4.4 循環結構

循環結構是在一定條件下，反復執行某段程序的控制結構，被反復執行的語句序列稱為循環體。在Java語言中循環結構是由循環語句來實現的。Java語言中的循環語句共有三種：while語句、do-while語句和for語句。

4.4.1 while語句

while語句是循環語句，也是條件判斷語句。while語句的一般語法結構如下：

     while(條件表達式)
     {
       循環體
     }

循環體可以是單個語句，也可以是復合語句。while語句的執行過程是先判斷條件表達式的值，若為真，則執行循環體，循環體執行完之后，再轉到條件表達式重新計算表達式的值并判斷條件表達式值的真假；直到當計算出的條件表達式的值為假時，才跳過循環體執行while語句后面的語句，循環終止。

while語句的循環執行過程如圖4.5所示。

【例4.5】 計算Fibonacci（斐波那契）序列的前16項。Fibonacci序列的通項公式為

程序運行結果：

     0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377 610

該程序的第8～14行是一個while循環，第10行是每次輸出兩個數，第11和12兩行分別是用于計算Fibonacci序列中的下一個數。

【例4.6】 從鍵盤上輸入一個數，判斷該數是否是Fibonacci序列中的數。

程序運行結果：

     請輸入一個正整數：234↙
     234不是Fibonacci數

該程序的第12～13行是從鍵盤上輸入一個數；第14行是while循環的頭，第16～18行是循環體，用于計算Fibonacci數列的遞推公式；第20、21兩行根據計算的結果判斷其是否為Fibonacci數列中的數，然后輸出相應的結果。

【例4.7】 利用hasNextXXX（）和nextXXX（）方法的配合使用來完成鍵盤輸入。用戶在鍵盤上輸入若干個數，每輸入一個數需按Enter鍵或Tab鍵或空格鍵確認，最后在鍵盤上輸入一個非數字字符串結束整個輸入操作過程，然后計算這些數的和。hasNextXXX（）和nextXXX（）方法的功能見3.6節。

程序運行結果：

     請輸入多個數,每輸入一個數后按Enter或Tab或空格鍵確認:
     最后輸入一個非數字結束輸入操作
     3 ↙
     4.8 ↙
     5 ↙
     5.6 ↙
     w ↙
     共輸入了4個數,其和為:18.4

程序中的第11行是用指定的流創建一個Scanner類的對象reader，第12行判斷只要有數據輸入且是double型，則進入循環內，第14行是從鍵盤上讀取一個double型數值存入x中。該程序運行時，用戶在鍵盤上每次輸入一個數值后都需要按Enter或Tab鍵或空格鍵進行確認，最后輸入一個非數字字符結束輸入操作，因為當輸入一個非數字字符并按Enter鍵后，reader.hasNextDouble（）的值為flase。

說明：當要求輸入的數據是較長的數據類型（如double型）時，但實際輸入的數據是較短的數據類型（如int或float）時，則系統會自動的強制轉換成較長的數據類型的數據（如double型）。

4.4.2 do-while語句

do-while語句的一般語法結構如下。do-while循環語句的流程如圖4.6所示。

     do
     {
         循環體
     }
     while(條件表達式);

do-while語句的使用與while語句很類似，不同的是它不像while語句是先計算條件表達式的值，而是無條件地先執行一遍循環體，再來判斷條件表達式的值，若表達式的值為真，則再執行循環體，否則跳出do-while循環，執行下面的語句。可見，do-while語句的特點是它的循環體至少被執行一次。

注意：與while循環語句的一個主要區別是do-while循環語句在結尾處加了一個分號“；”。

【例4.8】 從鍵盤上輸入一個正整數n，然后計算1+2+…+n的結果并輸出。

程序運行結果：

該程序的第9～12行是利用do-while循環從鍵盤上輸入數據，直到輸入的數大于0為止；第13、14兩行是利用while循環求和；第15行輸出計算結果。

【例4.9】 用輾轉相除法求兩個整數的最大公約數。

設有不全為0的整數a和b，它們的最大公約數記為gcd（a，b），即同時能整除a和b的公因數中的最大者。按照歐幾里得（Euclid）的輾轉相除算法，gcd（a，b）具有如下性質：

①gcd (a, b)=gcd (b, a)。

②gcd (a, b)=gcd (—a, b)。

③gcd（a，0）=|a|。

④gcd (a, b)=gcd (b, a%b), 0≤a%b＜b。

本例程序中反復運用性質④，最終可使得第二個參數a%b等于0，則第一個參數就是所求的最大公約數。程序如下：

程序運行結果如下：

     請輸入第一個數a=12↙
     請輸入第二個數b=18↙
     gcd(12,18)=6

該程序在第18～22行的do-while循環中，利用輾轉相除法來求兩個數的最大公約數，第23行是將最大公約數輸出。

【例4.10】 已知s=n！，其中n為正整數，從鍵盤上任意輸入一個大于1的整數m，求滿足s＜m時的最大s及此時的n，并輸出s和n的值。

程序運行結果為：

     請輸入大于1的整數m:100↙
     s=24  n=4

該程序的第9～12行的do-while語句是要求所輸入的數必須為大于1的整數，否則重復循環，直到輸入大于1的整數為止；第13～17行是利用while循環求滿足條件n！＜m的階乘；當退出該循環時，則s和n并不滿足本題的條件，所以第18行在輸出時，必須修正為s/（n—1）和n—2，這才是滿足題意要求的結果。

4.4.3 for語句

for語句是Java語言三個循環語句中功能較強，使用較廣泛的一個。

for循環語句的基本使用格式如下。其執行流程如圖4.7所示。

     for(表達式1;條件表達式;表達式2)
     {
         循環體
     }

其中，“表達式1”是用作初始化的表達式，完成初始化循環變量和其他變量的工作；“條件表達式”的返回值為邏輯型量，用來判斷循環是否繼續；“表達式2”是循環后的操作表達式，用來修改循環變量，改變循環條件。三個表達式之間用分號隔開。

for語句的執行過程：首先計算“表達式1”，完成必要的初始化工作；再判斷條件表達式的值，若為假，則退出循環，若為真，則執行循環體，執行完循環體后再返回“表達式2”，計算并修改循環條件，這樣一輪循環就結束了。第二輪循環從計算并判斷條件表達式開始，若表達式的值仍為真，則繼續循環，否則，跳出整個for語句執行下面的句子。

說明：for語句的三個表達式都可以為空，但是，若條件表達式也為空，則表示當前循環是一個無限循環，需要在循環體中書寫另外的跳轉語句來終止循環。

【例4.11】 求1～10的累加和。

本例演示了for語句的兩種使用方法。

方法一：循環變量i以遞增方式從1變化到n，循環體語句執行n=10次，循環執行完后輸出結果s。

方法二：i以遞減方式變化。由于要寫出累加的算式，i及加號“+”應寫在循環體中，而n個數只需要寫n—1個加號，所以循環語句只需執行n—1=9次就夠了，此時設計i從n變化到2，循環執行完后再寫最后一個i值及最后一次運算的結果（s+i）。

本例采用兩種方法分別運算，程序如下：

該程序的執行結果如下：

     Sum=1+…+10=55
     Sum=10+9+8+7+6+5+4+3+2+1=55

該程序是用兩個for循環語句分別完成從1～10累加求和的。第7、8行是第一個for循環，該循環的循環體只有第8行一條語句，所以不用花括號將其括上，該循環是從1～10進行累加求和；第12～16行是第二個for循環，該循環是從10～2進行累加求和；最后的數1是在第17行的輸出語句中加上的。

4.4.4 多重循環

如果循環語句的循環體內又有循環語句，則稱多重循環，也稱循環嵌套。常用的有二重循環和三重循環。在實現手段上即可以是相同循環語句嵌套，也可以是兩個不同的循環語句構成嵌套結構。下面舉例說明。

【例4.12】 求100以內的素數，并輸出。

素數是指除1和自身外，不能被其他整數整除的數。顯然最小的素數是2，其余偶數均不是素數。對于一個奇數k，使用3～的每個整數j去除k，如果找到一個整數j能除盡k，則k不是素數；而只有測試完3～中的所有整數j都不能除盡k，才能確定k是素數。程序如下：

程序運行結果如下：

在本程序第15行中的Math.sqrt（k）方法返回k的平方根值。第12～24行定義的do-while外層循環，用于遍歷3～100的奇數；第15、16行定義的內層while循環，用于判別k是否是素數，當找到一個3～的整數j能除盡k，則k不是素數，退出內循環，此時j＜Math.sqrt（k）。內層循環結束后，如果第17行的j＞Math.sqrt（k）條件成立，說明沒有一個j能除盡k，則k是素數。外層do-while循環逐個測試100以內的奇數，循環初值k=3，每次遞增值為2，這樣可以減少循環次數，縮短運行時間，提高程序效率。