零基础C++(17) 语句和作用域

1. 简单语句

1.1 表达式语句

描述：在 C++ 中，最常见的简单语句是表达式语句。它由一个表达式组成，并以分号结束。表达式语句可以包括函数调用、赋值操作、增减操作等。

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    int a = 5;          // 赋值表达式语句
    a = a + 10;         // 赋值表达式语句
    std::cout << a;     // 函数调用表达式语句
    return 0;           // return 表达式语句
}

讲解：

int a = 5; 初始化变量 a，这是一个赋值表达式语句。
a = a + 10; 更新变量 a 的值。
std::cout << a; 调用了输出流对象的 << 运算符函数。
return 0; 从 main 函数返回，结束程序。

1.2 声明语句

描述：声明语句用于声明变量、函数、类等标识符。

示例代码：

#include <iostream>

// 函数声明
int add(int x, int y);

int main() {
    int result = add(3, 4); // 调用函数
    std::cout << "Result: " << result;
    return 0;
}

// 函数定义
int add(int x, int y) {
    return x + y;
}

讲解：

int add(int x, int y); 是一个函数声明语句。
int result = add(3, 4); 在 main 中调用函数并声明变量。
int add(int x, int y) { ... } 是函数定义，提供了函数的实现。

2. 语句作用域

2.1 作用域的基本概念

描述：作用域定义了变量或其他标识符在程序中的可见范围。C++ 中主要有以下几种作用域：

**局部作用域 (Local Scope)**：在函数或代码块内部定义的变量，仅在其所在的块内可见。
**全局作用域 (Global Scope)**：在所有函数外部定义的变量，在整个文件中可见。
**命名空间作用域 (Namespace Scope)**：在命名空间内部定义的标识符。

2.2 代码示例

#include <iostream>

// 全局变量
int globalVar = 10;

void display() {
    // 局部变量
    int localVar = 5;
    std::cout << "Inside display() - globalVar: " << globalVar << ", localVar: " << localVar << std::endl;
}

int main() {
    std::cout << "In main() - globalVar: " << globalVar << std::endl;
    // 局部变量
    int mainVar = 20;
    std::cout << "In main() - mainVar: " << mainVar << std::endl;

    display();

    // 尝试访问 display() 中的局部变量（将导致编译错误）
    // std::cout << localVar; // 错误：未定义标识符

    return 0;
}

预期输出：

1
2
3

In main() - globalVar: 10
In main() - mainVar: 20
Inside display() - globalVar: 10, localVar: 5

讲解：

globalVar 在所有函数中都可见。
mainVar 仅在 main 函数内部可见。
localVar 仅在 display 函数内部可见。
尝试在 main 中访问 display 函数的 localVar 将导致编译错误，因为它不在作用域内。

2.3 代码块作用域

描述：通过使用花括号 {}，可以创建新的代码块，从而定义局部作用域。

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    int x = 10;
    std::cout << "x before block: " << x << std::endl;

    {
        // 新的代码块
        int x = 20; // 局部变量 x，隐藏外部的 x
        std::cout << "x inside block: " << x << std::endl;
    }

    std::cout << "x after block: " << x << std::endl; // 访问外部的 x

    return 0;
}

预期输出：

1
2
3

x before block: 10
x inside block: 20
x after block: 10

讲解：

在内部代码块中重新声明了变量 x，该 x 只在代码块内有效，隐藏了外部的 x。
离开代码块后，内部的 x 不再可见，外部的 x 依然有效。

3. 条件语句

C++ 提供了多种条件语句，用于根据不同的条件执行不同的代码块。

3.1 `if` 语句

描述：if 语句用于在条件为真时执行特定的代码块。

语法：

1
2
3

if (condition) {
    // code to execute if condition is true
}

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    int number;
    std::cout << "Enter a number: ";
    std::cin >> number;

    if (number > 0) {
        std::cout << "The number is positive." << std::endl;
    }

    return 0;
}

讲解：

用户输入一个数字，如果 number 大于 0，则输出 “The number is positive.”。

3.2 `if-else` 语句

描述：if-else 语句在条件为假时执行另一个代码块。

语法：

if (condition) {
    // code to execute if condition is true
} else {
    // code to execute if condition is false
}

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    int number;
    std::cout << "Enter a number: ";
    std::cin >> number;

    if (number % 2 == 0) {
        std::cout << number << " is even." << std::endl;
    } else {
        std::cout << number << " is odd." << std::endl;
    }

    return 0;
}

讲解：

判断输入的数字是奇数还是偶数，并输出相应的结果。

3.3 `else if` 语句

描述：else if 允许在多重条件下执行不同的代码块。

语法：

if (condition1) {
    // code if condition1 is true
} else if (condition2) {
    // code if condition1 is false and condition2 is true
} else {
    // code if both condition1 and condition2 are false
}

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    int score;
    std::cout << "Enter your score (0-100): ";
    std::cin >> score;

    if (score >= 90) {
        std::cout << "Grade: A" << std::endl;
    } else if (score >= 80) {
        std::cout << "Grade: B" << std::endl;
    } else if (score >= 70) {
        std::cout << "Grade: C" << std::endl;
    } else if (score >= 60) {
        std::cout << "Grade: D" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Grade: F" << std::endl;
    }

    return 0;
}

讲解：

根据分数范围判断并输出相应的等级。

3.4 `switch` 语句

描述：switch 语句根据变量的值选择执行的代码块，适用于离散的值。

语法：

switch (expression) {
    case constant1:
        // code
        break;
    case constant2:
        // code
        break;
    // ...
    default:
        // code
}

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    char grade;
    std::cout << "Enter your grade (A, B, C, D, F): ";
    std::cin >> grade;

    switch (grade) {
        case 'A':
            std::cout << "Excellent!" << std::endl;
            break;
        case 'B':
            std::cout << "Good!" << std::endl;
            break;
        case 'C':
            std::cout << "Fair!" << std::endl;
            break;
        case 'D':
            std::cout << "Poor!" << std::endl;
            break;
        case 'F':
            std::cout << "Fail!" << std::endl;
            break;
        default:
            std::cout << "Invalid grade." << std::endl;
    }

    return 0;
}

讲解：

根据输入的字母等级输出相应的评价。
break 语句防止代码“掉入”下一个 case 中。

4. 迭代语句

C++ 提供了多种循环结构，用于重复执行代码块。

4.1 `for` 循环

描述：for 循环用于已知循环次数的情况，结构紧凑。

语法：

1
2
3

for (initialization; condition; increment) {
    // code to execute
}

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "Counting from 1 to 5:" << std::endl;

    for (int i = 1; i <= 5; ++i) {
        std::cout << i << " ";
    }

    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

预期输出：

1 2	Counting from 1 to 5: 1 2 3 4 5

讲解：

初始化 int i = 1。
条件 i <= 5 为真时执行循环体。
每次循环后执行 ++i，增加 i 的值。
最终输出 1 到 5。

4.2 `while` 循环

描述：while 循环在循环前判断条件，适合未知循环次数的情况。

语法：

1
2
3

while (condition) {
    // code to execute
}

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    int count = 1;
    std::cout << "Counting from 1 to 5 using while loop:" << std::endl;

    while (count <= 5) {
        std::cout << count << " ";
        ++count;
    }

    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

预期输出：

1 2	Counting from 1 to 5 using while loop: 1 2 3 4 5

讲解：

初始化 count = 1。
条件 count <= 5 为真时执行循环体。
每次循环后 ++count 增加 count 的值。

4.3 `do-while` 循环

描述：do-while 循环在循环后判断条件，保证至少执行一次循环体。

语法：

1
2
3

do {
    // code to execute
} while (condition);

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    int count = 1;
    std::cout << "Counting from 1 to 5 using do-while loop:" << std::endl;

    do {
        std::cout << count << " ";
        ++count;
    } while (count <= 5);

    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

预期输出：

1 2	Counting from 1 to 5 using do-while loop: 1 2 3 4 5

讲解：

无论条件是否为真，do 块中的代码至少执行一次。
在本例中，count 从 1 开始，逐步增加到 5。

4.4 嵌套循环

描述：一个循环内部嵌套另一个循环，常用于多维数据结构的遍历。

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    for (int i = 1; i <= 3; ++i) {
        std::cout << "Outer loop iteration " << i << ":" << std::endl;
        for (int j = 1; j <= 2; ++j) {
            std::cout << "  Inner loop iteration " << j << std::endl;
        }
    }
    return 0;
}

预期输出：

Outer loop iteration 1:
  Inner loop iteration 1
  Inner loop iteration 2
Outer loop iteration 2:
  Inner loop iteration 1
  Inner loop iteration 2
Outer loop iteration 3:
  Inner loop iteration 1
  Inner loop iteration 2

讲解：

外层 for 循环控制外层迭代次数。
内层 for 循环在每次外层循环中执行，控制内层迭代次数。

5. 跳转语句

跳转语句用于改变程序的执行流。C++ 中主要有 break、continue、return 和 goto。

5.1 `break` 语句

描述：break 用于立即终止最近的循环或 switch 语句。

示例代码（在循环中使用 break）：

#include <iostream>

int main() {
    for (int i = 1; i <= 10; ++i) {
        if (i == 5) {
            break; // 结束循环
        }
        std::cout << i << " ";
    }
    std::cout << "\nLoop exited when i == 5." << std::endl;
    return 0;
}

预期输出：

1 2	1 2 3 4 Loop exited when i == 5.

讲解：

当 i 达到 5 时，break 终止循环，停止进一步的迭代。

5.2 `continue` 语句

描述：continue 用于跳过当前的循环迭代，继续下一次循环。

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "Even numbers between 1 and 10:" << std::endl;
    for (int i = 1; i <= 10; ++i) {
        if (i % 2 != 0) {
            continue; // 跳过奇数
        }
        std::cout << i << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

预期输出：

1 2	Even numbers between 1 and 10: 2 4 6 8 10

讲解：

当 i 是奇数时，continue 跳过本次循环，避免执行 std::cout 语句。
仅输出偶数。

5.3 `return` 语句

描述：return 用于从函数中返回一个值或结束函数执行。

示例代码：

#include <iostream>

// 函数，返回两个数中的较大者
int max(int a, int b) {
    if (a > b) {
        return a; // 返回 a，退出函数
    }
    return b; // 返回 b，退出函数
}

int main() {
    int x = 10, y = 20;
    std::cout << "The maximum of " << x << " and " << y << " is " << max(x, y) << "." << std::endl;
    return 0;
}

预期输出：

1	The maximum of 10 and 20 is 20.

讲解：

max 函数根据条件返回较大的数，并退出函数执行。

5.4 `goto` 语句

描述：goto 允许无条件跳转到程序中指定的标签。虽然 goto 有时能简化代码，但不推荐频繁使用，因为它会使程序流程难以理解和维护。

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    int number;
    std::cout << "Enter a positive number (negative to quit): ";
    std::cin >> number;

    if (number < 0) {
        goto end; // 跳转到 end 标签，结束程序
    }

    std::cout << "You entered: " << number << std::endl;

end:
    std::cout << "Program ended." << std::endl;
    return 0;
}

预期输出（输入为负数）：

1 2	Enter a positive number (negative to quit): -5 Program ended.

讲解：

当输入负数时，goto end; 跳转到 end 标签，结束程序。
尽管可以使用 goto，但建议使用更结构化的控制流，如循环和条件语句。

6. 异常处理语句

异常处理用于应对程序运行过程中可能出现的错误情况，确保程序的健壮性和可靠性。

6.1 `try`, `catch`, 和 `throw` 语句

描述：

try 块用于包含可能引发异常的代码。
throw 用于抛出异常。
catch 块用于捕获并处理异常。

基本语法：

try {
    // code that may throw an exception
} catch (ExceptionType1 e1) {
    // handler for ExceptionType1
} catch (ExceptionType2 e2) {
    // handler for ExceptionType2
}
// ...

示例代码：

#include <iostream>
#include <stdexcept>

// 函数，计算除法
double divide(double numerator, double denominator) {
    if (denominator == 0) {
        throw std::invalid_argument("Denominator cannot be zero."); // 抛出异常
    }
    return numerator / denominator;
}

int main() {
    double num, denom;

    std::cout << "Enter numerator: ";
    std::cin >> num;
    std::cout << "Enter denominator: ";
    std::cin >> denom;

    try {
        double result = divide(num, denom);
        std::cout << "Result: " << result << std::endl;
    } catch (std::invalid_argument &e) { // 捕获 std::invalid_argument 异常
        std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;
    }

    std::cout << "Program continues after try-catch." << std::endl;
    return 0;
}

预期输出：

Enter numerator: 10
Enter denominator: 0
Error: Denominator cannot be zero.
Program continues after try-catch.

讲解：

divide 函数在分母为零时抛出 std::invalid_argument 异常。
try 块尝试执行 divide 函数。
当异常发生时，执行对应的 catch 块，输出错误信息。
程序在异常处理后继续执行，而不会异常终止。

6.2 多重 `catch` 块

描述：可以为 try 块指定多个 catch 块，以处理不同类型的异常。

示例代码：

#include <iostream>
#include <stdexcept>

int main() {
    try {
        // 模拟不同类型的异常
        int choice;
        std::cout << "Choose exception to throw (1: bad_alloc, 2: invalid_argument): ";
        std::cin >> choice;

        if (choice == 1) {
            throw std::bad_alloc();
        } else if (choice == 2) {
            throw std::invalid_argument("Invalid argument provided.");
        } else {
            std::cout << "No exception thrown." << std::endl;
        }
    } catch (std::bad_alloc &e) { // 处理 bad_alloc 异常
        std::cerr << "Caught std::bad_alloc: " << e.what() << std::endl;
    } catch (std::invalid_argument &e) { // 处理 invalid_argument 异常
        std::cerr << "Caught std::invalid_argument: " << e.what() << std::endl;
    }

    std::cout << "Program continues after try-catch." << std::endl;
    return 0;
}

预期输出（选择 1）：

1
2
3

Choose exception to throw (1: bad_alloc, 2: invalid_argument): 1
Caught std::bad_alloc: std::bad_alloc
Program continues after try-catch.

讲解：

根据用户输入抛出不同类型的异常。
对应的 catch 块分别处理不同的异常类型。
如果未匹配的异常被抛出且没有对应的 catch 块，将导致程序终止（未在此示例中展示）。

6.3 `throw` 通常位置

描述：throw 语句可以在任何需要引发异常的位置使用，包括函数内部、嵌套调用中等。

示例代码：

#include <iostream>
#include <stdexcept>

// 函数，检查数组索引
int getElement(int arr[], int size, int index) {
    if (index < 0 || index >= size) {
        throw std::out_of_range("Index is out of range."); // 抛出异常
    }
    return arr[index];
}

int main() {
    int myArray[5] = {10, 20, 30, 40, 50};
    int index;

    std::cout << "Enter array index (0-4): ";
    std::cin >> index;

    try {
        int value = getElement(myArray, 5, index);
        std::cout << "Element at index " << index << " is " << value << "." << std::endl;
    } catch (std::out_of_range &e) {
        std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}

预期输出（输入为 3）：

1 2	Enter array index (0-4): 3 Element at index 3 is 40.

预期输出（输入为 5）：

1 2	Enter array index (0-4): 5 Error: Index is out of range.

讲解：

getElement 函数检查索引是否有效，如果无效则抛出 std::out_of_range 异常。
main 函数中的 try 块调用 getElement，并在 catch 块中处理异常。

6.4 `rethrow` 异常

描述：可以在 catch 块中使用 throw 语句重新抛出捕获的异常，以便其他部分处理。

示例代码：

#include <iostream>
#include <stdexcept>

// 函数，抛出异常
void func1() {
    throw std::runtime_error("Error in func1.");
}

// 函数，调用 func1 并重新抛出异常
void func2() {
    try {
        func1();
    } catch (...) { // 捕获所有异常
        std::cout << "func2() caught an exception and is rethrowing it." << std::endl;
        throw; // 重新抛出当前异常
    }
}

int main() {
    try {
        func2();
    } catch (std::exception &e) { // 在 main 中捕获异常
        std::cerr << "Main caught: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

预期输出：

1 2	func2() caught an exception and is rethrowing it. Main caught: Error in func1.

讲解：

func1 抛出异常。
func2 调用 func1，捕获异常后重新抛出。
main 最终捕获并处理异常。

练习题

练习题 1：打印九九乘法表

题目描述

编写一个 C++ 程序，使用嵌套的 for 循环来打印标准的九九乘法表。输出的格式应整齐对齐，便于阅读。

要求

使用嵌套的 for 循环实现。
输出的乘法表应从 1×1 到 9×9。
每行输出一个数字的乘法结果，例如第 3 行包含 3×1=3 到 3×9=27。
确保输出格式整齐，便于阅读。

示例输出

1x1=1	1x2=2	1x3=3	1x4=4	1x5=5	1x6=6	1x7=7	1x8=8	1x9=9	
2x1=2	2x2=4	2x3=6	2x4=8	2x5=10	2x6=12	2x7=14	2x8=16	2x9=18	
3x1=3	3x2=6	3x3=9	3x4=12	3x5=15	3x6=18	3x7=21	3x8=24	3x9=27	
4x1=4	4x2=8	4x3=12	4x4=16	4x5=20	4x6=24	4x7=28	4x8=32	4x9=36	
5x1=5	5x2=10	5x3=15	5x4=20	5x5=25	5x6=30	5x7=35	5x8=40	5x9=45	
6x1=6	6x2=12	6x3=18	6x4=24	6x5=30	6x6=36	6x7=42	6x8=48	6x9=54	
7x1=7	7x2=14	7x3=21	7x4=28	7x5=35	7x6=42	7x7=49	7x8=56	7x9=63	
8x1=8	8x2=16	8x3=24	8x4=32	8x5=40	8x6=48	8x7=56	8x8=64	8x9=72	
9x1=9	9x2=18	9x3=27	9x4=36	9x5=45	9x6=54	9x7=63	9x8=72	9x9=81

提示

使用两个嵌套的 for 循环：外层循环控制行数（1 到 9），内层循环控制列数（1 到 9）。
使用 \t 或者适当的空格来对齐输出结果。
可以使用 std::cout 进行输出。

参考答案

#include <iostream>

int main() {
    // 外层循环控制行数
    for (int i = 1; i <= 9; ++i) {
        // 内层循环控制列数
        for (int j = 1; j <= 9; ++j) {
            std::cout << i << "x" << j << "=" << i * j << "\t";
        }
        std::cout << std::endl; // 每行结束后换行
    }
    return 0;
}

练习题 2：实现冒泡排序

题目描述

编写一个 C++ 程序，使用 冒泡排序算法 对用户输入的一组整数进行排序。冒泡排序是一种简单的排序算法，通过重复交换相邻的未按顺序排列的元素，将最大或最小的元素“冒泡”到序列的一端。

要求

输入：用户输入一组整数，首先输入整数的数量 n，然后输入 n 个整数。
排序：使用冒泡排序算法对输入的整数进行升序排序。
输出：显示排序前和排序后的整数序列。
函数封装：将冒泡排序算法封装在一个独立的函数中，提高代码的模块化和可读性。

示例输入与输出

示例 1：

请输入整数的数量: 5
请输入 5 个整数，用空格分隔: 64 34 25 12 22
排序前的数组: 64 34 25 12 22 
排序后的数组: 12 22 25 34 64

示例 2：

请输入整数的数量: 8
请输入 8 个整数，用空格分隔: 5 1 4 2 8 0 2 9
排序前的数组: 5 1 4 2 8 0 2 9 
排序后的数组: 0 1 2 2 4 5 8 9

提示

冒泡排序的基本思想：通过多次遍历数组，每次比较相邻的元素并交换顺序错误的元素。每一轮遍历后，最大的元素会被移动到数组的末端。
优化：如果在某一轮遍历中没有发生任何交换，说明数组已经有序，可以提前终止排序过程。
函数设计：可以设计一个 bubbleSort 函数接收数组及其大小作为参数，并对数组进行排序。

参考答案

#include <iostream>

// 冒泡排序函数
void bubbleSort(int arr[], int n) {
    bool swapped;
    // 外层循环控制总的遍历次数
    for (int i = 0; i < n - 1; ++i) {
        swapped = false;
        // 内层循环进行相邻元素的比较和交换
        for (int j = 0; j < n - i - 1; ++j) {
            // 如果前一个元素大于后一个元素，则交换它们
            if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                std::swap(arr[j], arr[j + 1]);
                swapped = true;
            }
        }
        // 如果在一轮遍历中没有进行任何交换，数组已经有序
        if (!swapped) {
            break;
        }
    }
}

// 打印数组函数
void printArray(int arr[], int n) {
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        std::cout << arr[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

int main() {
    int n;
    
    // 获取数组大小
    std::cout << "请输入整数的数量: ";
    std::cin >> n;
    
    if (n <= 0) {
        std::cerr << "错误：数组大小必须为正整数。" << std::endl;
        return 1;
    }
    
    int *arr = new int[n];
    
    // 获取数组元素
    std::cout << "请输入 " << n << " 个整数，用空格分隔: ";
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        std::cin >> arr[i];
    }
    
    // 打印排序前的数组
    std::cout << "排序前的数组: ";
    printArray(arr, n);
    
    // 执行冒泡排序
    bubbleSort(arr, n);
    
    // 打印排序后的数组
    std::cout << "排序后的数组: ";
    printArray(arr, n);
    
    // 释放动态分配的内存
    delete[] arr;
    
    return 0;
}

代码解释

**函数 bubbleSort**：
- 参数：接收一个整数数组 arr 和数组的大小 n。
- 逻辑
  
  ：
  - 使用两层 for 循环实现冒泡排序。
  - 外层循环控制需要进行的遍历次数，总共需要 n-1 轮。
  - 内层循环进行相邻元素的比较和交换，每一轮内层循环会将当前未排序部分的最大元素移动到数组的末端。
  - 使用 swapped 标志位优化排序过程，如果一轮内层循环中没有发生任何交换，说明数组已经有序，提前终止排序。
- 交换操作：使用 std::swap 函数交换两个元素的位置。
**函数 printArray**：
- 功能：遍历数组并打印每个元素，便于观察排序前后的结果。
main 函数：
- 步骤
  
  ：
  1. 输入数组大小：提示用户输入要排序的整数数量 n。
  2. 输入数组元素：动态分配一个大小为 n 的整数数组，并从用户处获取 n 个整数的输入。
  3. 打印排序前的数组：调用 printArray 函数显示原始数组。
  4. 执行冒泡排序：调用 bubbleSort 函数对数组进行排序。
  5. 打印排序后的数组：再次调用 printArray 函数显示排序后的数组。
  6. 内存管理：使用 delete[] 释放动态分配的内存，避免内存泄漏。
错误处理：
- 判断用户输入的数组大小 n 是否为正整数，否者输出错误信息并终止程序。

运行示例

请输入整数的数量: 5
请输入 5 个整数，用空格分隔: 64 34 25 12 22
排序前的数组: 64 34 25 12 22 
排序后的数组: 12 22 25 34 64

练习题 3：生成斐波那契数列

题目描述

编写一个 C++ 程序，生成并显示斐波那契数列。程序应允许用户指定生成数列的长度，并使用 循环结构 或 递归方法 来生成斐波那契数。

斐波那契数列是一个由 0 和 1 开始，后续的每个数都是前两个数之和的数列。例如：0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, …

要求

输入：用户输入要生成的斐波那契数的数量 n。
生成：使用循环结构（如 for 或 while 循环）生成斐波那契数列。
输出：显示生成的斐波那契数列。
函数封装：将生成斐波那契数列的逻辑封装在一个独立的函数中。

示例输入与输出

示例 1：

1
2
3

请输入要生成的斐波那契数的数量: 10
斐波那契数列:
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34

示例 2：

1
2
3

请输入要生成的斐波那契数的数量: 5
斐波那契数列:
0 1 1 2 3

提示

斐波那契数列的定义

：
- 第 0 个斐波那契数是 0。
- 第 1 个斐波那契数是 1。
- 对于 n >= 2，第 n 个斐波那契数是第 n-1 个数和第 n-2 个数的和。
实现方法

：
- 迭代法：使用循环结构依次计算斐波那契数。
- 递归法（高级）：使用递归函数实现，但效率较低，通常不推荐用于较大的 n。
数据类型：根据 n 的范围选择合适的数据类型，unsigned long long 可以存储较大的斐波那契数。

参考答案（迭代法实现）

#include <iostream>
#include <vector>

// 生成斐波那契数列的函数（迭代法）
std::vector<unsigned long long> generateFibonacci(int n) {
    std::vector<unsigned long long> fib;
    
    if (n <= 0) {
        // 返回空向量
        return fib;
    }
    
    // 第一个斐波那契数
    fib.push_back(0);
    
    if (n == 1) {
        return fib;
    }
    
    // 第二个斐波那契数
    fib.push_back(1);
    
    // 生成后续的斐波那契数
    for (int i = 2; i < n; ++i) {
        unsigned long long next = fib[i - 1] + fib[i - 2];
        fib.push_back(next);
    }
    
    return fib;
}

// 打印斐波那契数列的函数
void printFibonacci(const std::vector<unsigned long long> &fib) {
    for (size_t i = 0; i < fib.size(); ++i) {
        std::cout << fib[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

int main() {
    int n;
    
    // 获取要生成的斐波那契数的数量
    std::cout << "请输入要生成的斐波那契数的数量: ";
    std::cin >> n;
    
    if (n < 0) {
        std::cerr << "错误：数量不能为负数。" << std::endl;
        return 1;
    }
    
    // 生成斐波那契数列
    std::vector<unsigned long long> fibonacci = generateFibonacci(n);
    
    // 打印斐波那契数列
    std::cout << "斐波那契数列:" << std::endl;
    printFibonacci(fibonacci);
    
    return 0;
}

代码解释

**函数 generateFibonacci**：
- 参数：接收一个整数 n，表示要生成的斐波那契数的数量。
- 返回值：返回一个 std::vector<unsigned long long>，包含生成的斐波那契数列。
- 逻辑
  
  ：
  - 如果 n <= 0，返回一个空的向量。
  - 初始化斐波那契数列的前两个数：0 和 1。
  - 使用一个 for 循环，从第三个数开始，依次计算当前数为前两个数之和，并将其添加到向量中。
**函数 printFibonacci**：
- 参数：接收一个 const 引用的斐波那契数列向量。
- 功能：遍历并打印斐波那契数列中的每个数，用空格分隔。
main 函数：
- 步骤
  
  ：
  1. 输入数量：提示用户输入要生成的斐波那契数的数量 n。
  2. 输入验证：检查 n 是否为负数，若是则输出错误信息并终止程序。
  3. 生成数列：调用 generateFibonacci 函数生成斐波那契数列。
  4. 打印数列：调用 printFibonacci 函数显示生成的斐波那契数列。
数据类型选择：
- 使用 unsigned long long 可以存储较大的斐波那契数，避免整数溢出。但需要注意，unsigned long long 的范围有限，对于非常大的 n，仍然会发生溢出。

运行示例

1
2
3

请输入要生成的斐波那契数的数量: 10
斐波那契数列:
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34

递归实现参考代码（可选）

#include <iostream>
#include <vector>
#include <stdexcept>

// 递归函数，计算第 n 个斐波那契数
unsigned long long fibonacciRecursive(int n) {
    if (n < 0) {
        throw std::invalid_argument("n 不能为负数。");
    }
    if (n == 0) return 0;
    if (n == 1) return 1;
    return fibonacciRecursive(n - 1) + fibonacciRecursive(n - 2);
}

// 生成斐波那契数列的函数（递归实现）
std::vector<unsigned long long> generateFibonacciRecursive(int n) {
    std::vector<unsigned long long> fib;
    
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        fib.push_back(fibonacciRecursive(i));
    }
    
    return fib;
}

// 打印斐波那契数列的函数
void printFibonacci(const std::vector<unsigned long long> &fib) {
    for (size_t i = 0; i < fib.size(); ++i) {
        std::cout << fib[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

int main() {
    int n;
    
    // 获取要生成的斐波那契数的数量
    std::cout << "请输入要生成的斐波那契数的数量: ";
    std::cin >> n;
    
    if (n < 0) {
        std::cerr << "错误：数量不能为负数。" << std::endl;
        return 1;
    }
    
    try {
        // 生成斐波那契数列（递归实现）
        std::vector<unsigned long long> fibonacci = generateFibonacciRecursive(n);
        
        // 打印斐波那契数列
        std::cout << "斐波那契数列:" << std::endl;
        printFibonacci(fibonacci);
    }
    catch (const std::invalid_argument &e) {
        std::cerr << "错误：" << e.what() << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

递归实现说明

优点

：
- 代码简洁，符合斐波那契数列的数学定义。
缺点

：
- 时间复杂度为指数级 O(2^n)，对于较大的 n 会非常低效。
- 递归深度过大可能导致栈溢出。
使用场景：适合学习和理解递归概念，但在实际应用中需谨慎使用。

动态规划方法

动态规划通过存储已计算的值来避免重复计算，提高了效率。

#include <iostream>
#include <vector>

// 动态规划实现斐波那契数列
std::vector<int> fibonacci_dynamic(int n) {
    std::vector<int> fib(n);
    fib[0] = 0;
    if (n > 1) {
        fib[1] = 1;
    }
    for (int i = 2; i < n; ++i) {
        fib[i] = fib[i - 1] + fib[i - 2];
    }
    return fib;
}

int main() {
    int n;
    std::cout << "请输入斐波那契数列的项数: ";
    std::cin >> n;

    std::vector<int> fib = fibonacci_dynamic(n);
    std::cout << "斐波那契数列的前 " << n << " 项为: ";
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        std::cout << fib[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

1. 简单语句

1.1 表达式语句

1.2 声明语句

2. 语句作用域

2.1 作用域的基本概念

2.2 代码示例

2.3 代码块作用域

3. 条件语句

3.1 if 语句

3.2 if-else 语句

3.3 else if 语句

3.4 switch 语句

4. 迭代语句

4.1 for 循环

4.2 while 循环

4.3 do-while 循环

4.4 嵌套循环

5. 跳转语句

5.1 break 语句

5.2 continue 语句

5.3 return 语句

5.4 goto 语句

6. 异常处理语句

6.1 try, catch, 和 throw 语句

6.2 多重 catch 块

6.3 throw 通常位置

6.4 rethrow 异常

练习题

练习题 1：打印九九乘法表

题目描述

要求

示例输出

提示

参考答案

练习题 2：实现冒泡排序

题目描述

要求

示例输入与输出

提示

参考答案

代码解释

运行示例

练习题 3：生成斐波那契数列

题目描述

要求

示例输入与输出

提示

参考答案（迭代法实现）

代码解释

运行示例

递归实现参考代码（可选）

递归实现说明

动态规划方法

3.1 `if` 语句

3.2 `if-else` 语句

3.3 `else if` 语句

3.4 `switch` 语句

4.1 `for` 循环

4.2 `while` 循环

4.3 `do-while` 循环

5.1 `break` 语句

5.2 `continue` 语句

5.3 `return` 语句

5.4 `goto` 语句

6.1 `try`, `catch`, 和 `throw` 语句

6.2 多重 `catch` 块

6.3 `throw` 通常位置

6.4 `rethrow` 异常