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淺談C語言中循環(huán)結(jié)構(gòu)的教學(xué)方法
摘 要 循環(huán)結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計中的三種基本結(jié)構(gòu)之一，也是程序設(shè)計的基礎(chǔ)。但是，對于初學(xué)者來說，循環(huán)結(jié)構(gòu)與人類日常的思維習(xí)慣不同，較難掌握。本文用幾個例子闡述了在《C語言程序設(shè)計》課程中循環(huán)結(jié)構(gòu)的教學(xué)方法，這些方法在日常授課中取得了較好的效果。 關(guān)鍵詞 C語言；結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計；循環(huán)結(jié)構(gòu)；效率1 引言 順序、分支、循環(huán)是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的三種基本結(jié)構(gòu)，所以在高級語言程序設(shè)計課程中，掌握這三種結(jié)構(gòu)是學(xué)好程序設(shè)計的基礎(chǔ)。而循環(huán)結(jié)構(gòu)是這三者中最復(fù)雜的一種結(jié)構(gòu)，幾乎所有的程序都離不開循環(huán)結(jié)構(gòu)。在C語言中，循環(huán)結(jié)構(gòu)主要是由for和while、do-while語句實現(xiàn)的，其中for語句的應(yīng)用更為普遍一些。for語句的用法對于有程序設(shè)計經(jīng)驗的學(xué)生來說輕而易舉，但是對于那些沒有經(jīng)驗的初學(xué)者來說，難度卻不小。本文從初學(xué)者的角度，闡述了C語言中循環(huán)結(jié)構(gòu)幾種典型應(yīng)用的實現(xiàn)方法。2 用循環(huán)結(jié)構(gòu)輸出幾何圖形 輸出簡單的幾何圖形(如圖1)，是循環(huán)結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用之一。對于這一類型的題目，初學(xué)者往往直接采用一條或若干條輸出語句printf完成，這樣雖然可以完成題目要求，但是很顯然缺乏靈活性，不符合程序設(shè)計的思想。按照正常的程序設(shè)計思想，應(yīng)該先分析圖形的構(gòu)成，找出其中的規(guī)律：如圖1(a)中的實心三角形，每一行由若干個空格、星號和一個回車換行符構(gòu)成，將行號、空格數(shù)和星號數(shù)分別設(shè)為i、m和n，則可以形成下表：
表1 實心三角形的構(gòu)成表
行號i 空格數(shù)m 星號數(shù)n 1 4 1 2 3 3 3 2 5 4 1 7 5 0 9 分析表1，可以得出行號i與空格數(shù)m、星號數(shù)n如下的數(shù)學(xué)關(guān)系：m=5-i，n=2×i-1 則實心三角形的構(gòu)成規(guī)律可以描述為：第i行由(5-i)個空格和(2×i-1)個星號和一個回車符構(gòu)成。把行號i作為for語句的循環(huán)變量，輸出圖形程序的主要部分見程序段1。采用上面的方法，可以使學(xué)生很容易編寫出類似的程序，其中的關(guān)鍵在于讓學(xué)生找出圖形中行號與每一行的空格數(shù)以及星號數(shù)的關(guān)系(對于圖1(b)、(c)需要把圖形分成幾個部分，再分析其中的構(gòu)成規(guī)律)，這需要學(xué)生數(shù)學(xué)方面的知識，非編程本身的范疇了。for（i=1；i<=5；i++） { /*輸出（5-i）個空格；*/ for(m=1;m<=5-i;m++) printf(“ ”); /*輸出（2*i-1）個星號；*/ for(n=1;n<=2*i-1;n++) printf(“*”); /*輸出回車符；*/ printf(“\n”); } 程序段1 實心三角形的主要程序
3 數(shù)組中循環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
在C語言中，for語句經(jīng)常與數(shù)組相結(jié)合，用于實現(xiàn)數(shù)組元素的賦值、輸入與輸出。對于初學(xué)者來說，更習(xí)慣于用順序結(jié)構(gòu)的語句來實現(xiàn)(如圖2左)。我們將圖2左的幾條語句作比較，可以看出在這5條語句中，不同的只有數(shù)組下標(biāo)，那么就可以將這5條語句合并成一條for語句，將數(shù)組下標(biāo)換成for語句的循環(huán)變量i，而i的值從0增加到 4。按照for語句的基本語法規(guī)則可以很容易的寫出圖2右的for語句。
同樣，對于下面這個輸出二維數(shù)組元素的例子，也可以用上述辦法實現(xiàn)，不過轉(zhuǎn)換過程比上例要復(fù)雜一些：經(jīng)過對比圖3左側(cè)方框中順序結(jié)構(gòu)的12條語句，可以發(fā)現(xiàn)也是只有數(shù)組下標(biāo)在變化，但是由于是二維數(shù)組，行下標(biāo)和列下標(biāo)同時都在變化，很顯然不能直接用一條簡單的for語句來實現(xiàn)(不是絕對不可以實現(xiàn)，后面將會看到)。但是我們可以把這12條語句細(xì)分一下，3條語句為一組，而在同一組中的語句只有列下標(biāo)在變化，這時可以采用上例中的方法，將列下標(biāo)都用循環(huán)變量j來代替，得到圖3右上的形式。再次對比圖3右上的4條for語句，不同的是行下標(biāo)，同樣用新的循環(huán)變量i來代替，合并后得到圖3右下最終二重for循環(huán)的語句。
在上例中，常規(guī)的思路都采用二重for循環(huán)與二維數(shù)組相結(jié)合來實現(xiàn)對數(shù)組元素的訪問，實際上也可以使用一重for循環(huán)來實現(xiàn)：無論如何變化，我們可以先確定的是，輸出語句printf肯定要執(zhí)行12次，如果用一重for循環(huán)，那么循環(huán)變量i的值就要從0遞增到11。再分析數(shù)組行下標(biāo)m和列下標(biāo)n與循環(huán)變量i之間的關(guān)系，很顯然：i=m*3+n，按照整數(shù)除法的思想，行下標(biāo)m恰好是循環(huán)變量i整除3后的商，而列下標(biāo)n恰好是循環(huán)變量i整除3后的余數(shù)，即：
m=i/3，n=i%3從而可以寫出下面的for語句：for(i=0；i<12；i++)printf(“%d”，a[i/3][i%3])；4 循環(huán)結(jié)構(gòu)中的效率問題 對于程序設(shè)計的初學(xué)者來說，往往以完成題目要求的功能為目的，程序的執(zhí)行效率是最容易忽略的一個問題。在循環(huán)結(jié)構(gòu)中，具體表現(xiàn)為循環(huán)體的執(zhí)行次數(shù)。例如，一個經(jīng)典的素數(shù)判定問題。在數(shù)學(xué)中素數(shù)如下定義：素數(shù)即指那些大于1，且除了1和它本身外，不能被其它任何數(shù)整除的數(shù)。根據(jù)這一定義，初學(xué)者很容易編寫出如下程序段2的程序：int isprime(int n) { int i; for(i=2;i<n;i++) if(n%i==0) return 0; return 1; } 程序段2 判斷素數(shù)的程序段 上面的程序，完全可以實現(xiàn)題目要求的功能，初學(xué)者往往滿足于此。但是當(dāng)對for循環(huán)的執(zhí)行次數(shù)進行分析時，我們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)n不是素數(shù)時，沒有任何問題；而當(dāng) n是素數(shù)時，循環(huán)體就要執(zhí)行(n-2)次，而實際上是不需要這么多次的。根據(jù)數(shù)學(xué)的知識，可以將次數(shù)降為n/2或n的算術(shù)平方根，這樣可以大大減少循環(huán)體的執(zhí)行次數(shù)，提高程序的效率。
程序的執(zhí)行效率是編程中時刻需要考慮的問題，也是程序設(shè)計中的基本要求。這需要許多算法方面的知識，對于初學(xué)者來說，要求可能過高，但是我們在講授過程中要注意向?qū)W生灌輸這種思想，從學(xué)習(xí)之初就要打下良好的基礎(chǔ)，尤其是類似上面例子中這樣顯而易見的情況，可以提醒學(xué)生在編制完一道程序以后，檢驗一下，是否還有可優(yōu)化的地方，這對以后進一步高級編程的學(xué)習(xí)都是必要的。5 結(jié)束語 以上這些，都是本人在授課過程中的一些體會，可能比較膚淺，但是從初學(xué)者的角度來看，卻是必要的。如何讓一名初學(xué)者盡快擺脫日常的思維定式，更加透徹地理解和掌握程序設(shè)計中的基本思想，領(lǐng)會程序設(shè)計的精髓，是高級語言程序設(shè)計這門課程在講授過程中，應(yīng)該時刻注意的問題。希望本文能在這方面起到一點作用，同時望廣大同仁多多指教。參考文獻[1] 譚浩強. C 語言程序設(shè)計(第二版)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1999[2] 蘇運霖譯. 計算機程序設(shè)計藝術(shù)第1 卷 基本算法［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，2002【淺談C語言中循環(huán)結(jié)構(gòu)的教學(xué)方法】相關(guān)文章：
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