Transcript CHppt\ch5

第五章
控制結構
陳維魁 博士
[email protected]
儒林圖書公司
1
大綱





結構化程式設計
結構化程式設計的基本結構
反覆結構
流程圖
精選習題
2
結構化程式設計

定義


注意事項


當採用結構化程式設計法來設計程式時，應當儘量避
免使用GOTO命令，以避免破壞程式的可讀性及結構性。
優點


從事程式設計的過程中，依照程式的邏輯特性將程式
細分成幾個較小的問題，再將這些較小的問題同樣依
照程式的邏輯特性再往下細分成更小的問題，依此類
推直到很容易編寫程式的單元時為止。
程式可分工、容易除錯、可讀性較高及較易維護
缺點

程式碼較長及執行時間較久
3
結構化程式設計的基本結構

基本結構共有三類

循序結構(sequential structure)


敘述會按照先後順序來執行
選擇結構(selection structure)
單路選擇
 雙路選擇
 多重選擇


反覆結構(iteration structure)
前測迴路
 後測迴路

4
循序結構
循序執行的程式段即為循序結構
 範例
敘述-1;
敘述-2;
…
敘述-n;
以上n條敘述按照敘述-1、敘述-2、…、敘
述-n的順序執行

5
選擇結構

選擇結構可分為



單路選擇
雙路選擇
多重選擇
6
單路選擇結構

意義


條件成立時有相對應的敘述必須被處理，但是當條件
不成立時則沒有相對應的敘述要處理，因此稱為單路
選擇
範例




Pascal語言
 if 條件 then 敘述
C/C++/Java語言
 if (條件) 敘述
Basic語言
 if 條件 then 行號或敘述
Algol 60語言
 if 條件 then敘述
以上的單路選擇敘述均代表條件成立時執行對應之敘述，但若條件不
成立則直接執行if的下一條敘述
7
雙路選擇結構

意義


條件成立時有相對應的敘述必須被處理，而且當條件
不成立時也有相對應的敘述要處理，因此稱為雙路選
擇
範例




Pascal
 if 條件 then 敘述1 else 敘述2
C/C++/Java

if (條件) 敘述1；else 敘述2
BASIC

if 條件 then 行號或敘述 else 行號或敘述
Algol 60

if 條件 then敘述1 else敘述2
8
範例
若A=-5，B=5，則執行完下列程式後，A、B變成多
少？(A)5,5 (B) -5,-5 (C) 5,-5 (D) 15,5
if (A<0)
if (B<0) A=B; else B=A;
else A=B+10;
執行B=A
A不變=-5, B=-5
9
範例
(1)執行下列程式所印出之值為何？ G=2
(2)若將S的值改為85，則印出之值又將為何？
(3)又若將S的值改為65，則結果為何？
S=30;
G=2;
IF S> =60 THEN IF S> =70 THEN
G=4
ELSE G=6;
WRITELN(G);
1.Pascal ELSE和第二個IF一起,都沒執行,因此G=2
2.85>=70 G=4
3. 65小於70,執行ELSE G=6
10
範例

執行右側的Java程
式，可能得到幾種
不同的V值，分別
為何？使V值為1的
條件為何？(將條件
盡量簡化)

!L and !S
!C and !S

V=1;
if (C && L)
V=2;
else if (! C) {
if (S && Y)
V=3;
else if (S && (! Y))
V=4; }
11
範例
底下的C程式會讓變數X之值為何？
if (((3>2) && (2<2))∣∣(5==6)∣∣((5>4) && 3)) x=3; else x=4;
只要其中一個成立就可以成立，((3>2) && (2<2))成立
因此執行x=3
12
多重選擇結構


多重選擇結構一般是指case結構
Algol W首創case結構
13
多重選擇結構 -- Algol W

Algol W的case結構語法如下：
case <整數運算式> of
begin
exp 1;
exp 2;
...
exp n;
end;
其中case的選擇項一定必須是整數運算式，此點
大大限制了case敘述的使用彈性。當選擇項的值
為1時執行exp 1，為2時執行exp 2,...,為n時則執行
exp n
14
多重選擇結構 -- Pascal





Pascal語言提供的case敘述語法如下：
case <選擇運算式> of
<選擇標記1>: 敘述1;
<選擇標記2>: 敘述2;
......
<選擇標記n-1>: 敘述(n-1)
〔else 敘述n〕
end;
以上case敘述代表當<選擇運算式>＝<選擇標記1>時執行“敘述1”，若<選擇運算式>＝<選擇標記2>時執行“敘述-2”，….，若<
選擇運算式>＝<選擇標記n-1>時執行“敘述-(n-1)”
但若<選擇運算式>與所有的<選擇標記>皆不符合時則執行時執
行“敘述-n”(假如“else”部份存在)
Pascal語言的case敘述屬於內隱分歧(implicit branch)結構
運算式的型態：整數，布林值，字元、列舉式資料型態或子範圍
皆可
15











Case number of
1,3,4 : begin
oddnumber:=oddnumber+1
oddsum:=oddsum+number
end;
2,4,6 : begin
evennumber:=evennumber+1
evensum:=evensum+number
end
else writeln(‘error input’)
End;
16
多重選擇結構 – C/C++/Java





C/C++/Java 語言提供的多重選擇結構語法
switch (<選擇運算式>)
{
case(選擇標記1): 敘述1;
break;
case(選擇標記2): 敘述2;
break;
.....
case(選擇標記n-1): 敘述(n-1);
break;
[default: 敘述n;]
}
以上switch敘述代表，當<選擇運算式>＝<選擇標記1>時執行“敘述1”，若<選擇
運算式>＝<選擇標記2>時執行“敘述2”，….，若<選擇運算式>＝<選擇標記n-1>
時執行“敘述(n-1)”
但若<選擇運算式>與所有的<選擇標記>皆不符合時則執行時執行“敘述n”(假如
“default”部份存在)。
switch敘述屬於外顯分歧(explicit branch)結構
switch結構中之敘述為單一或複合敘述皆可
17














Switch (number)
{
case(1,3,5):{
oddnumber=oddnumber+1;
oddsum=oddsum+number;
}
break;
case(2,4,6):{
evennumber=evennumber+1;
evensum=evensum+number;
}
break;
default:printf(“error input”);
}
18
多重選擇結構 – ADA
Ada語言的case結構之語法結構
case 運算式 is
{when 選擇 {∣選擇}敘述}
end case
 “運算式”可為整數或列舉式資料的型態
 可利用“others”來減少未定義之情況

19
多重選擇結構設計時應注意的事項





選擇運算式允許的型態為何？
是否允許由 CASE 標記內,跳出到外部結
構？
是否允許外部結構跳入 CASE 標記內？
標記間是否必須彼此互斥 (disjoint)？
是否提供“default”或“else”等未定義情
況？
20
反覆結構

定義


反覆結構(iteration structure)是指讓一個或一群
敘述能夠反覆的執行之敘述群
種類


前測迴路
後測迴路
21
前測迴路(pre-test loop)

特性



迴圈執行的最少次數是0次
最多次數是無限多次
一般程式語言常見的前測迴路可分為二類


while-loop
for-loop
22
Pascal 的 while-loop
語法
while <條件> do
begin
迴圈敘述
end;
 執行while loop時會先測試<條件>是否成立，
當<條件>成立時，才會進入迴圈敘述執行，
否則跳出迴圈結構，所以while loop可能一
次也不執行

23
C/C++/Java 的 while-loop


語法
while (<條件>)
{
迴圈敘述
}
執行while loop時會先測試<條件>是否成立，
當<條件>成立時，才會進入迴圈敘述執行，
否則跳出迴圈結構，所以while loop可能一
次也不執行
24
Basic 的 while-loop


語法
while <條件>
迴圈敘述
wend
執行while loop時會先測試<條件>是否成立，
當<條件>成立時，才會進入迴圈敘述執行，
否則跳出迴圈結構，所以while loop可能一
次也不執行
25
while loop 重要特性

迴圈執行之次數事先可不知
26





i:=0;
While i<=20 do
i:=i+5;
Writeln(i);
i執行的值0,5,10,15,20最後變成25時候
不再進入迴圈
27
範例

右側程式段執行完畢
後，S=？

I從7開始每次加3直到
127 共41次
S的值7+10+13….+127


S = 0;
I = 7;
while (I <= 127) {
S := S+I;
I := I+3;
}
28
Pascal 的 for-loop
第一種
for 控制變數 := <初值> to <終值> do
begin
迴圈敘述
end;
第二種
for 控制變數 := <初值> downto <終值> do
begin
迴圈敘述
end;
變數每次遞增之值需在程式中控制，而非在“for statement”中控制
29






S:=0;
For i:=1 to10 do
S:=S+1
S:=0;
For i:=10 downto 1 do
S:=S+1;
30






J:=10;
for i:=3 to 13 do
J:=J+i
Writeln(j);
i執行的值3,4,5…13共11次
J=10+3+4…+13
31
C/C++/Java 的 for-loop

語法
for (exp1;exp2;exp3)
{
迴圈敘述
}
exp1：設定控制變數之初值
exp2：設定迴圈執行時，控制變數之範圍
exp3：設定控制變數變化的情況
32

For (i=1;i<=5;i++)
{
}

共執行五次


33

SUM=0;
For (I=-5;I<=154;I=I+3)
SUM=SUM+I;

I的值-5,-2,1…154 共執行54次


34

S=0;
For (I=7;I<=127;I=I+3)
S=S+I;

S的值7,10…127執行41次


35
Basic 的 for-loop

語法
FOR 控制變數 = 初值 TO 終值 STEP 遞增量
迴圈敘述
NEXT 控制變數
當遞增量>=0時，控制變數<=終值，執行
迴圈敘述
當遞增量<0時，控制變數>=終值，執行迴
圈敘述
36
範例





BASIC程式片段
如右，試計算
出當程式執行
後，何數將被
印出？
I=11,18…123
執行17次
S=11+18….123
1139
10 S = 0
20 FOR I = 11 TO 123 STEP 7
30 S = S+I
40 NEXT I
50 PRINT S
37
範例

右列BASIC程式
中K=K+I＊J將
被執行多少次？

I=1,4
J=5,3,1
共執行6次


10 FOR I=1 TO 6 STEP 3
20 FOR J=5 TO 0 STEP-2
30
K=K+I*J
40 NEXT J
50 NEXT I
38
範例
10 S=0
20 FOR I=7 TO 127 STEP 3
30 S=S+I
40 NEXT I
50 PRINT S
60 END
請問S=？
I執行7,10,13,…127 共41次
S=7+10….127=2747
39
Fortran 77 的 DO-loop





Fortran 77“DO-loop”即一般高階語言的“for-loop”
語法
Do label控制變數=初值,終值,增值
迴圈敘述
label continue
DO loop的特性為控制變數的型態可以是整數、單精確度
型態
控制變數在Do loop中可變更，僅能由Do敘述進入Do loop
中(即“單一入口”之規定)
Fortran 77的Do loop結構中的迴圈敘述可能一次也未能執行，
也就是說Fortran 77的DO loop是前測迴路
40


DO 100 I=10,30,5
I執行10,15,20,25,30共五次
41









K=0
DO 10 I=1,6
IF (K) 1,2,3
1 K=K+4
GOTO 10
2 K=K-3
GOTO 10
3 K=3*K-1
10 CONTINUE
K<0 goto 1
K=0 goto 2
K>0 goto 3
I從1到6執行
I=1 K開始0 執行2 K=-3
I=2 K=-3 執行1 K=1
I=3 K=1 執行3 K=2
I=4 K=2 執行3 K=5
I=5 K=5 執行3 K=14
I=6 K=14 執行3 K=41
42
Algol 60 的 for-loop

語法
for敘述::=for控制變數:= <list-element> {,<list-element>}do <stmt>
<list-element>::= <exp>∣<exp> step <exp> until <exp>∣<exp>
while <Boolean-exp>




Algol 60“for loop”的特性為前測迴路
控制變數的型態可以是整數或實數
控制變數在Do loop中能改變
可利用GOTO敘述跳躍至迴圈敘述內
43
Ada 的 for-loop




語法
for 控制變數 in 〔reverse〕 範圍
loop
迴圈敘述
end loop
控制變數的型態必須是整數或列舉式資料型態
控制變數在Do loop中不能改變
不可利用GOTO敘述跳躍進入迴圈敘述
44

For I in 1…100
Loop
SUM:=SUM+I;
End loop

SUM=1+2…100



45
PL/1語言的 for-loop語法






(1) DO控制變數=初值 TO 終值 BY 增值
(2) DO I =1 TO 100
END;
(3) DO I=1 BY 1 無窮迴圈
(4) DO I=1,3,5,7,9
END;
I 在這五個值執行
46
後測迴路 (post-test loop)

特性


迴圈執行的最少次數是1次
最多次數是無限多次
47
Pascal 的後測迴路


語法
repeat
迴圈敘述
until <條件>
先執行迴圈敘述再檢查<條件>，<條件>不
成立時執行迴圈敘述，當<條件>成立時將
離開迴圈結構
48
C/C++/Java 的後測迴路

語法
do
{
迴圈敘述

}
while (<條件>)
先執行迴圈敘述再檢查<條件>，<條件>成
立時執行迴圈敘述，當<條件>不成立時將
離開迴圈結構
49
Fortran IV 的 DO-loop
語法
Do label控制變數=初值,終值,增值
迴圈敘述
label continue
 控制變數的型態必須是整數
 控制變數在Do loop中不能改變
 可利用GOTO敘述離開迴圈敘述
 最特別的是Fortran IV的Do loop結構中的迴圈敘述至少會
執行一次，也就是說Fortran IV的DO loop其實是後測迴路，
這種作法，大大地違背了程式設計師的習慣用法，因此在
Fortran 77便已將“DO loop”改為前測迴路

50
流程圖(flow chart)

主要的功用是發展程式時可利用流程圖來
做為分析的工具，而且讓維護工作較容易
且容易除錯
51
常見的流程圖符號

開始/結束符號

輸入/輸出符號

敘述符號

連接符號

副程式

流向符號

條件判斷符號
52
精選習題



請簡述GOTO敘述的分類
(a) 非條件的GOTO：
即不需檢查條件是否成立，而執行GOTO敘述後之標記
(label)所指定的敘述稱之。
例：GOTO 10
即直接跳躍到標記10的地方執行。
(b) 條件的GOTO：
當條件成立時才跳到GOTO敘述後之標記所指到的敘述執行
。
例：IF <條件> THEN GOTO 10
在條件成立時才會跳躍到標記10的地方執行
53












GOTO結構有何利弊，舉出四種可以
取代GOTO結構的流程控制敘述指令
(1)
GOTO結構的優點：
a.
在小程式中，使用GOTO敘述可簡化程式的製作。
b.
可與硬體指令JUMP配合，所以執行效率較高。
c.
可以改變任何一種控制結構。
d.
易學、易用。
(2)
GOTO結構的缺點：
a.
程式中敘述的順序與執行的順序不能互相對應，所以破壞了程式的結構性。
b.
由於程式不具結構性所以程式的可讀性，可靠性皆低，更重要的是不易維護。
(3)
可替代GOTO結構的流程控制如下：
a.
case structure
b.
while loop
其結構如下：
while <條件> do
begin

end
c.
repeat...until
其結構如下：
repeat

until <條件>
d.
for loop
for <變數>=<初值> TO <終值> Step <增值> do
begin
end
54

試舉一例說明何謂無窮迴路(infinite
loop)？

以Pascal語言為例：
while true do
begin
end;
上例中由於while loop中的條件式恆成立
(true)所以為一無窮迴路。
55


6.
執行底下的C程式後，變數Z的值為何？
x＝50;
y＝0;
for(i＝1;i<=10;i＋＋)
y＋＝i;
z＝(x > y) ？ x＋y : x-y; (20分)
x＝50;
y＝0;
for(i＝1;i<=10;i＋＋)
y＋＝i;
執行以下程式後，y=55
所以答案為-5。
56




.
設以下為一Pascal程式則輸出結果sum？
sum：= 0;
for k：= 1 to N-1
for i：= k+1 to N
for j：= k+1 to N
sum：= sum+1
已知N=0
已知N=0
∴程式可知為
sum:=0;
for k=1 to –1
for I = k+1 to 0
for j = k+1 to 0
sum:=sum+1
∴for loop一次也不執行
故sum=0
57


計算下列各程式片段執行之次數
for i = 1 to n do
j=1
for k = j+1 to n do
x=x+1
end
end
n×(n-1)
58


請寫出下列BASIC程式的執行結果：
10 DIM X(3, 4)
20 LET L = 1
30 FOR I = 1 TO 3
這是一個雙層的for loop程式段，內
40 FOR J =1 TO 4 層的for loop會執行4次(當J=1~4
50
X(I,J) = L
時)，外層的for loop則會執行3次
60
PRINT X (I,J); (當I=1~3時)，所以整個loop共會
70
LET L =L + 1 執行12次(3*4)。而每次當loop敘
述被執行時均會設定X(I , J)的值為
80 NEXT J
L並將其值印出而由於輸出敘述為
90 NEXT I
“PRINT X(I , J)；”其中含有
100 PRINT
“；”表示輸出結果後不換行，因
110 END
此答案為 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 12。
59





10 K=0
20 FOR I=3 TO 38
30 K=K+I
40 NEXT I
50 WRITE K
問
(1) (a)執行完後30敘述共執行幾次？(b) K值為何？
(2) 若20敘述改為FOR I=-3 TO –9，問結果K為何，20敘述共
執行幾次？
(3) 若改為FOR I=-6 TO 6問結果K為何，20敘述共執行幾次？
(4) 若改為FOR I=3 TO 36 STEP 3，問結果K為何，20敘述共
執行幾次？
60




(1) a.
因為FOR敘述的計數控制由3～38，∴30敘述會執行
38-3+1=36次。
b.
K＝738
(2) For I=-3 TO –9
會使得初值>終值，所以loop一次也不執行，故K=0，而20敘述則
會執行一次。
(3) For I=-6 To 6
K＝-6+(-5)+(-4)+…+(-1)+0+1+…+4+5+6 = 0
而20敘述則會執行14次(須加上一次不合的I值測試)
(4) For I=3 To 36 STEP 3
K＝3+6+…+36
利用等差級數公式求項數
已知an = a1+(n-1)×d
其中an是末項，a1是首項，n是項數，d是公差。
∴36＝3+(n-1)×3
33＝(n-1)×3
∴n＝12
61
∴K＝234，而20敘述會執行12+1=13次







說明FORTRAN IV和FORTRAN 77 之DO迴
圈的不同之處。
Fortran IV和Fortran 77都是Fortran語言僅是版本不同而
已。
Fortran 77是較新的版本其較Fortran IV所增加的功能如下
：
(1) 多增加了Block-IF instruction故較Fortran IV具結構
化的概念。
(2) I/O instruction允許算術運算式存在。
(3) 具有Free Format的I/O指令。
分析Fortran IV與Fortran 77迴圈的作法知Fortran IV至少
會執行其迴圈敘述一次，而Fortran 77則可能一次也不執行62




試問C語言和Pascal語言的for loop有何
不同？二種語言不同設計的主要理由
為何？
(1) C語言的for敘述之語法：請參考本章之內容。
(2) Pascal語言的for敘述之語法：請參考本章之
內容。
(3) 結論：C語言允許for loop中控制變數之值的
變化較有彈性，而Pascal語言則只允許for loop中
控制變數之值的變化情形為加一或減一因此較為單
純。
63



下列FORTRAN迴圈執行幾次？結果K值為
何？
DO 100 I=5, 40,7
K=0
K=K+I
100 CONTINUE
(1) 當I=5, 12, 19, 26, 33, 40時執行loop，故共執行了
六次。
(2) 每次進入迴圈皆將K值重新設定為0
∴K=K+I→K=I，所以最後結果K=40。
64

將下列部份程式寫成部份流程圖：
50 IF 布耳算式 1 THEN 敘述 1: GOTO 70
60 IF 布耳算式 2 THEN 敘述 2 ELSE 敘述 3
70 敘述 4
65