淺談C語言中循環結構的教學方法

淺談C語言中循環結構的教學方法

摘  要  循環結構是結構化程序設計中的三種基本結構之一，也是程序設計的基礎。但是，對于初學者來說，循環結構與人類日常的思維習慣不同，較難掌握。本文用幾個例子闡述了在《C語言程序設計》課程中循環結構的教學方法，這些方法在日常授課中取得了較好的效果。     關鍵詞  C語言；結構化程序設計；循環結構；效率 
1  引言     順序、分支、循環是結構化程序設計的三種基本結構，所以在高級語言程序設計課程中，掌握這三種結構是學好程序設計的基礎。而循環結構是這三者中最復雜的一種結構，幾乎所有的程序都離不開循環結構。在C語言中，循環結構主要是由for和while、do-while語句實現的，其中for語句的應用更為普遍一些。for語句的用法對于有程序設計經驗的學生來說輕而易舉，但是對于那些沒有經驗的初學者來說，難度卻不小。本文從初學者的角度，闡述了C語言中循環結構幾種典型應用的實現方法。2  用循環結構輸出幾何圖形     輸出簡單的幾何圖形(如圖1)，是循環結構的典型應用之一。對于這一類型的題目，初學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，不符合程序設計的思想。按照正常的程序設計思想，應該先分析圖形的構成，找出其中的規律：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成，將行號、空格數和星號數分別設為i、m和n，則可以形成下表：

 

表1  實心三角形的構成表

行號i 空格數m 星號數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m、星號數n如下的數學關系：m=5-i，n=2×i-1     則實心三角形的構成規律可以描述為：第i行由(5-i)個空格和(2×i-1)個星號和一個回車符構成。把行號i作為for語句的循環變量，輸出圖形程序的主要部分見程序段1。采用上面的方法，可以使學生很容易編寫出類似的程序，其中的關鍵在于讓學生找出圖形中行號與每一行的空格數以及星號數的關系(對于圖1(b)、(c)需要把圖形分成幾個部分，再分析其中的構成規律)，這需要學生數學方面的知識，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  數組中循環結構的應用

     在C語言中，for語句經常與數組相結合，用于實現數組元素的賦值、輸入與輸出。對于初學者來說，更習慣于用順序結構的語句來實現(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，不同的只有數組下標，那么就可以將這5條語句合并成一條for語句，將數組下標換成for語句的循環變量i，而i的值從0增加到 4。按照for語句的基本語法規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組元素的例子，也可以用上述辦法實現，不過轉換過程比上例要復雜一些：經過對比圖3左側方框中順序結構的12條語句，可以發現也是只有數組下標在變化，但是由于是二維數組，行下標和列下標同時都在變化，很顯然不能直接用一條簡單的for語句來實現(不是絕對不可以實現，后面將會看到)。但是我們可以把這12條語句細分一下，3條語句為一組，而在同一組中的語句只有列下標在變化，這時可以采用上例中的方法，將列下標都用循環變量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，同樣用新的循環變量i來代替，合并后得到圖3右下最終二重for循環的語句。

   

     在上例中，常規的思路都采用二重for循環與二維數組相結合來實現對數組元素的訪問，實際上也可以使用一重for循環來實現：無論如何變化，我們可以先確定的是，輸出語句printf肯定要執行12次，如果用一重for循環，那么循環變量i的值就要從0遞增到11。再分析數組行下標m和列下標n與循環變量i之間的關系，很顯然：i=m*3+n，按照整數除法的思想，行下標m恰好是循環變量i整除3后的商，而列下標n恰好是循環變量i整除3后的余數，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  循環結構中的效率問題     對于程序設計的初學者來說，往往以完成題目要求的功能為目的，程序的執行效率是最容易忽略的一個問題。在循環結構中，具體表現為循環體的執行次數。例如，一個經典的素數判定問題。在數學中素數如下定義：素數即指那些大于1，且除了1和它本身外，不能被其它任何數整除的數。根據這一定義，初學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 判斷素數的程序段       上面的程序，完全可以實現題目要求的功能，初學者往往滿足于此。但是當對for循環的執行次數進行分析時，我們發現：當n不是素數時，沒有任何問題；而當 n是素數時，循環體就要執行(n-2)次，而實際上是不需要這么多次的。根據數學的知識，可以將次數降為n/2或n的算術平方根，這樣可以大大減少循環體的執行次數，提高程序的效率。

程序的執行效率是編程中時刻需要考慮的問題，也是程序設計中的基本要求。這需要許多算法方面的知識，對于初學者來說，要求可能過高，但是我們在講授過程中要注意向學生灌輸這種思想，從學習之初就要打下良好的基礎，尤其是類似上面例子中這樣顯而易見的情況，可以提醒學生在編制完一道程序以后，檢驗一下，是否還有可優化的地方，這對以后進一步高級編程的學習都是必要的。5  結束語     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，但是從初學者的角度來看，卻是必要的。如何讓一名初學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計中的基本思想，領會程序設計的精髓，是高級語言程序設計這門課程在講授過程中，應該時刻注意的問題。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 語言程序設計(第二版)[M]. 北京：清華大學出版社，1999[2] 蘇運霖譯. 計算機程序設計藝術第1 卷 基本算法［M］. 北京：國防工業出版社，2002

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