Цикл со счётчиком for

Данная циклическая конструкция обычно используется, когда заранее известно, сколько раз необходимо повторить какую-то команду или набор команд. Вспомним урок про генерацию случайных чисел: там была забавная задача для самостоятельного исследования. Вот её условие:

Пример: Равномерность случайных чисел

Числа, генерируемые функцией rand, имеют равномерное распределение. Это значит, что если запускать функцию rand очень много раз и каждый раз записывать, какое число выпало, то различные числа выпадут примерно одинаковое число раз.

Например, если генерировать только числа 0 и 1, то через 100 запусков примерно 50 раз выпадет ноль и 50 раз единичка. Обратите внимание, что я говорю примерно. Может быть, например, 49 и 51, или 53 и 47.

Если рассматривать отношение этих чисел к общему количеству генераций, получим 49/100 и 51/100 или 53/100 и 47/100. Но чем больше экспериментов мы проведём, тем отношение количества единичек к количеству испытаний будет ближе к 1/2.

Проведите самостоятельно эксперимент с 10, 50 и 100 запусками. Это муторно и долго, если делать руками, но что поделать? В будущем мы напишем программу, чтобы проверить свойство равномерности распределения этих псевдослучайных чисел.

Давайте проведём подобный эксперимент. Пусть программа генерирует одно из трёх чисел: 0, 1 или 2. Вот, посмотрите на её код.

Листинг 1.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main(void) {

  srand(time(NULL));
// счётчики для сгенерированых чисел
// если выпадет 1, то увеличим на единицу count_1
  int count_0 = 0, count_1 = 0, count_2 = 0;

  int rand_number;

  rand_number = rand()%3;
  switch (rand_number){
    case 0 : count_0 = count_0 + 1; break;
    case 1 : count_1 = count_1 + 1; break;
    case 2 : count_2 = count_2 + 1; break;
  }

  rand_number = rand()%3;
  switch (rand_number){
    case 0 : count_0 = count_0 + 1; break;
    case 1 : count_1 = count_1 + 1; break;
    case 2 : count_2 = count_2 + 1; break;
  }

  rand_number = rand()%3;
  switch (rand_number){
    case 0 : count_0 = count_0 + 1; break;
    case 1 : count_1 = count_1 + 1; break;
    case 2 : count_2 = count_2 + 1; break;
  }

  rand_number = rand()%3;
  switch (rand_number){
    case 0 : count_0 = count_0 + 1; break;
    case 1 : count_1 = count_1 + 1; break;
    case 2 : count_2 = count_2 + 1; break;
  }

  rand_number = rand()%3;
  switch (rand_number){
    case 0 : count_0 = count_0 + 1; break;
    case 1 : count_1 = count_1 + 1; break;
    case 2 : count_2 = count_2 + 1; break;
  }

  rand_number = rand()%3;
  switch (rand_number){
    case 0 : count_0 = count_0 + 1; break;
    case 1 : count_1 = count_1 + 1; break;
    case 2 : count_2 = count_2 + 1; break;
  }

  rand_number = rand()%3;
  switch (rand_number){
    case 0 : count_0 = count_0 + 1; break;
    case 1 : count_1 = count_1 + 1; break;
    case 2 : count_2 = count_2 + 1; break;
  }

  rand_number = rand()%3;
  switch (rand_number){
    case 0 : count_0 = count_0 + 1; break;
    case 1 : count_1 = count_1 + 1; break;
    case 2 : count_2 = count_2 + 1; break;
  }

  rand_number = rand()%3;
  switch (rand_number){
    case 0 : count_0 = count_0 + 1; break;
    case 1 : count_1 = count_1 + 1; break;
    case 2 : count_2 = count_2 + 1; break;
  }

  rand_number = rand()%3;
  switch (rand_number){
    case 0 : count_0 = count_0 + 1; break;
    case 1 : count_1 = count_1 + 1; break;
    case 2 : count_2 = count_2 + 1; break;
  }

  printf("0 - %d\n1 - %d\n2 - %d\n", count_0, count_1, count_2);

  return 0;
}

Если вам непонятно, как работает данная программа, то проработайте уроки Приручаем случайность и Оператор выбора.

Программа получилась объемной, но довольно простой. Легко заметить, что одни и те же операции (генерация случайного числа и оператор выбора) повторяются буквально без изменений. Результат работы этой программы на рисунке ниже.

Как видите, пока что-то не очень похоже на то, что все цифры выпадают одинаковое количество раз. Запустите программу у себя, возможно, у вас получится более хороший результат. Ну, а мы продолжим. Давайте увеличим количество опытов до 100. Можно было бы, конечно, ещё 90 раз скопировать эту конструкцию или запустить программу ещё 9 раз и вручную складывать результаты, но это не дело. Лучше воспользуемся циклической конструкцией for.

Общий шаблон цикла for

Листинг 2.

for (инициализация счетчика; условие; изменение счетчика)
  оператор;

Цикл for состоит из двух частей: заголовок цикла (первая строка) и тело цикла (вторая строка).

Тело цикла — это команда, которую необходимо выполнить несколько раз. Если необходимо выполнить несколько команд, а не одну, то можно воспользоваться составным оператором { }. Мы уже проделывали такой трюк, когда изучали условный оператор.

В нашем случае тело цикла for будет выглядеть так:

Листинг 3.

{
  rand_number = rand()%3;
  switch (rand_number){
    case 0 : count_0 = count_0 + 1; break;
    case 1 : count_1 = count_1 + 1; break;
    case 2 : count_2 = count_2 + 1; break;
  }
}

Так как в теле цикла две команды (присваивание, оператор выбора), то пришлось использовать составной оператор.

Разберём подробно заголовок цикла for. В нём, кроме ключевого слова for и скобок, имеется ещё три выражения.

Первое выражение — инициализация счетчика.

В этой части нам нужно завести переменную-счетчик и присвоить ей какое-нибудь начальное значение. Например:

Листинг 4.

for (int i = 0; ; )
// или
for (int j = 13; ; )
// или
for (int k = 100; ; )
// или
for (int m = 255; ; )
// или
for (int q = 1; ; )

Второе выражение –- условие

В этой части необходимо записать условное выражение, при котором должно выполняться тело цикла. Цикл for будет работать, пока условие истинно. Например:

Листинг 5.

for (int i = 0; i <= 100; )
// или
for (int j = 13; j > 0; )
// или
for (int k = 100; k != 0; )
// или
for (int m = 255; m >= 0; )
// или
for (int q = 1; q < 1000; )

И последняя третья часть — изменение счетчика.

Здесь записывается то, что должно происходить после каждого выполнения тела цикла. Обычно здесь пишут то, как должен измениться счётчик после каждой итерации. Одно повторение тела цикла в серьёзных книгах иногда называют итерацией.

Например:

Листинг 6.

for (int i = 0; i <= 100; i = i + 1) // увеличиваем счётчик на единицу
// или
for (int j = 13; j > 0; j = j / 2) // уменьшаем вдвое
// или
for (int k = 100; k != 0; k = k - 1) // уменьшаем счётчик на единицу
// или
for (int m = 255; m >= 0; m = m - 5) // уменьшаем счётчик на 5
// или
for (int q = 1; q < 1000; q = q * 2) //увеличиваем счётчик в два раза

Давайте перепишем нашу программу с использованием цикла for.

Листинг 7.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main(void) {
  srand(time(NULL));
// счётчики для сгенерированных чисел
// если выпадет 0, то увеличим на единицу count_0
// аналогично для count_1 и count_2
  int count_0 = 0, count_1 = 0, count_2 =0;

  int rand_number;

  // i = 0 начинаем отсчёт с нуля
  // i < 100 повторяем, пока i меньше 100
  // i = i + 1 на каждом шаге увеличиваем счётчик на единицу
  // итого тело цикла выполнится 100 раз
  for (int i = 0; i < 100; i = i + 1){
    rand_number = rand()%3;
    switch (rand_number){
      case 0 : count_0 = count_0 + 1; break;
      case 1 : count_1 = count_1 + 1; break;
      case 2 : count_2 = count_2 + 1; break;
    }
  }

  printf("0 - %d\n1 - %d\n2 - %d\n", count_0, count_1, count_2);
  return 0;
}

Гораздо понятнее и нагляднее, не так ли? Вот-вот. Опишем подробно алгоритм работы цикла for.

1. Программа встречает ключевое слово for, а значит дальше идёт циклическая конструкция.
2. Сначала создаётся переменная счетчик (выражение 1).
3. Проверяется условие выполнение цикла (выражение 2).
4. Если условие ЛОЖЬ, то программа выходит из цикла for и продолжает свое выполнение.
5. Если условие ИСТИНА, то выполняется тело цикла.
6. Когда тело цикла выполнится, программа возвращается к заголовку и выполняет инструкции из третьей части заголовка. Изменяется значение переменной-счетчика (выражение 3).
7. Возвращаемся к пункту три.

А теперь то же самое для нашей программы. Встречаем цикл for.

• Инициализируем переменную счётчик i = 0;
• Проверяем условие i < 100. Т.к. i = 0, то условие ИСТИНА;
• Выполняем тело цикла. Генерируем число от 0 до 2. В операторе switch определяем, какое число было сгенерировано, и увеличиваем соответствующий счётчик;
• Т.к. тело цикла закончено, то выполняем Выражение 3. Теперь i = 1.
• Возвращаемся к условию;
• Проверяем условие i < 100. Т.к. i = 1, то условие ИСТИНА
• Выполняем тело цикла. Генерируем число от 0 до 2. В операторе switch определяем, какое число было сгенерировано, и увеличиваем соответствующий счётчик;
• Изменяем счётчик. Теперь i = 2. Возвращаемся к условию.
• ...

И так далее, пока i не станет равным 100. В этом случае при проверке условия получим ЛОЖЬ. Выполнение цикла прекратится. Программа продолжит выполнять инструкции, расположенные за циклом.

Давайте посмотрим ещё на один пример.

Напишем программу, которая выводит на экран сумму натуральных чисел из промежутка [A;B]. Числа A и B (B>A) вводятся пользователем.

Листинг 8.

#include <stdio.h>

int main(void) {

  int a = 0, b = 0;
  scanf("%d %d", &a, &b);

  // сюда будем записывать результат
  int sum = 0;


  // k++ эквивалентно k = k + 1, но короче
  // ++ оператор инкремента

  for (int k = a; k <= b; k++){
    sum = sum + k;
    // на каждой итерации добавляем к уже имеющейся сумме
    // очередное число
  }

  printf("%d\n", sum);

  return 0;
}

Все неясные моменты я постарался отразить в комментариях к программе. Если возникнут вопросы, то задавайте их в комментариях к уроку.

Практика

• Решите задачи с автоматической проверкой решения на Stepik

Дополнительные материалы

1. пока нет