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一、Switch语句

我们在分支结构这一节，介绍了if-else结构及其嵌套。但我们常常碰到这样一些情况：当一个变量等于某个值A时，执行某段代码；当它等于值B时，执行另一段代码，当它等于值C时，执行又一段代码；...。以此类推。如果我们用此前学的if-else语句来实现，代码大致长这样：

if (var == 1) {
    // 执行1的代码
} else if (var == 2) {
    // 执行2的代码
} else if (var == 3) {
    // 执行3的代码
} else if (var == 4) {
    // 执行4的代码
}

虽然通过if-else结构的嵌套，可以实现这样的功能，但代码多少看起来有点冗长，可读性不强。为了解决这个问题，C语言提供了switch语句。

switch语句是分支结构的一种，它的语法结构如下：

switch (expression) {
    case constant1:
        // 当expression等于constant1时执行的代码
        break;
    case constant2:
        // 当expression等于constant2时执行的代码
        break;
    // 可以有任意数量的case语句
    default:
        // default部分并不是必须存在的。
        // 如果expression不等于任何case中的常量，执行这里的代码
        // 如果没有default语句，而expression又没有任何匹配，则switch语句不会执行任何操作。
}

switch语句的工作原理是：计算expression的值，然后将其与每个case标签后的常量进行比较。如果找到匹配的常量，就执行对应的代码块，直到遇到break语句为止。如果没有任何case匹配，则执行default块中的代码（如果有的话）。

例如，这个输入今天星期几的程序，可以用switch语句来实现：

#include <stdio.h>
int main() {
    int day;
    printf("请输入今天是星期几（1-7）：");
    scanf("%d", &day);

    switch (day) {
        case 1:
            printf("今天是星期一\n");
            break;
        case 2:
            printf("今天是星期二\n");
            break;
        case 3:
            printf("今天是星期三\n");
            break;
        case 4:
            printf("今天是星期四\n");
            break;
        case 5:
            printf("今天是星期五\n");
            break;
        case 6:
            printf("今天是星期六\n");
            break;
        case 7:
            printf("今天是星期日\n");
            break;
        default:
            printf("输入无效，请输入1到7之间的数字。\n");
    }

    return 0;
}

二、goto语句

goto语句是一种无条件跳转语句，可以让程序直接跳转到指定的标签位置。我们通过一个简单的例子来说明goto语句的用法：

#include <stdio.h>
int main() {
    printf("这是句子1\n");
    goto skip;      // 跳过下面的代码，直接跳到标签skip处

    printf("这是句子2\n"); // 这行代码将被跳过

skip:               // 标签skip位置
    printf("这是句子3\n");
    return 0;
}

C语言的goto语句是和标签结合起来用的。在这个例子中，程序首先打印"这是句子1"，然后遇到goto skip;语句，程序会跳过"这是句子2"的打印，直接跳到标签skip:处，打印"这是句子3"。

值得说明的是，不同于变量使用必须在声明之后，标签可以出现在goto语句之前或之后。这是因为它们在编译时会被编译器解析，而不是像变量声明那样涉及到内存空间的分配。标签的命名规则和变量类似，但通常建议使用有意义的名字以提高代码可读性。

相当重要的是，goto语句虽然可以简化某些跳转逻辑，但过度使用会导致代码极度难以理解和维护、增加逻辑错误的风险。此外，goto语句可能会导致无法预料的行为，例如跳过变量声明而直接使用变量等等。因此，建议在编写代码时尽量避免使用goto，除非在某些特定情况下（如错误处理）确实需要它。

这已经成为主流编程规范的共识：

"The goto statement should not be used."(不应使用goto语句。) --MISRA C:2012 Rule 15.1
"Finish every set of statements with a break or return rather than a goto."（应使用break或return结束语句块，而不是goto。）--CERT C - MSC17-C

三、常量与const关键字

我们早在1.2时就学习了变量的声明。而与变量相对的是常量。与变量在程序运行过程中，值常常发生改变不同，常量的基本特征是在程序运行时不可改变的量。

常量通常指字面常量、常变量，有时也包含宏常量。

1.字面常量

字面常量（Literal Constants）是指在代码中直接写出的固定值，比如数字、字符或字符串。它们的值在程序运行期间不会改变。例如：

b = a + 5; // 这里的5就是字面常量。它是在源码中"写好"的，不会改变。

又如：

int a = 100; // a是一个整型变量，而右边的100是常量。
// 这句赋值语句是把常量100的值"赋"给变量a，使得它的值成为100。
// a的值可以再变化，但写好的100就是100。

字面常量也有它们对应数据类型的概念，和变量的类型一一对应。例如常见的字面常量类型有：

• 整型常量：如 10, -5, 0
• 浮点型常量：如 3.14, -0.001, 2.0
• 字符常量：如 'A', 'b', '\n'
• 字符串常量：如 "Hello", "C语言"

这些常量固定地"写好"在代码中，编译后其值不会改变。

2.常变量

有时，为了避免在多处重复书写某个数值（如圆周率3.1415926），我们会声明一个变量来简化代码，并便于统一修改（例如改为3.14）。

例如:

float pi = 3.1415926;

不难发现，pi这样的值，在程序执行过程中通常应该不被改变。并且要尽量避免因为内存访问错误的原因，被危险地、不知情地修改。为此，仿照字面常量的特征，C语言提供const关键字，可以将一个变量声明为常变量。

常变量的语法格式为：

const 数据类型 变量名 = 初始值;

例如：

const float pi = 3.1415926;
const int max_students = 100;
const char grade = 'A';

用const修饰的变量具有以下特点：

• 必须在声明时初始化
• 一旦初始化后，值被严格地保护起来，不能被修改
• 如果试图修改常变量的值，编译器会报错

const int num = 10;
num = 20; // 编译错误：不能修改常变量的值

这样一来，对于一些我们不希望被改变的量，我们可以通过定义常变量将它们更好地“保护起来”。

值得说明的是，常变量与字面常量具有一个重要区别：常变量与变量一样，会在内存中分配一块空间存储它的值，而字面常量则会在编译层面直接处理。

3.宏常量

除了字面常量和常变量，C语言还提供了宏常量的概念。使用#define预处理指令可以定义宏常量：

#define PI 3.1415926
#define MAX_SIZE 1000

宏常量在预处理阶段会被直接替换，相当于文本替换。它们在习惯上，通常使用全大写字母命名以区别于变量。

#include <stdio.h>
#define PI 3.1415926

int main() {
    double radius = 5.0;
    double area = PI * radius * radius;
    printf("圆的面积：%.2f\n", area);
    return 0;
}

由于宏常量文本替换的特性，这样一段啼笑皆非的代码是可以被编译通过的：

#define 喵喵喵 main
#define 喵喵 int
#define 喵 (
#define 喵喵呜 )
#define 喵喵喵喵 {
#define 喵呜喵 }
#define 呜 printf
#define 呜呜 "喵喵喵!"
#define 呜呜呜 return
#define 呜喵 0
#define 喵呜 ;

#include <stdio.h>
喵喵 喵喵喵 喵 喵喵呜
喵喵喵喵
呜 喵 呜呜 喵喵呜 喵呜
呜呜呜 呜喵 喵呜
喵呜喵

运行结果是输出喵喵喵!。

由于宏定义”文本替换“的特性，宏常量和字面常量一样，都是在编译层面处理，而不像常变量涉及到内存空间的分配。

三种常量各有千秋，而合理使用常量是良好的编程习惯。

四、三元运算符

三元运算符（Ternary Operator）是C语言中一种简洁的条件表达式，也被称为条件运算符。它是唯一一个需要三个操作数的运算符，语法格式为：

条件表达式 ? 表达式1 : 表达式2

工作原理：

• 如果条件表达式为真（非零），则整个三元表达式等于表达式1的值
• 如果条件表达式为假（零），则整个三元表达式等于表达式2的值

例如，以下代码使用三元运算符找出两个数中的最大值：

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 10, b = 20;
    int max = (a > b) ? a : b;
    printf("最大值是：%d\n", max);
    return 0;
}

这等价于使用if-else语句：

int max;
if (a > b) {
    max = a;
} else {
    max = b;
}

三元运算符的优势在于：

• 简洁性：一行代码就能完成简单的条件判断
• 表达式性质（重要！）：可以直接用在赋值、函数参数等需要表达式的地方

更多应用示例：

// 判断奇偶数
int num = 15;
printf("%d是%s数\n", num, (num % 2 == 0) ? "偶" : "奇");

// 绝对值计算
int x = -5;
int abs_x = (x >= 0) ? x : -x;

// 三元运算符的嵌套（不推荐过度使用）
int score = 85;
char grade = (score >= 90) ? 'A' : (score >= 80) ? 'B' : 'C';

需要注意的是，虽然三元运算符可以使代码更加简洁，但过度使用或嵌套使用会降低代码的可读性。建议在简单的条件判断中使用，复杂的逻辑仍应使用if-else语句。

五、typedef关键字

在C语言中，我们已经熟悉一些常见的数据类型，如int、float、char等。但从字面上，它们只含有“整数”、“小数”、“字符”的意思。

考虑这样一个例子，我们用一个八位整数来存储某一天的日期。例如20250901、20251225等。虽然我们可以直接使用int类型来存储这些值，但从代码可读性的角度来看，直接使用int并不能清晰地表达出这个变量的含义。

为了解决这个问题，我们可以使用typedef关键字为这种特定含义的类型定义一个新的名称。例如：

typedef int Date; // 定义一个新的类型Date，实际上是int的别名

这样，我们就可以用Date来表示日期类型，而不是使用int，即使它本质上还是int。这使得代码更加清晰易懂。

Date today = 20250901;

typedef的语法格式为：

typedef 原有类型 新类型名;

这样，我们就对C语言原有的类型进行了重新命名。typedef并不会创建新的数据类型，它只是为现有类型创建一个新的名字。

typedef有利有弊：

• 优点：
  • 提高代码可读性：通过有意义的类型名，代码更容易理解。
  • 便于维护：如果需要更改底层类型，只需修改typedef定义即可。
  • 简化复杂类型的使用：对于后续要学习的结构体、指针等复杂类型，typedef可以简化声明。
• 缺点：
  • 可能增加理解难度：在代码中突然出现用typedef定义的类型，需要查找其定义，看看到底是什么基本数据类型，增加理解成本。

六、显式与隐式类型转换

在C语言中，类型转换是指将一种数据类型的值转换为另一种数据类型的过程。类型转换分为两种：隐式类型转换和显式类型转换。

1.隐式类型转换

隐式类型转换（Implicit Type Conversion），也称为自动类型转换，是指编译器在表达式中自动进行的类型转换。当不同类型的数据参与运算时，编译器会根据一定的规则将它们转换为相同的类型，以确保运算的正确性。

例如：

int a = 5;
float b = 2.5;
float c = a + b; // 隐式类型转换，将a中本是int类型的5，在计算时自动转换为float类型5.0，然后与b相加。

又例如：

char ch = 'A'; // 字符'A'的ASCII值是65
int ascii_value = ch; // 隐式类型转换，将char类型的ch转换为int类型65

2.显式类型转换

显式类型转换（Explicit Type Conversion），也称为强制类型转换，是指程序员通过类型转换运算符，明确地将一种数据类型转换为另一种数据类型。显式类型转换的语法格式为：

(目标类型) 表达式

例如：

int a = 10;
int b = 3;
float c = (float)a / (float)b; // 显式类型转换，(float)a和(float)b都看作float类型计算

七、一些系统函数

C语言标准库（头文件）提供了许多有用的系统函数，帮助我们完成各种任务。以下是一些常用的系统函数：

1. 标准输入输出库（stdio.h）

在前面的章节中，我们已经多次使用了printf和scanf函数，它们都是标准输入输出库中的函数。这个库还包含其他一些有用的函数：

• getchar(void);：从标准输入读取一个字符
• putchar(int char);：向标准输出写入一个字符
• puts(const char *str);：向标准输出写入一个字符串，并在末尾自动添加换行符
• gets(char *str);：从标准输入读取一行字符串（不推荐使用，存在读取错误的风险），已被C11标准移除。

2. 数学函数库（math.h）

数学函数库提供了各种数学运算函数，如：

• sqrt(double x);：计算平方根
• pow(double base, double exp);：计算幂
• sin(double x);：计算正弦值
• cos(double x);：计算余弦值
• tan(double x);：计算正切值
• log(double x);：计算自然对数
• exp(double x);：计算e的x次幂
• fabs(double x);：计算绝对值
• ceil(double x);：向上取整
• floor(double x);：向下取整
• round(double x);：四舍五入
• fmod(double x, double y);：计算x除以y的余数

值得说明的是：

• 使用这些函数时，需要包含头文件#include <math.h>。
• math.h库中的函数大多以double作为返回类型，特别地，在上面列出的所有函数返回值均是double类型。即使像向上取整、向下取整这样的函数，返回值也是double类型。

3. 时间库（time.h）

时间库提供了处理时间和日期的函数，如：

• time(NULL);：获取当前时间（自1970年1月1日以来的秒数）

4. 标准常用库（stdlib.h）

标准常用库提供了一些常用的实用函数，如：

• abs(int x);：计算整数的绝对值
• rand();：生成一个随机整数
• srand(unsigned int seed);：设置随机数种子
• exit(int status);：终止程序执行，并返回值status给操作系统。类似于在main函数中使用return status;语句。

这里值得说明的是，rand()函数生成的随机数是伪随机数，原理是从一串足够长的“随机”序列中顺序读数。

随机数序列取决于 “种子值”（Seed），如果不加处理，这个值默认为1，也就是每次运行程序时，这个“随机”序列都是相同的。

例如，可能第一次运行一个程序，这个程序调用三次，rand()函数，生成了三个随机数，如31、293、5；第二次运行这个程序，生成的随机数序列没有变，因此调用rand()函数得到的伪随机数序列还是一样为31、293、5、...。

为了获得不同的随机数序列，可以使用srand()函数设置不同的“种子”值。通常，我们会用当前时间来设置种子值，因为时间总是在变化的。

例如：

#include 
#include 
#include 
int main() {
    srand((unsigned int)time(NULL)); // 用当前时间作为随机数种子

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        int random_num = rand(); // 生成随机数
        printf("%d\n", random_num);
    }

    return 0;
}