degree < 90 ){ // 80~89
cout<<'D'<<endl; // B档
}
else if( 90 <= degree && degree <= 100 ){ // 90~100
cout<<'D'<<endl; // A档
}
system("PAUSE"); // 等待用户反应
return EXIT_SUCCESS; // 主函数返回
}
建立一个控制台工程，并将上述代码复制到源文件中，编译、链接并执行，其结果如图5-6所示。
图5-6 判断成绩档次结果
在上面的代码中，通过一系列的if⋯else判断，决定了成绩所属的档次。各个if中的条件是互斥的，所以可以保证一个成绩只能对应一个档次。
其实在上述例子中，每个条件表达式还可以改进。例如对于表达式：
0<=degree && degree<60
可以省略前面的表达式，而写成：
degree < 60
这是因为第一个if语句，已经处理了degree＜0以及100 ＜ degree的情况。此时degree的值只能在0和100之间，所以不必再去判断degree是否大于等于0，只要判断degree是否小于60即可。同样对于第一个else if条件表达式也可以写成degree ＜ 70，依此类推。
5.2.4 switch语句
if⋯else语句虽然可以根据表达式的结果，执行不同的语句，但是如果表达式存在多个可能的结果，则多个if⋯else语句未免显得过于烦琐。而且在编程过程中，很可能会由于疏忽而漏掉一个或多个if⋯else判断。为此C++提供了switch语句，用来在这种情况下替代if⋯else语句。其常见的使用方法如下：
switch ( expr )
{
case <常量1>:
<语句1>;
break;
case <常量2>:
<语句2>;
break;
⋯⋯
case <常量n>:
<语句n>;
break;
default:
<default语句>;
}
switch语句由以下4部分构成：
◆ switch表达式。
◆ 一组case标签。
◆ 与一个或一组case标签相关联的语句或语句块。
◆ default标签。
switch表达式由switch关键字和一个表达式组成（被括号包围），其语法如下：
switch ( expr )
表达式expr的结果值是一个整数或者枚举值，或者其他可以转换成整数或枚举值的值。
switch表达式后面是一组由一对花括号“{”和“}”包围的case标签。所谓case标签是由关键字case后接一个常量表达式及冒号构成的。这个常量表达式将被用来与switch表达式的结果做比较。例如：
case 'a':
case 123:
case eSaturday: // eSaturday是表示周六的枚举值
case iVal: // iVal是一个符号常量，即const常量
在一个或一组case标签后面有跟这个（组）标签相关联的语句或语句块。每个语句块后面都要跟一个break语句，表示语句块的结束。例如：
case eSaturday:
<语句1>;
<语句2>;
⋯⋯
break;
case eSunday:
<语句4>;
⋯⋯
如果switch表达式的值是eSaturday，则执行第2行至第5行的语句。当执行到第5行时，发现有break语句，则停止执行switch语句，转而执行switch语句后面的语句，即switch结束花括号“}”后面的语句。如果没有第5行的break语句，则继续执行“case Sunday:”后面的语句，直至遇到一个break语句。
有的时候，程序员可能就是需要多个case标签对应同一个语句或语句块，则连续的多个case标签可以只加一个break语句。例如：
switch ( day )
{
case eMonday:
case eTuesday:
case eWednesday:
case eThursday:
case eFriday:
<语句1>;
break;
case eSaturday:
case eSunday:
<语句2>;
break;
}
在上述的switch语句中，对于工作日（周一到周五），执行语句1；对于周末，则执行语句2。
提示
何时不加break语句，取决于程序员的设计。虽然这样做没什么不妥，但对于后来维护程序的人则未免有些麻烦。因为后来者并不知道没有加上的break语句是故意为之，还是编程者的疏忽。所以，为了方便程序的维护，最好在不加break语句的地方加上注释，说明为什么不加。
switch语句通常还会有一个default标签，放在所有case标签的后面。default标签后直接跟一个冒号，中间只允许存在空格或制表符，而不是表达式。default标签的冒号后面是跟default相关联的语句或语句块。如果switch表达式与任意一个case标签都不匹配，则default标签后面的语句将被执行。
假设一个switch语句带有三个常量标签和default标签，则其执行过程如图5-7所示。
说明
与嵌套的if⋯else语句不同，switch语句在计算完“条件表达式”之后，并不依次判断其结果值是否与某个常量相等，而是直接跳到对应的标签处开始执行。例如，如果条件表达式计算的结果是常量3，则程序会直接跳到语句3开始执行，并不会依次判断结果是不是常量1和常量2。
图5-7 switch语句的执行过程
前面的例子用多个嵌套的if⋯else语句来判断成绩的档次，其过程未免显得有些烦琐，下面用switch语句对其进行改进，如示例代码5.3所示。
示例代码5.3
#include <cstdlib>
#include <iostream>
using namespace std; // 使用名称空间std
int main(int argc, char *argv[]) // 主函数
{
int degree = 0; // 保存成绩的变量
cout<<"请输入学生成绩："<<endl; // 提示用户输入
cin>>degree; // 输入成绩
cout<<"成绩档次为："; // 提示输出信息
switch( degree / 10 ){ // 根据成绩被10除的商，判断成绩档次
case 0:
case 1:
case 2:
case 3:
case 4:
case 5:
cout<<'E'<<endl; // E档，60分以下不及格，全为E档
break;
case 6:
cout<<'D'<<endl; // D档
break;
case 7:
cout<<'C'<<endl; // C档
break;
case 8:
cout<<'B'<<endl; // B档
break;
case 9:
cout<<'A'<<endl; // A档
break;
default:
cout<<"成绩只能在0~100之间"<<endl; // 输出不合法信息
}
system("PAUSE"); // 等待用户反应
return EXIT_SUCCESS; // 主函数返回
}
建立一个控制台工程，并将上述代码复制到源文件中，编译、链接并执行，其结果如图5-8所示。
图5-8 用switch语句判断成绩档次结果
在上面的代码中，并没有直接根据成绩的范围求档次，而是根据成绩被10除的商来判断的。由于成绩是整数，所以对于每个档次，其所得商是固定的，如档次B，即成绩在80～89范围内，其中每个数除以10都得8。
5.3 循环
在本节中，将详细讲解程序控制中的循环结构。和前面类似，本节将详细讲解各种循环结构的功能和语法结构，并结合具体例子进行分析。
5.3.1 while语句
while语句用于控制一个语句或语句块循环执行。while语句包含一个条件判断，只有条件为真时，其对应的语句或语句块才会循环执行。执行一条语句的while语句语法如下：
while ( expr )
<语句>;
执行语句块的while语句语法如下：
while ( expr )
{
<语句1>;
<语句2>;
⋯⋯
}
在上述语法示例中，expr是一个表达式，也是while语句的循环条件。expr的结果应当是bool值，如果不是，则需要进行类型转换。
while（expr）之后的语句或语句块称为循环体。当程序执行到while（expr）时，先计算表达式expr的值，若其值为真，则执行循环体中的语句。循环体执行完一次后，再次判断expr的值，若为真，则再次执行循环体。如此反复，直到expr的值为false，然后执行while语句之后的语句。整个执行过程如图5-9所示。
图5-9 while语句的执行过程
前面计算成绩档次的程序有一个显著的缺点，那就是在程序的一次运行中，只能判断一个成绩的档次。如果要判断别的成绩的档次，需要重新运行程序，非常烦琐。显然，如果程序能够循环重复执行，就会非常方便。下面用while语句改进判断成绩档次的程序，如示例代码5.4所示。
示例代码5.4
#include <cstdlib>
#include <iostream>
using namespace std; // 使用名称空间std
int main(int argc, char *argv[]) // 主函数
{
int degree = 0; // 保存成绩的变量
cout<<"请输入学生成绩："<<endl; // 提示用户输入
cin>>degree; // 输入成绩
while( 0 <= degree && degree <=100 ) // 只要成绩合法，就可以判断档次
{
cout<<"成绩档次为："; // 提示输出信息
switch( degree / 10 ){
case 0:
case 1:
case 2:
case 3:
case 4:
case 5:
cout<<'E'<<endl; // E档，60分以下不及格，全为E档
break;
case 6:
cout<<'D'<<endl; // D档
break;
case 7:
cout<<'C'<<endl; // C档
break;
case 8:
cout<<'B'<<endl; // B档
break;
case 9:
cout<<'A'<<endl; // A档
break;
}
cin>>degree; // 输入另外一个成绩
}
system("PAUSE"); // 等待用户反应
return EXIT_SUCCESS; // 主函数返回
}
建立一个控制台工程，并将上述代码复制到源文件中，编译、链接并执行，其结果如图5-10所示。
图5-10 循环判断成绩档次结果
在示例代码中，首先使用一个while语句进行判断，只要输入的成绩合法，则后面的循环体就可以重复执行，然后判断成绩的档次。用户输入之后则重新判断表达式的值是否为true。
5.3.2 do⋯while语句
do⋯while语句的目的也是控制代码的循环执行，执行一条语句的do⋯while语句如下：
do
<语句>;
while ( expr );
执行一个语句块的do⋯while语句如下：
do
{
<循环体语句>;
} while ( expr );
当心
do⋯while语句最后的分号表示语句的结束，不可省略，否则会导致编译错误。
与while语句不同，do⋯while语句先执行一次循环体，再判断循环条件是否满足。其执行过程如图5-11所示。
图5-11 do⋯while语句的执行过程
例如下面的do⋯while循环语句：
do{
cout<<"Hello World."<<endl;
} while ( false );
虽然循环条件为false，但上述代码仍然输出“Hello World”。而对于while循环：
while (false ){
cout<<"Hello World"<<endl;
}
当循环条件为false时，循环体不能执行，所以也没有任何输出。
5.3.3 for语句
for语句也用来控制代码的循环执行。for语句更加灵活，功能也更加强大。执行一条语句的for语句语法结构如下：
for ( <初始化>; <条件表达式>; <动作> )
<语句>;
执行一个语句块的for语句语法结构如下：
for ( <初始化>; <条件表达式>; <动作> )
{
<语句1>;
<语句2>;
⋯⋯
}
for后面的括号中是三条独立的语句，分别是初始化、条件计算和动作。for循环的执行过程是：
step 1 执行初始化语句，完成循环的初始化。
step 2 计算条件表达式，并检测其结果值是否为真。
step 3 如果条件为真，则执行循环体。
step 4 执行动作语句。
每次执行完循环体之后，则重复执行第2步至第4步。例如：
for( int i=0; i<10; i++ )
{
cout<<i<<endl;
}
其执行过程是：
step 1 声明并初始化变量i。
step 2 计算表达式i＜10的值，其值是真，执行循环体，输出i的值。
step 3 执行动作i++。
step 4 重复执行第2步和第3步，不断输出i值，并增加i的值，直至i值为10，不满足条件，循环结束。
for语句的执行过程如图5-12所示。
图5-12 for语句的执行过程
for语句中的三条语句都可以是空白语句，但分号不可以省略。例如：
for ( ; <条件表达式>; <动作> )
for( ; ; <动作> )
for(<初始化>; ; )
for( ; ; )
以上都是合法的for语句。下面利用for循环，获取100以内2的幂，程序如示例代码5.5所示。
示例代码5.5
#include <cstdlib>
#include <iostream>
03
using namespace std; // 使用名称空间std
05
int main(int argc, char *argv[]) // 主函数
{
for( int power=1; power<=100; power*=2 )// 利用for循环求2的幂，限定100以内
{
cout<<power<<endl; // 输出2的幂
}
system("PAUSE"); // 等待用户反应
return EXIT_SUCCESS; // 主函数返回
}
建立一个控制台工程，并将上述代码复制到源文件中，编译、链接并执行，其结果如图5-13所示。
图5-13 利用for循环求100以内2的幂结果
在for循环语句中，初始化语句将变量power初始化为1，也是2的0次幂。条件表达式power＜=100，限定这个幂是100以内的值。而动作语句power＊=2则依次求2的幂，即后一个幂是前一个幂的2倍。
当心
在for循环的初始化语句中可以声明并初始化变量。根据C++标准规定，这个变量的作用域限于for语句，即从声明开始，直到最后一条循环体语句结束。但是，并不是所有的编译器都支持这一点。不管编译器是否支持，程序员在编程时都应当遵循标准，否则程序的可移植性就很难保证。
5.4 循环控制语句
在循环过程中，有时循环条件过于复杂，难以用一个表达式说明，需要借助特殊的手段控制循环过程。在C++程序中，这种特殊手段包括break语句和continue语句。
5.4.1 break语句
break语句的作用是终止整个循环，执行循环语句后面的语句。在循环中break语句通常与一个if语句配合使用。例如在下面的程序中使用break语句：
for ( int i=0; i<5; i++ ){ // for循环控制
if( i == 2 ){ // 如果i的值是2
break; // 结束循环
}
cout<< i << ' '; // 输出i的值和一个空格
}
输出结果为“0 1 ”。当i的值为2时运行break语句，结束循环，1后面的值不再输出，虽然for语句中的条件表达式表明可以一直输出到4。
当心
break语句只能用在switch语句和循环语句中，否则会引起编译错误。
5.4.2 continue语句
continue语句的作用是终止本次循环，开始下一次循环。上面break语句实例中如果将第3行的语句改为continue，则输出结果是“0 1 3 4 ”。
continue语句只能用在循环语句中。
5.5 流程跳转语句goto
使用goto语句的目的是实现无条件分支，而这个分支只能是函数内部的分支。运行goto语句将跳转到同一函数内部的某个位置，该位置由一个标号表明。goto语句的语法如下：
goto label;
这里的label是用户定义的标识符标号。label只能用做goto的目标，并且必须由冒号结束。label处必须有程序语句，如果什么都不执行，则应当加一个空语句。
end: ; // 空语句
} // goto的目标不能是一个语句块的结束花括号，所以应当加一个空语句
goto语句应当与一个if语句配合使用，否则goto语句与目标标号之间的语句将被无条件跳过。例如：
for( int i=0; i<10; i++ ){
if( i == 5 )
goto END;
cout<< i << endl;
}
END:
cout<<"Jump here"<<endl;
如果没有if语句，程序不会输出任何整数；加上这个if语句，程序就会输出0～4的整数。
当心
编程时尽量避免使用goto语句，否则会使程序难以理解和维护。
5.6 小结
本章详细讲解了C++中的程序控制语句。在实际开发过程中，用户需要经常使用各种控制语句，根据实际的需要来控制程序的走向。灵活地使用各种控制语句，可以给开发带来各种便利。希望读者能够在实际开发中，综合使用各种语句。