C语言入门系列之4.分支结构程序-关系、逻辑运算和if、switch语句

一、关系运算符和表达式

关系运算符：
又叫比较运算符，在程序中经常需要比较两个量的大小关系，以决定程序下一步的工作。比较两个量的运算符称为关系运算符。

1.关系运算符及其优先顺序

在Ｃ语言中有以下关系运算符：

• < 小于
• <= 小于或等于
• > 大于
• >= 大于或等于
• == 等于
• != 不等于

关系运算符都是双目运算符，其结合性均为左结合。
关系运算符的优先级低于算术运算符，高于赋值运算符。
在6个关系运算符中，前4个<、<=、>、>=的优先级相同，高于==和!=，==和!=的优先级相同。

2.关系表达式

关系表达式的一般形式为：

表达式 关系运算符  表达式

例如：

a+b > c-d
x > 3/2
'a'+1 < c
-i-5*j == k+1

这些都是合法的关系表达式。
由于表达式也可以又是关系表达式，因此也允许出现嵌套的情况，例如a > (b>c)、a != (c==d)等。
关系表达式的值是真和假，用1和0表示。
如5 > 0的值为真，即为1；
(a=3) > (b=5)中由于3 > 5不成立，故其值为假，即为0。

C语言中，数值不为0时均为真，为0时才为假。

练习如下：

#include 

int main() {
	char c='k';
	int i=1,j=2,k=3;
	float x=3e+5,y=0.85;
	printf("%d, %d\n",'a'+5<c,-i-2*j>=k+1);
	printf("%d, %d\n",1<j<5,x-5.25<=x+y);
	printf("%d, %d\n",i+j+k==-2*j,k==j==i+5);
			
	return 0;
}

打印：

1, 0
1, 1
0, 0

在上面代码中求出了各个关系表达式的值。
其中，字符变量是以它对应的ASCII码参与运算的。
对于含多个关系运算符的表达式，如k==j==i+5，根据运算符的左结合性，先计算k==j，该式不成立，其值为0，再计算0==i+5，也不成立，故整个表达式的值为0。

二、逻辑运算符和表达式

1.逻辑运算符及其优先顺序

C语言中提供了3种逻辑运算符：

• && 与运算
• || 或运算
• ! 非运算

与运算符&&和或运算符||均为双目运算符。具有左结合性；
非运算符!为单目运算符，具有右结合性。
3个逻辑运算符的优先级为!（非）> &&（与）> ||（或）。
逻辑运算符和其它常见运算符优先级的关系如下：

其中，&&和||低于关系运算符，!高于算术运算符。

按照运算符的优先顺序可以得出：
a>b && c>d等价于(a>b) && (c>d)；
!b==c || d等价于((!b)==c) || (d；
a+b>c && x+y等价于((a+b)>c) && ((x+y)。

2.逻辑运算的值

逻辑运算的值也为真和假两种，用1和0来表示。
其求值规则如下：

• 与运算&&
  参与运算的两个量都为真时，结果才为真，否则为假。
  例如5>0 && 4>2，由于5>0为真，4>2也为真，相与的结果也为真。
• 或运算||
  参与运算的两个量只要有一个为真，结果就为真，两个量都为假时，结果才为假。
  例如5>0 || 5>8，由于5>0为真，相或的结果也就为真。
• 非运算!
  参与运算量为真时，结果为假；参与运算量为假时，结果为真。
  例如!(5>0)的结果为假。

虽然C程序在编译并给出逻辑运算值时，以1代表真、0代表假，但反过来在判断一个量是为真还是为假时，以0代表假，以非0的数值作为真。
例如由于5和3均为非0，因此5&&3的值为真，即为1；
又如5||0的值为真，即为1。

3.逻辑表达式

逻辑表达式的一般形式为：

表达式  逻辑运算符  表达式

其中的表达式可以又是逻辑表达式，从而形成嵌套。
例如(a&&b) && c，根据逻辑运算符的左结合性，表达式也可写为a && b && c。

逻辑表达式的值是式中各种逻辑运算的最后值，以1和0分别代表真和假。

练习如下：

#include 

int main() {
	char c = 'k';
	int i = 1, j = 2, k = 3;
	float x = 3e5, y = 0.85;
	printf("%d, %d\n", !x*!y, !!!x);
	printf("%d, %d\n", x||i&&j-3, i<j&&x<y);
	printf("%d, %d\n", i==5&&c&&(j=8), x+y||i+j+k);
	
	return 0;
}

打印：

0, 0
1, 0
0, 1

三、if条件语句

用if语句可以构成分支结构，它根据给定的条件进行判断，以决定执行某个分支程序段。

1.if语句的3种形式

第一种形式：

if(表达式) 语句

这也是基本形式，其语义是：
如果表达式的值为真，则执行其后的语句，否则不执行该语句。
其执行过程如下：

练习：

#include 

int main() {
	int a, b, max;
	printf("Input two numbers:\n");
	scanf("%d%d", &a, &b);
	max = a;
	if(a < b){
		max = b;
	}
	printf("max=%d\n", max);
	
	return 0;
}

打印：

Input two numbers:
3 5
max=5

如果if语句成立执行的语句有多条，必须加大括号{}，只有1条时，可以直接跟在后面不加大括号，但是为了养成良好的习惯，还是建议加上大括号，所以不用管if语句后的语句有多少条，都加上大括号，后面的else、switch等语句也相同。

第二种形式（if-else）：

if(表达式)  
    语句1;
else 
    语句2;

执行过程图示如下：

练习如下：

#include 

int main() {
	int a, b, max;
	printf("Input two numbers:\n");
	scanf("%d%d", &a, &b);
	if(a > b){
		printf("max=%d\n", a);
	}
	else{
		printf("max=%d\n", b);
	}
		
	return 0;
}

打印：

Input two numbers:
5 3
max=5

第三种形式（if-else-if）：

if (表达式1)
    语句1;
else if(表达式2)
    语句2;
else if(表达式3)
    语句3;
else if(表达式m)
    语句m;
else
    语句n;

前二种形式的if语句一般都用于两个分支的情况，当有多个分支选择时，可采用if-else-if语句。
其执行过程如下：

练习如下：

#include 

int main() {
	char c;
	c = getchar();
	if(c < 32){
		printf("This is a control character\n");
	}
	else if(c >= '0' && c <= '9'){
		printf("This is a digit\n");
	}
	else if( c >= 'A' && c <= 'Z'){
		printf("This is an uppercase letter\n");
	}
	else if(c >= 'a' && c <= 'z'){
		printf("This is a Lowercase letter\n");
	}
	else{
		printf("This is an other character\n");
	}
		
	return 0;
}

打印：

5
This is a digit

2.if语句的注意事项

（1）在3种形式的if语句中，在if关键字之后均为表达式。该表达式通常是逻辑表达式或关系表达式，但也可以是其它表达式，如赋值表达式等，甚至也可以是一个变量。
例如：

if(a=5) 语句;
if(b) 语句;

这些都是允许的，只要表达式的值为非0，即为真。

当if语句中的表达式是关系运算符表达式、判断两个值是否相等时，应该用 ==，而不是 =，举例说明如下：
if(a == b)（假设b为常量）语句中，只有a等于b时，才会执行if后面的语句，但是if(a = b)语句，只有b为0时，才为假，不执行其后的语句，否则都会执行后面的语句，因为给a赋值不为0时，赋值表达式的值就等于给a赋的值，表达式的值不为0时即为真。

练习如下：

#include 

int main() {
	int a;
	a = 2;
	if(a == 3){
		printf("a equals 3!!!\n");
	}
	else{
		printf("a is %d\n", a);
	}
		
	return 0;
}

打印：

a is 2

但是此时如果把if语句中的表达式改为a = 3，即如下：

#include 

int main() {
	int a;
	a = 2;
	if(a = 3){
		printf("a equals 3!!!\n");
	}
	else{
		printf("a is %d\n", a);
	}
		
	return 0;
}

打印：

a equals 3!!!

显然，此时出现了错误，明明给a赋值为2，打印结果却说a等于3；
除此之外，现在的很多编译器在编译if(a = 3)时可能会有警告。

如果在写代码时容易忽略，可以将 == 两边的值交换，例如if(3 == a)，这种情况下，如果少写了一个等号，程序编译时就会报错，以提示修改。

（2）在if语句中，条件判断表达式必须用括号括起来，在语句之后必须加分号。

（3）在if语句的3种形式中，所有的语句应为单个语句，如果要想在满足条件时执行一组(多个)语句，则必须把这一组语句用{}括起来组成一个复合语句。同时要注意在}之后不能再加分号。
例如：

if(a>b)
{
    a++;
    b++;
}
else
{
    a=0;
    b=10;
}

此时如果需要在if、else语句等后面加入新的语句，也会更方便，不容易出错。

练习：

写一个程序完成下列功能:
1、输入一个分数score
2、score<60 输出 E
3、60 <=score <70 输出 D
4、75 <=score <80 输出 C
5、80 <=score <90 输出 B
5、90 <=score 输出 A

代码如下：

#include 

int main() {
	int score;
	printf("Input a score:\n");
	scanf("%d", &score);
	if(score < 60){
		printf("F");
	}
	else if(score >= 60 && score < 70){
		printf("D");
	}
	else if(score >= 70 && score < 80){
		printf("C");
	}
	else if(score >= 80 && score < 90){
		printf("B");
	}
	else{
		printf("A");
	}
		
	return 0;
}

打印：

Input a score:
75
C

练习：
输入三个数a、b、c，要求按由小到大的顺序输出。
实现思路：

if a>b 将a和b对换；
if a>c 将a和c对换；
if b>c 将b和c对换。

代码如下：

#include 

int main() {
	int a, b, c, temp;
	printf("Input 3 numbers:\n");
	scanf("%d%d%d", &a, &b, &c);
	if(a > b){
		temp = a;
		a = b;
		b = temp;
	}
	if(a > c){
		temp = a;
		a = c;
		c = temp;
	}
	if(b > c){
		temp = b;
		b = c;
		c = temp;
	}
	printf("a=%d, b=%d, c=%d", a, b, c);
		
	return 0;
}

打印：

Input 3 numbers:
32 21 54
a=21, b=32, c=54

练习：
输入三个整数，输出最大数和最小数。
代码如下：

#include 

int main() {
	int a, b, c, max, min;
	printf("Input 3 numbers:\n");
	scanf("%d%d%d", &a, &b, &c);
	if(a > b){
		max = a;
		min = b;
	}	
	else{
		max = b;
		min = a;
	}
	if(max < c){
		max = c;
	}
	else if(min > c){
		min = c;
	}

	printf("max=%d, min=%d", max, min);
		
	return 0;
}

打印：

Input 3 numbers:
3 5 4
max=5, min=3

练习：
一个整数，它加上100后是一个完全平方数，再加上168又是一个完全平方数，求出该数是多少。
代码如下：

#include 
#include 

int main() {
	long x, y, i;
	for(i = 1;i <= 100000;i++){
		x = sqrt(i + 100);
		y = sqrt(i + 268);
		if(x * x == i + 100 && y * y == i +268){
			printf("%ld\n", i);
		}
	}
			
	return 0;
}

打印：

21
261
1581

此例中用到的for语句是循环，会在后面讲到。

3.if语句的嵌套

当if语句中的执行语句又是if语句时，则构成了if语句嵌套的情形。
其一般形式可表示如下：

if(表达式)  
    if语句;

或者为

if(表达式)  
    if语句;
else  
    if语句;

在嵌套内的if语句可能又是if-else型的，这将会出现多个if和多个else重叠的情况，这时要特别注意if和else的配对问题。
例如：

if (表达式1)
if (表达式2)
    语句1;
else 
    语句2;

其中的else应该与哪一个if配对呢?
为了避免这种二义性，C语言规定，else总是与它前面最近的if配对，即采用就近原则，因此对上述例子应理解如下：

if (表达式1)
    if (表达式2)
        语句1;
    else
        语句2;

练习如下：

#include 

int main() {
	int a, b;
	printf("Please input A, B:\n");
	scanf("%d%d", &a, &b);
	if(a != b){
		if(a > b){
			printf("a > b");
		}
		else{
			printf("a < b");
		}
	}
	else{
        printf("a = b");
    }
		
	return 0;
}

打印：

Please input A, B:
23 32
a < b

采用嵌套结构实质上是为了进行多分支选择。
在上例中有三种选择即A>B、A

#include 

int main() {
	int a,b;
    printf("please input A,B:\n");
    scanf("%d%d",&a,&b);
    if(a==b)
        printf("A=B\n");
    else if(a>b)
        printf("A>B\n");
    else
        printf("A);
		
	return 0;
}

因此，在一般情况下较少使用if语句的嵌套结构，以使程序更便于阅读理解。

四、条件运算符和条件表达式

1.基本概念

条件运算符为?和:，它是一个三目运算符，也是C语言中唯一一个三目运算符，即有三个参与运算的量。

由条件运算符组成条件表达式的一般形式为：

表达式1?表达式2:表达式3

其求值规则为：
如果表达式1的值为真，则以表达式2的值作为条件表达式的值，否则以表达式3的值作为整个条件表达式的值。

条件表达式经常用于赋值语句中。
例如条件语句：

if(a>b)  max=a;
else max=b;

可用条件表达式写为max=(a>b)?a:b;。
执行该语句的语义是：如a>b为真，则把a赋予max，否则把b赋予max。

2.注意事项

（1）条件运算符的运算优先级低于关系运算符和算术运算符，但高于赋值符。
因此max=(a>b)?a:b可以去掉括号写为max=a>b?a:b。

（2）条件运算符?和:是一对运算符，不能分开单独使用。

（3）条件运算符的结合方向是自右至左。
例如，a>b?a:c>d?c:d应理解为a>b?a:(c>d?c:d)。
这也就是条件表达式嵌套的情形，即其中的表达式3又是一个条件表达式。

练习如下：

#include 

int main() {
	int a, b, max;
	printf("Input two numbers:\n");
	scanf("%d%d", &a, &b);
	printf("max=%d", a>b?a:b);
		
	return 0;
}

打印：

Input two numbers:
35 53
max=53

显然，和之前使用if-else语句的效果是一样的。

练习：
输入一个字符，判别它是否大写字母，如果是，将它转换成小写字母；如果不是，则不转换。然后输出最后得到的字符。
代码如下：

#include 

int main() {
	char c, d;
	printf("Input a character:\n");
	scanf("%c", &c);
	d = (c >= 'A' && c <= 'Z')?c + 32:c;
	printf("d=%c", d);
		
	return 0;
}

打印：

Input a character:
F
d=f

五、switch语句

1.基本概念

C语言还提供了另一种用于多分支选择的switch语句，其一般形式为：

switch (表达式) {
    case 常量表达式1:
        语句1;
    case 常量表达式2:
        语句2;
    ...
    case 常量表达式n:
        语句n;
    default:
        语句n+1;
}

其语义是：
计算表达式的值，并逐个与其后的常量表达式值相比较，当表达式的值与某个常量表达式的值相等时，即执行其后的语句，然后不再进行判断，继续执行后面所有case后的语句。
如表达式的值与所有case后的常量表达式均不相同时，则执行default后的语句。
表达式的值可以是int、char和枚举型中的一种。

练习如下：

#include 

int main() {
	int a;
	printf("Input a integer number:\n");
	scanf("%d", &a);
	switch(a){
		case 1: printf("Monday\n");
		case 2: printf("Tuesday\n");
		case 3: printf("Wednesday\n");
		case 4: printf("Thursday\n");
		case 5: printf("Friday\n");
		case 6: printf("Saaturday\n");
		case 7: printf("Sunday\n");
		default:printf("Error\n");		
	}
		
	return 0;
}

打印：

Input a integer number:
3
Wednesday
Thursday
Friday
Saaturday
Sunday
Error

显然，当输入3时，将星期三及以后的所有都打印出来，这显然不是我们想要的，我们需要的是输入3只打印出Wednesday即可，此时需要使用break，用于跳出switch语句。
break语句只有关键字break，没有参数，当匹配到一个条件时，执行完该语句后即退出switch语句。
改进如下：

#include 

int main() {
	int a;
	printf("Input a integer number:\n");
	scanf("%d", &a);
	switch(a){
		case 1: printf("Monday\n");break;
		case 2: printf("Tuesday\n");break;
		case 3: printf("Wednesday\n");break;
		case 4: printf("Thursday\n");break;
		case 5: printf("Friday\n");break;
		case 6: printf("Saaturday\n");break;
		case 7: printf("Sunday\n");break;
		default:printf("Error\n");		
	}
		
	return 0;
}

打印：

Input a integer number:
3
Wednesday

switch中的值除了变量，还可以是表达式，如switch(a + 2)。

2.注意事项

（1）在case后的各常量表达式的值不能相同，否则会出现错误。
（2）在case后，允许有多个语句，可以不用{}括起来，但是建议使用括号包含，使代码结构更美观；如果在case语句中声明变量，此时必须加{}，因为switch中的所有case语句在同一个作用域，所以在某个case下面声明变量的话，其他case语句也能访问到，这样就会导致错误、编译不能通过，加上{}的作用是限定作用域，让局部变量只在某个作用域有效。
（3）各case和default子句的先后顺序可以变动，而不会影响程序执行结果。
（4）default子句可以省略不用。

练习：
计算器程序，用户输入运算数和四则运算符，输出计算结果。
代码如下：

#include 

int main() {
	double a, b;
	char c;
	printf("Input an expression(a+(-*/)b)):\n");
	scanf("%lf%c%lf", &a, &c, &b);
	switch(c){
		case '+':{
			printf("%lf+%lf=%lf", a, b, a + b);
			break;
		}
		case '-':{
			printf("%lf-%lf=%lf", a, b, a - b);
			break;
		}
		case '*':{
			printf("%lf*%lf=%lf", a, b, a * b);
			break;
		}
		case '/':{
			printf("%lf/%lf=%lf", a, b, a / b);
			break;
		}
	}
			
	return 0;
}

打印：

Input an expression(a+(-*/)b)):
3.2/2.3
3.200000/2.300000=1.391304

练习：
输入一个年份，并判断是否为闰年。
实现思路：
判断闰年的条件：能被4整除、但不能被100整除或者能被400整除的年份都是闰年。
代码如下：

#include 

int main() {
	int year, leap; // leap是判断闰年的标志，值为1表示闰年，为0表示非闰年
	printf("Input a year:\n");
	scanf("%d", &year);
	if(year % 4 == 0){
		if(year % 100 == 0){
			if(year % 400 == 0){
				leap = 1;
			}
			else{
				leap = 0;
			}
		}
		else{
			leap = 1;
		}
	}
	else{
		leap = 0;
	}
	if(leap){
		printf("%d is a leap year", year);
	}
	else{
		printf("%d is not a leap year", year);
	}
			
	return 0;
}

打印：

Input a year:
1900
1900 is not a leap year

代码也可以简化如下：

#include 

int main() {
	int year, leap;
	printf("Input a year:\n");
	scanf("%d", &year);
	if(year % 400 == 0 || (year % 4 == 0 && year % 100 != 0)){
		leap = 1;
	}
	else{
		leap = 0;
	}
	if(leap){
		printf("%d is a leap year", year);
	}
	else{
		printf("%d is not a leap year", year);
	}
			
	return 0;
}

练习：
运输公司对用户计算运费。

路程（ｓ）越远，每公里运费越低。标准如下：
s < 250 没有折扣
250 <= s < 500 2%折扣
500 <= s < 1000 5%折扣
1000 <= s < 2000 8%折扣
2000 <= s < 3000 10%折扣
3000 <= s 15%折扣
设每公里每吨货物的基本运费为p，货物重为w，距离为s，
折扣为d，则总运费f的计算公式为：
ｆ＝p * w * s * (1 - d)
代码如下：

#include 

int main() {
	int c, s;
	double p, w, d, f;
	printf("Input fee p, weight w, distance s:\n");
	scanf("%lf, %lf, %d", &p, &w, &s);
	if(s >= 3000){
		c = 12;
	}
	else{
		c = s / 250;
	}
	switch(c){
		case 0:{
			d = 0;
			break;
		}
		case 1:{
			d = 2;
			break;
		}
		case 2:
		case 3:{
			d = 5;
			break;
		}
		case 4:
		case 5:
		case 6:
		case 7:{
			d = 8;
			break;
		}
		case 8:
		case 9:
		case 10:
		case 11:{
			d = 10;
			break;
		}
		case 12:{
			d = 15;
			break;
		}
	}
	f = p * w * s * (1 - d / 100.0);
	printf("Pay is %15.2f", f);
			
	return 0;
}

打印：

Input fee p, weight w, distance s:
20, 3000, 500
Pay is     28500000.00

除了用switch语句，也可以用if语句实现。

练习：
输入某年某月某日，判断这一天是这一年的第几天。
代码如下：

#include 
#include 

int main() {
	int day, month, year, sum, leap;
	printf("Input a date(xxxx-xx-xx):\n");
	scanf("%d-%d-%d", &year, &month, &day);
	switch(month){
		case 1:{
			sum = 0;
			break;
		}
		case 2:{
			sum = 31;
			break;
		}
		case 3:{
			sum = 59;
			break;
		}
		case 4:{
			sum = 90;
			break;
		}
		case 5:{
			sum = 120;
			break;
		}
		case 6:{
			sum = 151;
			break;
		}
		case 7:{
			sum = 181;
			break;
		}
		case 8:{
			sum = 212;
			break;
		}
		case 9:{
			sum = 243;
			break;
		}
		case 10:{
			sum = 273;
			break;
		}
		case 11:{
			sum = 304;
			break;
		}
		case 12:{
			sum = 334;
			break;
		}
		default:{
			printf("Input Error!!!");
			break;
		}
	}
	sum += day;
	if(year % 400 == 0 || year % 4 == 0 && year % 100 != 0){
		leap = 1;
	}
	else{
		leap = 0;
	}
	if(month > 2 && leap){
		sum++;
	}
	printf("sum of days is %d", sum);
			
	return 0;
}

打印：

Input a date(xxxx-xx-xx):
2020-4-21
sum of days is 112