В теории программирования доказано, что любая программа может быть закодирована с помощью комбинаций трёх конструкций: последовательность операторов, выбор и итерация. В этом разделе мы рассмотрим набор операторов языка Си и типовые примеры их использования для реализации конструкций цикла (итерации) и принятия решения (выбора).
3.8. Операторы для организации программных циклов
В языке Си существует несколько операторов, которые позволяют реализовать циклические вычисления (итерации). В этом параграфе мы рассмотрим программные конструкции циклов с операторами for, while, do while.
3.8.1. Оператор FOR
Оператор for предназначен для реализации циклов со счетчиком. В операторе for могут автоматически реализоваться сразу три операции: инициализация счётчика цикла, проверка его значения и модификация. Синтаксис оператора for:
for (<выражение1>; <выражение2>; <выражение3>)
<операторы тела цикла>
Рассмотрим типичный пример реализации цикла с оператором for:
1 for(i = 0; i < 10; i = i++)
2 {
3 inst 1;
4 inst 2;
5 :
6 :
7 inst n;
8 }
В строке 1 записывается сам оператор for, за которым обязательно следуют три выражения, заключенные в круглые скобки. Выражение 1 вычисляется один и только один раз перед проверкой условия цикла. В нашем примере выражение 1 присваивает начальное значение переменной i. Выражения два и три могут иметь произвольный характер, но обычно их используют для проверки и модификации условия продолжения цикла. Выражение 2 задаёт условие продолжения цикла. Если его значение отлично от нуля (истина), будут выполнены операторы 3…7, составляющие тело цикла. После этого вычисляется выражение 3, указанное в скобках первой строки. В нашем примере выражение i = i++ = i + 1 осуществляет увеличение на 1 внутреннего счетчика циклов оператора for. Поэтому операторы тела цикла 3…7 будут выполняться 10 раз при значениях переменной цикла i от 0 до 9. В конце первого цикла значение i будет равно 1, в конце второго — i=2, и т.д. В конце десятого цикла переменная i примет значение 10. Далее начнется исполнение 11-ого цикла оператора for, но, проанализировав условие выражения 2 оператора for, программа выйдет из цикла, не исполняя операторов тела цикла.
Достаточно часто переменная счетчика циклов оператора for используется также в теле цикла этого оператора. Например, следующий программный фрагмент вычисляет таблицу соответствия значений температуры, записанных по шкале Цельсия и по шкале Фаренгейта, и последовательно выводит эти значения на экран монитора. Диапазон исходных значений температуры составляет от –10°C до +40°C.
1 for(k = –10; k <= 40; k++)
2 {
//преобразовать значения температуры, измеренные по шкале Цельсия
// к численному значению по шкале Фаренгейта
3 Temperature = k*9/5+32;
4 printf("Current temperature is \%f\n", Temperature);
5 }
Как видите, значение переменной k используется как параметр для вычисления новых значений температуры в теле цикла.
3.8.2. Оператор WHILE
Второй способ организации циклов использует оператор while. Применение оператора while иллюстрирует следующий программный фрагмент:
1 k = -10;
2 while(k < 40)
3 {
4 Temperature = k*9/5+32;
5 k++;
6 printf("Current temperature is \%f\n", Temperature);
7 }
В отличие от оператора for, переменная k, используемая в качестве счетчика циклов, должна быть инициализирована перед оператором while, например, в строке 1. Обратите внимание, что в строке 2 в скобках оператора while записано всего лишь одно выражение, которое называется условием цикла. Выполнение оператора while начинается с вычисления этого выражения. Если значение выражения отлично от нуля («истина»), то выполняются операторы 4…6 тела цикла. После выполнения операторов тела цикла снова вычисляется выражение условия и процесс повторяется. Таким образом, выполнение тела цикла происходит пока значение выражения условия цикла отлично от нуля («истина»).
Следует заметить, что если условие цикла не выполнится на первой итерации, то тело цикла не будет выполнено ни разу. Для того чтобы тело цикла выполнялось хотя бы один раз, в языке Си предусмотрен оператор do while, который рассматривается далее. Одним из результатов выполнения тела цикла, как правило, является изменение условия цикла, иначе цикл будет бесконечным. Но, естественно, возможны случаи, когда условие цикла зависит от результата работы вызываемой из выражения функции, или условие цикла меняется в функции обработки прерывания, которая активизируется во время выполнения тела цикла.
Тело цикла может вообще отсутствовать, в случае применения на его месте пустого оператора. Это бывает нужно, например, при программном ожидании установки какого либо аппаратного флага микроконтроллера, который изменяется встроенной периферией. С помощью оператора while можно создавать бесконечные циклы.
1 while (1)
2 {
3 Instructions //выполнение блока операторов
4 }
Так в приведенном примере блок операторов с именем Instructions будет исполняться микроконтроллером до тех пор, пока МК не перейдет в состояние сброса или не произойдет прерывание. В первом случае МК начнет исполнение программы сначала, во втором — МК перейдет к исполнению программы обслуживания прерывания.
3.8.3. Оператор DO-WHILE
Третий способ организации циклов в Си использует оператор do-while. Синтаксис оператора do-while:
do {
<операторы тела цикла>
} while (выражение 1);
Пример записи вычисления таблицы соответствия температур с использованием оператора do while приведен ниже:
1 k = -10;
2 do
3 {
4 Temperature = k*9/5+32;
5 k++;
6 printf("Current temperature is \%f\n", Temperature);
7 }
8 while (k < 40)
Оператор do продолжает циклическое исполнение операторов тела цикла 4…6 до тех пор, пока значение выражения 1 не станет равным нулю («ложным»). Оператор do while похож на оператор while, но условие цикла в нём вычисляется и проверяется после очередного исполнения операторов тела цикла. Таким образом, операторы тела цикла выполняются, по крайней мере, один раз, даже если условие цикла заведомо ложно.
3.9. Операторы принятия решения
В этом параграфе мы обсудим примеры применения операторов if-then-else. Анализируя в главе 2 различные блок схемы алгоритмов управления, Вы часто наблюдали ситуацию, при которой некоторые действия должны были быть произведены только в том случае, если выполняется определенное условие. Мы рассмотрим четыре способа записи программного кода на Си, реализующего выполнение отдельных фрагментов программы при соблюдении заданного условия.
3.9.1. Оператор IF
Оператор if — это оператор выбора. Синтаксис оператора if:
if (<выражение>) {
<оператор 1>
} else {
<оператор 2>
}
Работа оператора if заключается в следующем. Сначала вычисляется заключенное в скобки выражение. Если его значение оказалось отличным от нуля («истина»), то выполняется оператор 1. Если используется служебное слово else и значение выражения равно нулю («ложь»), то выполняется оператор 2, указанный после else. Если значение выражения равно нулю («ложь»), а служебное слово else не указано, управление передаётся следующему за if оператору программы.
1 if (input == 0x00)
2 {
3 output = 0x0F;
4 }
5 …………………
В этом примере переменная input проверяется на равенство 0. Если текущее значение этой переменной действительно равно 0, то выполняется оператор, записанный в строке 3. Служебное слово else в данном примере отсутствует, поэтому, если текущее значение переменной input не равно 0, то программа осуществляет переход к строке 5. В качестве первого и второго операторов в условном операторе if можно применять блоки операторов. Приведенный выше пример может быть записан в сокращенной форме, без выделения фигурными скобками блока операторов условно выполняемых операторов:
1 if (input == 0x00)
2 output = 0x0F;
Применяя конструкции с оператором if, полезно знать, что программа принимает решение о выполнении того или иного блока операторов по значению внутренней логической переменной, которая устанавливается в 0 или в 1 по результату анализа заключенного в скобки условного выражения. Поэтому в качестве выражения условия программист может записать некоторую логическую формулу. В ходе исполнения конструкции if ее значение будет вычислено, по результату вычисления (0 или 1) будет принято решение о выполнении той или иной группы операторов. Частным случаем логического выражения условия является запись:
1 if (1)
2 output = 0x0F;
Понятно, что действие output = 0x0F будет выполняться всегда, что иногда полезно на этапе отладки программы.
3.9.2. Оператор IF-ELSE
Многие алгоритмы управления требуют применения оператора if-else, который позволяет выполнить ту или иную группу операторов, в зависимости от результата анализа условия, следующего в скобках за оператором if. Допустим, встраиваемая система должна осуществлять управление кондиционером, анализируя текущее значение температуры воздуха. Эта задача может быть решена посредством записи следующего фрагмента программы:
1 if (input > 78) // если температура по шкале Фаренгейта
//больше 78
2 air_condision = on; // то включить кондиционер
3 else
4 air_condision = off; //иначе выключить кондиционер
В этом примере переменная input содержит в себе код температуры окружающей среды, который программа должна подвергнуть сравнению с пороговым значением 78. Учитывая, что в процессе вычисления условия оператора if, программа возвращает значение внутренней логической переменной, то же действие можно записать, используя обратную логику:
1 if (input <= 78) //если температура меньше или равна 78
2 air_condision = off; //то выключить кондиционер
3 else
4 air_condision = on; //иначе включить кондиционер
3.9.3. Оператор IF-ELSE IF-ELSE
Операторы if могут быть вложенными. В этом случае служебное слово else (если оно используется) связывается с последним оператором if, с которым ещё не было связано else. Во избежание путаницы с вложенными операторами, лучше пользоваться фигурными скобками или структурировать текст отступами для явного указания того, к какому из операторов if принадлежит слово else. Примеры применения вложенных операторов if– else приведены ниже:
1 if (input > 78)
2 air_condision = on; //включить кондиционер, если жарко
3 else
4 if (input > 58)
5 fan = on; //включить вентилятор,если душно, но
//не жарко
6 else
7 heater = on; //включить обогреватель, если прохладно
8 …………
В этом примере программа должна различить, к какому из трех диапазонов принадлежит текущее значение температуры окружающей среды. Если температура превышает 78 градусов по Фаренгейту, то должен быть включен кондиционер. Если температура меньше 79 градусов, но больше 58, то следует оставить включенным только вентилятор, а если температура равна или ниже 58 градусов, то следует включить обогреватель.
Те же управляющие действия могут быть записаны с применением другой конструкции операторов if-else:
1 if (input > 78)
2 air_condision = on; //включить кондиционер, если жарко
3 if (input > 58)
5 fan = on; //включить вентилятор,если душно и жарко
6 else
7 heater = on; //включить обогреватель, если прохладно
Отличие этого варианта программы от предыдущего состоит в том, что оба оператора if–else стали независимыми друг от друга. А в предыдущем примере второй оператор if– else был вложен в первый. Это конструктивное изменение программы внесло коррективы в реализуемый ею алгоритм управления. Так в первом варианте при значении переменной input=80 выражение первого оператора if окажется истинным и будет включен кондиционер. И далее управление будет передано строке 8, т.е. вторая конструкция if будет пропущена из рассмотрения. Во втором случае при том же значении переменной input=80 после проверки первого условия будет также включен кондиционер, но затем управление будет передано второму оператору if. Поскольку второе условие также выполняется, то вентилятор будет также включен.
Еще один вариант реализации того же задачи:
1 if (input > 78)
2 air_condision = on; //включить кондиционер, если жарко
3 if ((input > 58) && (input < 79))
5 fan = on; //включить вентилятор,если душно, но не жарко
6 if (input < 59)
7 heater = on; //включить обогреватель, если прохладно
Проанализировав этот программный фрагмент, Вы увидите, что он соответствует первому варианту управления кондиционером, вентилятором и обогревателем. Логика построения этого программного фрагмента хорошо структурирована и позволяет реализовать множество разных действий при различных значениях переменной input. Причем ни одно действие по логике построения программы не будет сочетаться с каким либо другим из перечисленного списка:
1 if (condition 1)
2 (instruction set 1);
3 if (condition 2)
5 (instruction set 2);
6 if (condition 3)
7 (instruction set 3);
Если число различных значений переменной условия condition превышает 4 или 5, то для выполнения подобной задачи следует использовать оператор switch.
3.9.4. Оператор SWITCH
Данный оператор применяется, когда требуется передавать управление одному из нескольких операторов, в зависимости от значения выражения. Синтаксис оператора switch:
1 switch(<выражение>)
2 {
3 case <константное_выражение_1>:
4 <оператор_1>;
5 break;
6 case <константное_выражение_2>:
7 <оператор_2>;
8 break;
9 :
10 :
11 case <константное_выражение_n>:
12 <оператор_n>;
13 break;
14 default :
15 <оператор_n+1>;
16 }
Выполнение оператора switch начинается с вычисления выражения в скобках. Результат вычисления должен быть целочисленным в одно или двухбайтовом формате. Затем последовательно просматриваются префиксы case, указанные после них константные выражения вычисляются и их результаты сравниваются с результатом вычисления выражения в скобках после слова switch. Если результаты совпадают, то управление передаётся оператору, следующему за соответствующим префиксом case. Если ни одного совпадения не произошло и при этом указано служебное слово default (его указание необязательно), то управление передаётся оператору, следующему за этим служебным словом. Если совпадения не обнаружилось, а служебное слово default не указано, то ни один из операторов блока не выполняется. Заметим, что в константных выражениях после префиксов case не допускается применения переменных, выражение должно состоять из константных величин.
Приведем пример использования конструкции с оператором switch:
1 switch (a) {
2 case 1:
3 printf("Correct value%d was chosen\n", a);
4 break;
5 case 2:
6 printf("Close but try again\n");
7 break;
8 case 3:
9 printf("Value %d is two away from the answer\n", a);
10 break;
11 default:
12 printf("Your chosen value is way off\n");
13 }
В примере текущее значение переменной a сравнивается со значениями 1, 2 и 3. Желаемое сообщение о правильном выборе появится на экране монитора в том случае, если переменная равна 1. Если же переменная равна 2 или 3, то будут выведены соответствующие сообщения об ошибках. Если ни одно из трех возможных значений не выбрано, то отобразится сообщение, записанное в строке 12. Обратите внимание, в примере мы не должны записывать слово break в строке 13, т.к. после выполнения оператора строки 12 программа автоматически продолжит исполнение следующих за конструкцией switch операторов.
А как будет вести себя программа, если мы пропустим слово break где то в середине конструкции switch, например, в строке 4? После отображения сообщения строки 3 программа перейдет к исполнению следующих операторов, пока не встретит следующее слово break или не дойдет до конца конструкции switch. В нашем случае программа отобразит сообщение строки 6, а затем предаст управление строке 13. Зная подобную особенность оператора switch, Вы можете пропустить несколько break в своей программе.
3.10. Массивы