第03讲：控制结构（1）

《计算机程序设计》

苏醒

计算机学院计算机研究所编译系统研究室

课前准备

在WSL Ubuntu中建立一个专门的目录用于课上练习，如~/course

$ mkdir ~/course

打开VSCode并连接到WSL，打开此目录并新建文件，如~/course/main.cpp
编辑main.cpp，随堂编程练习的代码请直接在此文件中编辑

main.cpp

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;

int main() {
  // ============= begin =============

  // =============  end  =============
  return 0;
}

温故

测一测

C++中没有逻辑异或运算符，请问下列程序是否可以通过编译？如果可以，输出是什么？

可以，输出1
可以，输出true
不可以

bool a = true, b = false;
cout << (a ^ b) << '\n';

分制转换问题

编程求解

输入一个百分制成绩，输出对应的分等级的五分制成绩，例如：输入88，输出“B”

$ ./score-conversion
输入百分制成绩：92
五分制成绩：A
$ ./score-conversion
输入百分制成绩：88
五分制成绩：B
$ ./score-conversion
输入百分制成绩：75
五分制成绩：C
$ ./score-conversion
输入百分制成绩：65
五分制成绩：D
$ ./score-conversion
输入百分制成绩：36
五分制成绩：E

学习目标

学习内容
- 语句与控制结构
- 顺序结构
- 选择结构

学习目标

掌握C++程序的语句构造规则
理解程序结构定理以及三种基本控制结构
应用合适的选择结构实现实际问题中的条件判断

运用本次课所学内容，采用不同的选择结构实现分制转换问题！

语句与控制结构

语句

C/C++语言中，语句是构成程序的基本单元，分为
- 声明语句用于声明变量、常量、类型、函数等
- 执行性语句用于执行操作
  - 表达式语句用于实现计算，包括赋值、运算、函数调用等
  - 控制语句用于实现程序流程控制

分号

C++使用分号;作为语句结束符
- 以花括号{}括起的复合语句块不需要分号

helloworld.cpp

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  cout << "Hello world!\n"
  return 0;
}

$ g++ helloworld.cpp 
helloworld.cpp: In function ‘int main()’:
helloworld.cpp:5:27: error: expected ‘;’ before ‘return’
    5 |   cout << "Hello world!\n"
      |                           ^
      |                           ;
    6 |   return 0;
      |   ~~~~~~

温馨提示

编译器错误信息是解决编译错误最重要的线索

声明语句

声明语句用于声明变量、常量、类型、函数等

声明语句

// 变量声明
int a;
double b = 3.14;
// 常量声明
const double PI = 3.141592653;
// 函数声明
int max(int a, int b);
// 类型声明
struct Point { int x, y; };

表达式语句

表达式语句是最常见的执行性语句，由表达式和分号组成，用于执行计算操作
- 如赋值语句、函数调用、递增递减等
- 表达式语句的值通常被忽略，其目的是为了执行表达式的副作用

a = 1;
b = a + 1;
cout << "Hello world!\n";
d = sin(f);
++i;

空语句；是一种特殊的表达式语句，不执行任何操作
- 可用于占位

while (cin >> a)
  ;

控制语句

控制语句用于实现程序控制结构，C++支持四类控制语句
- 复合语句（顺序结构）：程序按照语句出现的顺序执行
- 选择语句（选择结构）：根据条件选择执行不同的语句
- 循环语句（循环结构）：根据条件重复执行语句
- 跳转语句：跳转到程序指定位置执行

结构化控制

程序结构定理（Böhm-Jacopini定理）

任何程序都可以由顺序结构、选择结构、循环结构组合而成

— Corrado Böhm and Giuseppe Jacopini, 1966

跳转语句

跳转语句用于无条件的控制流转移
- goto语句：无条件跳转到指定标签位置
- break语句：跳出当前循环/选择结构
- continue语句：跳过当前循环的剩余部分
- return语句：返回函数调用点

`goto`语句

goto语句用于无条件跳转到指定标签位置

if (a > 0)
  goto positive;
goto end;
positive: // label
  cout << "Positive\n";
end:      // label
  return 0;

goto语句，灵活、强大，但抽象层次较低，会导致程序的可读性和可维护性降低

名人名言

Goto Statement Considered Harmful!

— Edsger W. Dijkstra, 1968

计算机科学史讲堂

Edsger W. Dijkstra，荷兰计算机科学家，1972年图灵奖、1980年IEEE计算机先驱奖获得者，他对整个计算机科学学科的贡献广泛而深远，被认为是计算机科学领域的奠基人之一。

算法设计（最短路径算法）
编程语言（Algol语言极其编译器）
操作系统（分页虚拟内存）
并行算法（互斥、死锁、同步）
程序设计方法（结构化程序设计）等

语句与控制结构练习

考考你

汇编程序中的程序流程控制是结构化控制还是非结构化控制？

测一测

下列语句，哪些是合法的C++表达式语句？

const int a = 1;
a = a + 1;
cout << "Hello world!\n"
d = sin(f);

顺序结构

顺序结构是程序中最基本的控制结构，是其他控制结构的基础
- 语句的执行顺序与其出现的顺序一致
- 单入口、单出口

顺序结构案例

火炮射击：确认目标位置→确认环境参数→数据输入→计算诸元→装填弹药→瞄准校准→射击→毁伤评估
课堂报告：起立→稍息→立正→报告→坐下

C++中使用复合语句实现顺序结构

复合语句

复合语句由花括号{}括起来的多条语句组成，也称语句块
- 复合语句可以嵌套
- 结束的}后不需要分号

复合语句

{
  int a = 1;
  int b = 2;
  {
    int c = a + b;
    cout << c << '\n';
  }
  cout << a + b << '\n';
}

考考你

若上述程序中第7行末尾加上分号，是否会发生编译错误？试一试！

缩进风格

书写复合语句的应采用良好的缩进风格
- 左右花括号独占一行且对齐
- 语句块内部缩进（建议2或4个空格）

良好缩进风格

{
  int a = 1;
  int b = 2;
  {
    int c = a + b;
    cout << c << '\n';
  }
  cout << a + b << '\n';
}

反面教材

{
  int a = 1;
  int b = 2;
  {
      int c = a + b;
      cout << c << '\n';}

  cout << a + b << '\n';
}

变量的作用域

作用域：变量能被使用（可见）的代码区域
复合语句中定义的变量只能在复合语句内部使用
- 复合语句外定义的变量可以在复合语句内部使用
- 嵌套复合语句中定义的变量会隐藏外部同名变量

---
config:
  look: handDrawn
  themeVariables:
    fontSize: 28px
---

mindmap
Root(变量)
  变量名：标识符
  类型：数据类型
  值：存储的数据
  地址：内存中的位置
  作用域：变量的可见范围
  生存周期：变量的有效时间

变量的六个属性

变量作用域

{
  int a = 3, b = 2;     // a, b的作用域：2-12行
  {
    int c = 0, d = 0;   // c, d的作用域：4-8行
    int a = 0;          // a的作用域：5-8行，内层的a隐藏外层的a，
    a += b;             // 外层定义的变量可在内层使用
    cout << a << '\n';  // 2
  }
  cout << a << '\n';    // 3
  cout << c << '\n';    // 编译错误，已超出变量c的作用域
  return 0;
}

顺序结构练习

测一测

下面的代码片段，存在问题的是？

{                                   
  double x, y, z;
  cin >> x >> y;
  {                               
    z = x + y;
    cout << z;
  }

}

{                                   
  double x, y;
  cin >> x >> y;
  {                               
    double z;
    z = x + y;
    cout << z;
  }
}

{                                   
  double x, y;
  cin >> x >> y;
  {                               
    double z;
    z = x + y;
  }
  cout << z;
}

{                                   
  double x, y, z;
  cin >> x >> y;
  {                               
    double z;
    z = x + y;
  }
  cout << z;
}

顺序结构练习

编程求解

书写一个复合语句，实现变量定义、输入提示、读入百分制成绩、输出用户输入的百分制成绩

输入一个百分制成绩，输出对应的分等级的五分制成绩，例如：输入88，输出“B”

scoreconversion.cpp

{
  // =========== begin ===========

  // ===========  end  ===========
}

运行结果示例：

$ ./score-conversion
输入百分制成绩：92
百分制成绩：92

选择结构

选择结构是根据条件选择执行不同的语句，C++提供两种选择结构
- if语句：根据布尔表达式条件执行语句
- switch语句：根据整型（或兼容整型）表达式的值选择执行语句

if语句

if语句的三种形式

if-then型

if (a > 0)
  cout << "Positive\n";

if-then-else型

if (a > 0)
  cout << "Positive\n";
else
  cout << "Non-positive\n";

if-then-else-if型

if (a > 0)
  cout << "Positive\n";
else if (a < 0)
  cout << "Negative\n";
else
  cout << "Zero\n";

if语句语法要点

if后的条件表达式必须使用圆括号括起来
条件表达式必须是布尔类型，或能隐式转换为布尔类型
if与else后的语句块必须是单条语句

考考你

C++if语句的三种形式和Python中对应语法结构的区别？
哪些基础类型可以隐式转换为布尔类型？
如果想使用条件控制多条语句，应该如何做？

语句块与缩进

测一测

下列两个程序输出结果有何不同？

int a = 3;
if (a <= 2) {
  a++;
  a++;
}
cout << a << endl;

int a = 3;
if (a <= 2)
  a++;
  a++;

cout << a << endl;

明察秋毫

Python依靠缩进界定代码块的边界，而C++中缩进、换行等编程风格的目的是提升程序可读性，对程序语义无影响

大千世界

国际混淆C代码竞赛2020年获奖作品“Most misleading indentation”

if与else的匹配规则

测一测

下列两个程序分别输出什么结果？

int x = 10, y = 10;
if (x > 5)
  if (y > 15)
    cout << "yes" << endl;
else
  cout << "no" << endl;

int x = 10, y = 10;
if (x > 5) {
  if (y > 15)
    cout << "yes" << endl;
} else {
  cout << "no" << endl;
}

明察秋毫

C++中else总是与最近的没有匹配else的if匹配，称为最近匹配规则
上例是C/C++程序设计中著名的The hanging else problem（刚从Python过来的同志们请小心！）

教员箴言

安全且优美：即使只有一个语句，也使用花括号！

级联与嵌套

级联if语句可以使用嵌套if语句替代

级联

if (condition1) {
  statement1;
} else if (condition2) {
  statement2;
} else {
  statement3;
}

嵌套

if (condition1) {
  statement1;
} else {
  if (condition2) {
    statement2;
  } else {
    statement3;
  }
}

温馨提示

两者的选择取决于代码的可读性和逻辑结构，在逻辑清晰的情况下，级联if语句更易读

if语句练习

考考你

阅读下列程序，解释其功能

if-then

double a;
cin >> a;
if (a < 0) {
  a = -a;
}

if-then-else

double a, result;
cin >> a;
if (a > 0) {
  result = a * a / 2;
} else {
  result = a * a * a * 2;
}

if-then-else-if

char c;
cin >> c;
if (c >= 'a' && c <= 'z') {
  c = c - 'a' + 'A';
} else if (c >= 'A' && c <= 'Z') {
  c = c - 'A' + 'a';
} else if (c >= '0' && c <= '9') {
  c = (c - '0' + 9) % 10 + '0';
}

if语句练习

考考你

请使用if语句完成分制转换问题

输入一个百分制成绩，输出对应的分等级的五分制成绩，例如：输入88，输出“B”

scoreconversion.cpp

int score = 0;
cin >> score;
// =========== begin ===========

// ===========  end  ===========

switch语句

switch结构适用于根据整数的值进行多分支选择的情况
- switch后的v必须是整型或兼容整型的类型
- case后的c1/c2必须是整型常量表达式
- default为默认分支，即v不匹配任何case时的分支
- 与v匹配的case及其下方所有case的语句都会被执行，称为穿透

switch语句

int v = 2;
switch (v) {
  case 1:
    cout << "One\n";
  case 2:
    cout << "Two\n";
  case 3:
    cout << "Three\n";
  default:
    cout << "Default\n";
}

打破穿透！

如果只希望执行匹配的case，可使用break语句跳出整个switch结构

break

int v = 2;
switch (v) {
  case 1:
    cout << "One\n";
    break;
  case 2:
    cout << "Two\n";
    break;
  case 3:
    cout << "Three\n";
    break;
  default:
    cout << "Default\n";
}

避坑

使用break打破穿透的用法才是switch语句的惯用法——不要忘记break！

`default`分支

default分支可以出现在switch结构的任意位置，但通常放在最后
若default分支缺失，v不匹配任何case时，switch结构不执行任何语句

无default分支的switch语句

int v = 4;
switch (v) {
  case 1:
    cout << "One\n";
    break;
  case 2:
    cout << "Two\n";
    break;
  case 3:
    cout << "Three\n";
    break;
}

`switch`与级联`if`

带break的switch结构可表示为级联if结构
- 当需要匹配的值较多时，switch结构更加清晰

switch

switch (v) {
  case 1:
    cout << "One\n";
    break;
  case 2:
    cout << "Two\n";
    break;
  case 3:
    cout << "Three\n";
    break;
  default:
    cout << "Default\n";
}

级联if

if (v == 1) {
  cout << "One\n";
} else if (v == 2) {
  cout << "Two\n";
} else if (v == 3) {
  cout << "Three\n";
} else {
  cout << "Default\n";
}

`switch`语句的限制

switch的条件表达式与case标签必须是整型或兼容整型的类型
- 如整型、字符类型、枚举类型

考考你

根据浮点数的值选择执行不同的语句，能否通过switch语句实现？

floatswitch.cpp

double x = 3.14;
switch (x) {
  case 9.8:
    cout << "G\n";
    break;
  case 3.14:
    cout << "PI\n";
    break;
  default:
    cout << "Default\n";
}

$ g++ floatswitch.cpp
floatswitch.cpp: In function ‘int main()’:
floatswitch.cpp:6:11: error: switch quantity not an integer
    6 |   switch (x) {
      |           ^

`switch`语句练习

考考你

能否使用switch语句完成分制转换问题？

输入一个百分制成绩，输出对应的分等级的五分制成绩，例如：输入88，输出“B”

scoreconversion.cpp

int score = 0;
cin >> score;
// =========== begin ===========

// ===========  end  ===========

总结

本节内容

---
config:
  look: handDrawn
  themeVariables:
    fontSize: 20px
---
mindmap
  控制结构（1）
    顺序结构
      变量作用域
    语句
      声明语句
      执行性语句
        表达式语句
        控制语句
          复合语句
          选择语句
          循环语句
          跳转语句
    选择结构
      if语句
        if-then型
        if-then-else型
        if-then-else-if型
      switch语句
        穿透与break
        与级联if的比较

学习目标

掌握C++程序的语句构造规则
理解程序结构定理以及三种基本控制结构
应用合适的选择结构实现实际问题中的条件判断

课后作业

实训（截止时间2025.03.10）
- 综合练习—C&C++选择结构
预习
- 教材4.4–4.5：循环结构

计算机程序设计

第03讲：控制结构（1）

课前准备

温故

分制转换问题

学习目标

语句与控制结构

语句

分号

声明语句

表达式语句

控制语句

结构化控制

跳转语句

goto语句

计算机科学史讲堂

语句与控制结构练习

顺序结构

顺序结构

复合语句

缩进风格

变量的作用域

顺序结构练习

顺序结构练习

选择结构

选择结构

if语句

语句块与缩进

if与else的匹配规则

级联与嵌套

if语句练习

if语句练习

switch语句

打破穿透！

default分支

switch与级联if

switch语句的限制

switch语句练习

总结

本节内容

课后作业

`goto`语句

`default`分支

`switch`与级联`if`

`switch`语句的限制

`switch`语句练习