第4章 分支语句

4.1 if语句

目前我们写的简单函数中可以有多条语句，但这些语句总是从前到后顺序执行的。除了顺序执行之外，有时候我们需要检查一个条件，然后根据检查的结果执行不同的后续代码，在C语言中可以用分支语句实现，比如：

        if (x != 0) {
            printf("x is nonzero.\n");
        }

其中x != 0表示“x不等于0”的条件，这个表达式称为控制表达式（Controlling Expression）。如果条件成立，则{}中的语句被执行，否则{}中的语句不执行，直接跳到}后面。if和控制表达式改变了程序的控制流程（Control Flow），不再是从前到后顺序执行，而是根据不同的条件执行不同的语句，这种控制流程称为分支（Branch）。上例中的!=号表示“不等于”，这一类运算符如表4.1所示。

表4.1 关系运算符和相等性运算符

注意：

1.这里的==表示数学中的相等关系，相当于数学中的“=”，初学者常犯的错误是在控制表达式中把==写成=，在C语言中“=”是赋值运算符，两者的含义完全不同。

2.如果表达式所表示的比较关系成立则值为真（True），否则为假（False），在C语言中分别用int型的1和0表示。如果变量x的值是-1，那么x>0这个表达式的值为0，x>-2这个表达式的值为1。

3.在数学中a<b<c表示b既大于a又小于c，但作为C语言表达式却不是这样。以上几种运算符都是左结合的，请读者想一下这个表达式应如何求值。

4.这些运算符的两个操作数应该是相同类型的，两边都是整型或者都是浮点型可以做比较，但两个字符串不能做比较，在第24.1.5节我们会介绍比较字符串的方法。

5.==和!=称为相等性运算符（Equality Operator），其余四个称为关系运算符（Relational Operator），相等性运算符的优先级低于关系运算符。

总结一下，if (x != 0) { ... }这个语句的计算顺序是：首先求x != 0这个表达式的值，如果值为0，就跳过{}中的语句直接执行后面的语句；如果值为1，就先执行{}中的语句，然后再执行后面的语句。事实上控制表达式取任何非0值都表示真值，例如if (x) { ... }和if (x != 0) { ... }是等价的，如果x的值是2，则x != 0的值是1，但对于if来说不管是2还是1都表示真值。

和if语句相关的语法规则如下：

        语句 → if (控制表达式) 语句
        语句 → {语句列表}
        语句 → ;

在C语言中，任何允许出现语句的地方既可以是由分号结尾的一条语句，也可以是由{}括起来的若干条语句或声明组成的语句块（Statement Block），语句块和第3章介绍的函数体的语法相同。注意语句块的}后面不需要加分号，否则这个分号本身又是一条新的语句了。在C语言中，一个单独的分号表示一条空语句（Null Statement）。上例的语句块中只有一条语句，其实没必要写成语句块，可以简单地写成如下形式：

        if (x != 0)
            printf("x is nonzero.\n");

语句块中也可以定义局部变量，例如：

        void foo(void)
        {
            int i = 0;
            {
                int i = 1;
                int j=2;
                printf("i=%d, j=%d\n", i, j);
            }
            printf("i=%d\n", i); /＊ cannot access j here ＊/
        }

和函数的局部变量同样道理，每次进入语句块时为变量j分配存储空间，每次退出语句块时释放变量j的存储空间。语句块也构成一个作用域，和例3.6的分析类似，如果整个源文件是一张大纸，foo函数是盖在上面的一张小纸，则函数中的语句块是盖在小纸上面的一张更小的纸。语句块中的变量i和函数的局部变量i是两个不同的变量，因此两次打印的i值是不同的；语句块中的变量j在退出语句块之后就没有了，因此最后一行的printf语句不能打印变量j，否则编译器会报错。语句块可以用在任何允许出现语句的地方，不一定非得用在if语句中，单独使用语句块通常是为了定义一些比函数的局部变量更“局部”的变量。

习题

1.以下程序段编译能通过，执行也不出错，但是执行结果不正确（根据第1.3节中的定义，这是一个语义错误），请分析一下哪里错了。还有，既然错了为什么编译能通过呢？

        int x = -1;
        if (x > 0);
            printf("is positive\n");

4.2 if/else语句

if语句还可以带一个else子句（Clause），例如：

        if (x % 2 == 0)
            printf("x is even.\n");
        else
            printf("x is odd.\n");

这里的%是取模（Modulo）运算符，x%2表示x除以2所得的余数（Remainder）， C语言规定%运算符的两个操作数必须是整型的。两个正数相除取余数很好理解，如果操作数中有负数，结果应该是正还是负呢？C99规定，如果a和b是整型， b不等于0，则表达式(a/b)＊b+a%b的值总是等于a，再结合第2.5节讲过的整数除法运算要“Truncate toward Zero”，可以得到一个结论：%运算符的结果总是与被除数同号（想一想为什么）。其他编程语言对取模运算的规定各不相同，也有规定结果和除数同号的，也有不做明确规定的。

取模运算在程序中是非常有用的，例如上面的例子判断x的奇偶性（Parity），看x除以2的余数是不是0，如果是0则打印“x is even.”，如果不是0则打印“x is odd.”，读者应该能看出else在这里的作用了，如果在上面的例子中去掉else，则不管x是奇是偶，printf("x is odd.\n");语句总是执行。为了让这条语句更有用，可以把它封装成一个函数：

        void print_parity(int x)
        {
            if (x % 2 == 0)
                printf("x is even.\n");
            else
                printf("x is odd.\n");
        }

把语句封装成函数的基本步骤是：把语句放到函数体中，把变量改成函数的参数。这样，以后要检查一个数的奇偶性只需调用这个函数即可，而不必重复写这条语句了，例如：

        print_parity(17);
        print_parity(18);

if/else语句的语法规则如下：

        语句 → if (控制表达式) 语句 else 语句

右边的“语句”既可以是一条语句，也可以是由{}括起来的语句块。一条if语句中包含一条子语句，一条if/else语句中包含两条子语句，子语句可以是任何语句或语句块，当然也可以是另外一条if或if/else语句。根据组合规则，if或if/else可以嵌套使用，如下所示：

        if (x > 0)
            printf("x is positive.\n");
        else if (x < 0)
            printf("x is negative.\n");
        else
            printf("x is zero.\n");

也可以这样：

        if (x > 0) {
            printf("x is positive.\n");
        } else {
            if (x < 0)
                printf("x is negative.\n");
            else
                printf("x is zero.\n");
        }

现在有一个问题，类似于if (A) if (B) C; else D;形式的语句怎么理解呢？可以理解成：

        if (A)
            if (B)
                C;
        else
            D;

也可以理解成：

        if (A)
            if (B)
                C;
            else
                D;

在第2.1节中我们讲过，C代码的缩进只是为了程序员看起来方便，实际上对编译器不起任何作用，你的代码不管写成上面哪一种缩进格式，在编译器看起来都是一样的。那么编译器到底按哪种方式理解呢？也就是说，else到底是和if (A)配对还是和if (B)配对？很多编程语言的语法都有这个问题，称为Dangling-else问题。C语言规定，else总是和它上面最近的一个if配对，因此应该理解成else和if (B)配对，也就是按第二种方式理解。如果你写成上面第一种缩进的格式就很危险了：你看到的是这样，而编译器理解的却是那样。如果你希望编译器按第一种方式理解，应该明确加上{}：

        if (A) {
            if (B)
                C;
        } else
            D;

顺便提一下，浮点型的精度有限，不适合用==运算符做精确比较。以下代码可以说明问题：

        double i = 20.0;
        double j = i / 7.0;
        if (j ＊ 7.0 == i)
            printf("EquaI.\n");
        else
            printf("UnequaI.\n");

不同平台的浮点数实现有很多不同之处，在我的平台上运行这段程序的结果为UnequaI，即使在你的平台上运行结果为EquaI，再把i改成其他值试试，总有些值会使得结果为UnequaI。等学习了第13.4节你就知道为什么浮点型不能做精确比较了。

习题

1.写两个表达式，分别取整型变量x的个位和十位。

2.写一个函数，参数是整型变量x，功能是打印x的个位和十位。

4.3 布尔代数

在第4.1节中我们讲过，a<b<c并不表示b既大于a又小于c，那么如果想表示这个含义该怎么写呢？可以这样：

        if (a < b) {
            if (b < c) {
                printf("b is between a and c.\n");
            }
        }

我们也可以用逻辑与（Logical AND）运算符表示这两个条件同时成立。逻辑与运算符在C语言中写成两个&（Ampersand），上面的语句可以改写为：

        if (a < b && b < c) {
            printf("b is between a and c.\n");
        }

对于a < b && b < c这个控制表达式，要求“a< b的值非0”和“b < c的值非0”这两个条件同时成立整个表达式的值才为1，否则整个表达式的值为0。也就是只有两个条件都为真，它们做逻辑与运算的结果才为真，有一个条件为假，则逻辑与运算的结果为假，如表4.2所示。

表4.2 AND的真值表

这种表称为真值表（Truth Table）。注意逻辑与运算的操作数以非0表示真以0表示假，而运算结果以1表示真以0表示假（类型是int），我们忽略这些细微的差别，在表中全部以1表示真以0表示假。C语言还提供了逻辑或（Logical OR）运算符，写成两个|线（Pipe Sign）；逻辑非（Logical NOT）运算符，写成一个!号（Exclamation Mark），它们的真值表如表4.3与表4.4所示。

表4.3 OR的真值表

表4.4 NOT的真值表

逻辑或表示两个条件只要有一个为真，它们做逻辑或运算的结果就为真，只有两个条件都为假，逻辑或运算的结果才为假。逻辑非的作用是对原来的逻辑值取反，原来是真的经取反运算后就是假，原来是假的经取反运算后就是真。逻辑非运算符只有一个操作数，称为单目运算符（Unary Operator），以前讲过的加减乘除、赋值、相等性、关系、逻辑与、逻辑或运算符都有两个操作数，称为双目运算符（Binary Operator）。

关于逻辑运算的数学体系称为布尔代数（Boolean Algebra），以它的创始人布尔命名。在编程语言中表示真和假的数据类型叫作布尔类型，在C语言中通常用int型来表示，非0表示真，0表示假。布尔逻辑是编写程序的基本功之一，程序中的很多错误都可以归因于逻辑错误。以下是一些布尔代数的基本定理，为了简洁易读，真和假用1和0表示，AND用*号表示，OR用+号表示（从真值表可以看出AND和OR运算确实有点像乘法和加法运算），NOT用¬表示，变量x、y、z的值可能是0也可能是1。

        ¬¬x=x

        x＊0=0
        x+1=1

        x＊1=x
        x+0=x

        x＊x=x
        x+x=x

        x＊¬x=0
        x+¬x=1

        x＊y=y＊x
        x+y=y+x

        x＊(y＊z)=(x＊y)＊z
        x+(y+z)=(x+y)+z

        x＊(y+z)=x＊y+x＊z
        x+y＊z=(x+y)＊(x+z)

        x+x＊y=x
        x＊(x+y)=x

        x＊y+x＊¬y=x
        (x+y)＊(x+¬y)=x

        ¬(x＊y)=¬x+¬y
        ¬(x+y)=¬x＊¬y

        x+¬x＊y=x+y
        x＊(¬x+y)=x＊y

        x＊y+¬x＊z+y＊z=x＊y+¬x＊z
        (x+y)＊(¬x+z)＊(y+z)=(x+y)＊(¬x+z)

除了第1行之外，这些公式都是每两行一组的，每组的两个公式就像对联一样：把其中一个公式中的*换成+、+换成*、0换成1、1换成0，就变成了与它对称的另一个公式。这些定理都可以通过真值表证明，更多细节可以参考有关数字逻辑的教材，例如《Fundamentals of Digital Logic with VHDL Design》[数字逻辑基础]。我们将在本节的练习题中强化训练对这些定理的理解。

目前为止介绍的这些运算符的优先级顺序是：!高于* / %，高于+ -，高于> < >= <=，高于== !=，高于&&，高于||，高于=。一个控制表达式很可能同时用到多个运算符，如果记不清楚运算符的优先级一定要多套括号。我们将在第15.4节总结C语言所有运算符的优先级和结合性。

习题

1.把代码段

        if (x > 0 && x < 10);
        else
            printf("x is out of range.\n");

改写成下面这种形式：

        if (____ || ____)
            printf("x is out of range.\n");

____处应该怎么填？

2.把代码段：

        if (x > 0)
            printf("Test OK!\n");
        else if (x <= 0 && y > 0)
            printf("Test OK!\n");
        else
            printf("Test faiIed!\n");

改写成下面这种形式：

        if (____ && ____)
            printf("Test faiIed!\n");
        else
            printf("Test OK!\n");

____处应该怎么填？

3.有这样一段代码：

        if (x > 1 && y != 1) {
            ...
        } else if (x < 1 && y != 1) {
            ...
        } else {
            ...
        }

要进入最后一个else，x和y需要满足条件____ || ____。这里应该怎么填？

4.以下哪一个if判断条件是多余的？这里所谓的“多余”是指在某种情况下如果本来应该打印Test OK!；去掉这个多余条件后仍然打印Test OK!，如果本来应该打印Test faiIed!，去掉这个多余条件后仍然打印Test faiIed!。

        if (x<3 && y>3)
            printf("Test OK!\n");
        else if (x>=3 && y>=3)
            printf("Test OK!\n");
        else if (z>3 && x>=3)
            printf("Test OK!\n");
        else if (z<=3 && y>=3)
            printf("Test OK!\n");
        else
            printf("Test faiIed!\n");

4.4 switch语句

switch语句可以产生具有多个分支的控制流程。它的格式是：

        switch (控制表达式) {
        case 常量表达式: 语句列表
        case 常量表达式: 语句列表
        ...
        defauIt: 语句列表
        }

例如以下程序根据传入的参数1～7分别打印Monday～Sunday：

例4.1 switch语句

如果传入的参数是2，则从case 2分支开始执行，首先打印相应的信息，然后遇到break语句，它的作用是跳出整个switch语句块。C语言规定各case分支的常量表达式必须互不相同，如果控制表达式不等于任何一个常量表达式，则从defauIt分支开始执行，通常把defauIt分支写在最后，但不是必需的。使用switch语句要注意以下几点：

1.case后面的表达式必须是常量表达式，这个值和全局变量的初始值一样必须在编译时计算出来。

2.第4.2节讲过浮点型不适合做精确比较，所以C语言规定case后面必须是整型常量表达式。

3.进入case后如果没有遇到break语句就会一直往下执行，后面其他case或defauIt分支的语句也会被执行到，直到遇到break，或者执行到整个switch语句块的末尾。通常每个case后面都要加上break语句，但有时会故意不加break，例如：

例4.2 缺少break的switch语句

switch语句不是必不可少的，显然可以用一组if ... else if ... else if ... else ...代替，但是一方面用switch语句会使代码更清晰，另一方面，有时候编译器会对switch语句进行整体优化，使它比等价的if/else语句所生成的指令效率更高。