8-10 for 语句
迄今为止，C++中最常用的循环语句是for语句。当存在明确的循环变量时，for语句（也称为for循环）是首选方案，因为它能让我们轻松且简洁地定义、初始化、测试和修改循环变量的值。
自C++11起，for循环分为两种类型。本节将讲解经典的for语句，而新型的基于范围的for语句将在后续章节（16.8节——基于范围的for循环（for-each））中介绍，届时我们将先完成其他必修内容的学习。
从抽象层面看，for语句的结构相当简单：
for (init-statement; condition; end-expression)
statement;
理解for语句工作原理最简单的方法，是将其转换为等效的while语句：
{ // note the block here
init-statement; // used to define variables used in the loop
while (condition)
{
statement;
end-expression; // used to modify the loop variable prior to reassessment of the condition
}
} // variables defined inside the loop go out of scope here
for语句的求值过程
for语句的求值分为三个部分：
首先执行初始化语句。该操作仅在循环初始化时执行一次。初始化语句通常用于变量定义和初始化。这些变量具有“循环作用域”，本质上是一种块作用域，即变量从定义点存在至循环语句结束。在等效的while循环中，初始化语句位于包含循环的代码块内，因此当循环所在代码块结束时，初始化语句定义的变量即失效。
其次，每次循环迭代时求值条件语句。若条件为真，则执行循环体；若条件为假，循环终止并跳转至循环体外的下一条语句。
最后，在语句执行完毕后，将求值结束表达式。该表达式通常用于递增或递减初始化语句中定义的循环变量。结束表达式求值完成后，执行流程将返回至第二步（此时条件将重新进行求值）。
关键要点
for语句各部分的执行顺序如下：
- 初始化语句
- 条件判断（若为假，循环在此终止）
- 循环体
- 结束表达式（随后跳转回条件判断）
需注意：结束表达式在循环语句执行后运行，随后条件将重新求值。
让我们看一个 for 循环的示例，并讨论它是如何工作的：
#include <iostream>
int main()
{
for (int i{ 1 }; i <= 10; ++i)
std::cout << i << ' ';
std::cout << '\n';
return 0;
}
首先，我们声明一个名为 i 的循环变量，并将其初始化为 1。
其次，求值 i <= 10，由于 i 为 1，该表达式为真。因此执行语句，输出 1 和一个空格。
最后，求值 ++i，将 i 递增为 2。循环返回至第二步。
此时再次求值 i <= 10。由于 i 值为 2，该条件为真，循环继续迭代。语句输出 2 和空格，i 递增为 3。循环持续迭代直至 i 递增至 11，此时 i <= 10 求值为假，循环终止。
因此该程序输出结果：
为了举例说明，让我们将上述for循环转换为等效的while循环：
#include <iostream>
int main()
{
{ // the block here ensures block scope for i
int i{ 1 }; // our init-statement
while (i <= 10) // our condition
{
std::cout << i << ' '; // our statement
++i; // our end-expression
}
}
std::cout << '\n';
}
看起来还不错吧？注意这里必须使用外层大括号，因为循环结束时变量i将超出作用域。
对于新手程序员来说，for循环可能难以理解——但经验丰富的程序员却钟爱它，因为这种循环方式非常紧凑，能清晰呈现计数器、循环条件和循环变量修饰符等所有必要信息，从而有效减少错误。
更多 for 循环示例
以下是一个使用 for 循环计算整数幂的函数示例：
#include <cstdint> // for fixed-width integers
// returns the value base ^ exponent -- watch out for overflow!
std::int64_t pow(int base, int exponent)
{
std::int64_t total{ 1 };
for (int i{ 0 }; i < exponent; ++i)
total *= base;
return total;
}
该函数返回基数^指数的值（即基数乘以指数次方）。
这是一个简单的递增for循环，循环变量i从0开始递增至指数值（不包含指数值本身）。
所有情况下，总值初始化为1。
若指数为0，for循环将执行0次。返回值为total（初始值1），即等同于base^0。
若指数为1，for循环将执行1次。total（初始值1）与基数相乘，此时total值变为base，即等同于base^1，最终返回该值。
当指数为2时，for循环执行2次。将总值（初始值为1）与基数相乘两次，得到值为基数*基数，即等同于基数^2，最终返回该值。
虽然大多数for循环会将循环变量递增1，但同样可以递减：
#include <iostream>
int main()
{
for (int i{ 9 }; i >= 0; --i)
std::cout << i << ' ';
std::cout << '\n';
return 0;
}
这将输出结果：
或者，我们可以在每次迭代中将循环变量的值改变超过1：
#include <iostream>
int main()
{
for (int i{ 0 }; i <= 10; i += 2) // increment by 2 each iteration
std::cout << i << ' ';
std::cout << '\n';
return 0;
}
这将输出结果：
for循环条件中使用不等号运算符的风险
在编写涉及数值的循环条件时，我们常能采用多种不同方式表达条件。以下两个循环的执行效果完全相同：
#include <iostream>
int main()
{
for (int i { 0 }; i < 10; ++i) // uses <
std::cout << i;
for (int i { 0 }; i != 10; ++i) // uses !=
std::cout << i;
return 0;
}
那么我们应该选择哪一种？前者是更好的选择，因为即使i跳过值10，它也会终止，而后者则不会。以下示例说明了这一点：
#include <iostream>
int main()
{
for (int i { 0 }; i < 10; ++i) // uses <, still terminates
{
std::cout << i;
if (i == 9) ++i; // jump over value 10
}
for (int i { 0 }; i != 10; ++i) // uses !=, infinite loop
{
std::cout << i;
if (i == 9) ++i; // jump over value 10
}
return 0;
}
最佳实践
在 for 循环条件中进行数值比较时，避免使用运算符 !=。尽可能优先使用运算符 < 或 <=。
差一错误
新手程序员在使用 for 循环（及其他使用计数器的循环）时遇到的最大问题之一就是差一错误Off-by-one errors。当循环迭代次数多一次或少一次时，就会产生差一错误，导致结果与预期不符。
以下是一个示例：
#include <iostream>
int main()
{
// oops, we used operator< instead of operator<=
for (int i{ 1 }; i < 5; ++i)
{
std::cout << i << ' ';
}
std::cout << '\n';
return 0;
}
该程序本应输出 1 2 3 4 5，但实际只输出 1 2 3 4，原因是使用了错误的关系运算符。
虽然这类错误最常见的原因是使用了错误的关系运算符，但有时也可能因将前自增/前自减误用为后自增/后自减，或反之而导致。
省略表达式
可以编写省略任何或全部语句或表达式的 for 循环。例如，在下面的示例中，我们将省略初始化语句和结束表达式，仅保留条件：
#include <iostream>
int main()
{
int i{ 0 };
for ( ; i < 10; ) // no init-statement or end-expression
{
std::cout << i << ' ';
++i;
}
std::cout << '\n';
return 0;
}
此 for 循环产生以下结果：
与让 for 循环执行初始化和递增操作不同，我们在此处进行了手动处理。本例中纯粹出于教学目的而如此操作，但实际应用中确实存在无需定义循环变量（因已存在变量）或无需在终止表达式中递增变量（因通过其他方式递增）的情况。
尽管此类情况较为罕见，但值得注意的是以下示例将导致无限循环：
for (;;)
statement;
上述示例等同于：
while (true)
statement;
这可能有些出人意料，因为您可能认为省略的条件表达式会被视为假。然而，C++标准明确（且不一致地）规定：for循环中省略的条件表达式应视为真。
我们建议完全避免使用这种形式的for循环，转而采用while(true)的写法。
带有多个计数器的 for 循环
虽然 for 循环通常只遍历一个变量，但有时需要处理多个变量。为此，程序员可以在初始化语句中定义多个变量，并利用逗号运算符在结束表达式中同时修改多个变量的值：
#include <iostream>
int main()
{
for (int x{ 0 }, y{ 9 }; x < 10; ++x, --y)
std::cout << x << ' ' << y << '\n';
return 0;
}
此循环定义并初始化两个新变量：x 和 y。它将 x 在 0 到 9 的范围内进行迭代，每次迭代后 x 递增而 y 递减。
该程序输出结果：
这是C++中唯一允许在同一语句中定义多个变量并使用逗号运算符的情况。
相关内容
我们在第6.5课——逗号运算符中讲解了逗号运算符。
最佳实践
在 for 语句内部，允许在初始化语句中定义多个变量，并在结束表达式中使用逗号运算符。
嵌套的 for 循环
与其他类型的循环类似，for 循环可以嵌套在其他循环内部。在下面的示例中，我们正在将一个 for 循环嵌套在另一个 for 循环内部：
#include <iostream>
int main()
{
for (char c{ 'a' }; c <= 'e'; ++c) // outer loop on letters
{
std::cout << c; // print our letter first
for (int i{ 0 }; i < 3; ++i) // inner loop on all numbers
std::cout << i;
std::cout << '\n';
}
return 0;
}
每次外层循环迭代时，内层循环都会完整运行一次。因此，输出结果为：
以下是关于此处发生情况的更多细节。外层循环首先运行，字符 c 初始化为 ‘a’。随后评估 c <= ‘e’，该条件为真，因此循环体执行。由于 c 被设置为 ‘a’，这首先打印 a。接着内层循环完整执行（打印 0、1 和 2）。随后输出换行符。此时外层循环体执行完毕，循环返回起始位置，c 递增为 ‘b’，循环条件重新评估。由于条件仍为真，外层循环进入下一次迭代，输出 b012\n。如此循环往复。
仅在循环内部使用的变量应在循环内部定义
新手程序员常认为创建变量代价高昂，因此宁可一次性创建变量（随后赋值），也不愿多次创建变量（并进行初始化）。这导致循环代码呈现如下变体形式：
#include <iostream>
int main()
{
int i {}; // i defined outside loop
for (i = 0; i < 10; ++i) // i assigned value
{
std::cout << i << ' ';
}
// i can still be accessed here
std::cout << '\n';
return 0;
}
然而，创建变量本身并无成本——真正产生成本的是初始化操作，而初始化与赋值通常在成本上并无差异。上述示例使得变量i在循环外部可用。除非必须在循环外部使用该变量，否则在循环外定义变量可能带来两点后果：
- 它会增加程序复杂度，因为我们需要阅读更多代码才能找到变量使用位置。
- 实际运行可能更慢，因为编译器对作用域较大的变量优化效果往往较差。
遵循“在合理最小作用域内定义变量”的最佳实践，仅在循环内部使用的变量应在循环内部定义，而非外部。
最佳实践
仅在循环内部使用的变量应在循环作用域内定义。
结论
for循环是C++语言中最常用的循环结构，因为它将循环变量、循环条件和循环变量修改操作所需的所有信息都置于循环顶部，这有助于减少错误。尽管其语法对新手程序员而言通常略显复杂，但你很快就会频繁接触for循环，转眼间就能完全掌握！
当存在计数变量时，for语句表现尤为出色。若无需计数功能，while语句可能是更优选择。
最佳实践
当存在明显的循环变量时，优先使用 for 循环而非 while 循环。
当不存在明显的循环变量时，优先使用 while 循环而非 for 循环。
测验时间
问题 #1
编写一个 for 循环，打印 0 到 20 之间的所有偶数。
显示方案
for (int i{ 0 }; i <= 20; i += 2)
std::cout << i << '\n';
问题 #2
编写一个名为 sumTo() 的函数，该函数接受一个名为 value 的整数参数，并返回 1 到 value 之间所有数字的和。
例如，sumTo(5) 应返回 15，即 1 + 2 + 3 + 4 + 5。
提示：使用非循环变量累加从1到输入值的总和，类似上文pow()示例中使用total变量累加每次迭代的返回值。
显示答案
int sumTo(int value)
{
int total{ 0 };
for (int i{ 1 }; i <= value; ++i)
total += i;
return total;
}
问题 #3
以下for循环存在什么问题？
// Print all numbers from 9 to 0
for (unsigned int i{ 9 }; i >= 0; --i)
std::cout << i<< ' ';
显示答案
此 for 循环在 i >= 0 时持续执行。换言之，它会运行至 i 变为负数为止。然而由于 i 是无符号变量，其值永远不会变为负数。因此该循环将永远运行下去（哈哈）！通常情况下，除非必要，应避免对无符号变量进行循环操作。
问题 #4
Fizz Buzz 是一款用于教导儿童理解可除性概念的简单数学游戏，有时也被用作面试题来评估基础编程能力。
游戏规则很简单：从1开始向上计数，凡仅能被3整除的数字替换为“fizz”，仅能被5整除的数字替换为“buzz”，同时能被3和5整除的数字替换为“fizzbuzz”。
请在名为fizzbuzz()的函数中实现此游戏，该函数需接收一个参数以确定计数上限。使用for循环和单个if-else链（即可自由使用多个else-if语句）。
fizzbuzz(15)的输出应与以下结果一致：
1
2
fizz
4
buzz
fizz
7
8
fizz
buzz
11
fizz
13
14
fizzbuzz
显示答案
// h/t to reader Waldo for suggesting this quiz
#include <iostream>
void fizzbuzz(int count)
{
for (int i{ 1 }; i <= count; ++i)
{
if (i % 3 == 0 && i % 5 == 0)
{
std::cout << "fizzbuzz\n";
}
else if (i % 3 == 0)
{
std::cout << "fizz\n";
}
else if (i % 5 == 0)
{
std::cout << "buzz\n";
}
else
{
std::cout << i << '\n';
}
} // end for loop
}
int main()
{
fizzbuzz(15);
return 0;
}
问题 #5
修改你在前次测验中编写的 FizzBuzz 程序，添加一条规则：凡能被 7 整除的数字应替换为“pop”。运行该程序 150 次迭代。
在此版本中，若使用if/else链条显式覆盖所有可能的字符组合，将导致函数过于冗长。请优化函数结构，仅使用4个if语句：分别对应三个非复合词（“fizz”、‘buzz’、“pop”），以及数字输出情况。
显示提示
提示：使用布尔变量来记录某个数字是否满足其中一个条件。
以下是预期输出示例片段：
显示答案
// h/t to reader Waldo for suggesting this quiz
#include <iostream>
void fizzbuzz(int count)
{
for (int i{ 1 }; i <= count; ++i)
{
bool printed{ false };
if (i % 3 == 0)
{
std::cout << "fizz";
printed = true;
}
if (i % 5 == 0)
{
std::cout << "buzz";
printed = true;
}
if (i % 7 == 0)
{
std::cout << "pop";
printed = true;
}
if (!printed)
std::cout << i;
std::cout << '\n';
} // end for loop
}
int main()
{
fizzbuzz(150);
return 0;
}
浙公网安备 33010602011771号