从猜数字程序来理解结构和随机数 | C语言基础

由于博主过去学过Python，本篇文章中会有很多对照的分析。
本次为了更利于各部分的理解，我们从一个简单的猜数字程序的实现来说起…

1. 程序实现流程图：

2. 随机数生成

Python中生成随机数的方式，可以利用内置的 random 模块进行生成。而且每次文件运行时输出的随机数都是不同的，同一文件内若多次调用随机数函数也都是不同的。

如下就是生成并打印1~100以内的整数的Python程序代码：

import random
randomNum = random.randint(1,100)
print(randomNum)

对于C语言中，如果要实现随机数，会稍显复杂。

首先，需要 rand() 函数实现伪随机数，为什么说是“伪”呢？是因为每次运行文件内的多个 rand() 函数时候之后的几次都和第一次是一个值。

说明这样的“随机”有可能是经过某种算法得到的，而不是真的随机。调查后，事实上 rand() 函数每次都是对一个叫“种子”的基准值运算后生成的。那么我们就会想“种子”是如何得出的？根据什么来算出的？

根据此，可以想到用 srand() 函数来初始化随机数的生成器，通过 srand() 函数的 seed 参数来设置需要 rand() 函数生成随机数的“种子”。也就是说 srand() 的“种子”如果是随机的， rand() 就能生成随机数，但是生成随机数的前提是还需要一个随机的值，这样的矛盾又该如何解决呢？我们需要找到一个时刻在变的值来依据此得出这个需要的随机值。

那么我们可以使用程序运行的时间来作为“种子”，那么我们可以再引入 time() 函数。 time() 函数返回的类型是 time_t 类型（本质上还是32位或64位的整型）的时间戳值。时间戳是1970年1月1日0时0分0秒到程序运行时候的时间差，单位是秒。time() 函数中的参数 timer 是 NULL 即可返回差值。time_t 类型对于 srand() 函数是不接受的，所以强制类型转化 unsigned int 。

综上（其实上面的你没听懂也没关系），我们可以写出生成随机数的方式了。

注意需要新引入三个库：stdio.h 、 stdlib.h、 time.h

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

int main(){
    srand((unsigned int)time(NULL));
    printf("%d\n", rand());
}

那么为了猜数字的范围缩小为1~100，我们可以对rand()函数结果对100取模。

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

int main(){
    srand((unsigned int)time(NULL));
    printf("%d\n", rand() % 100 +1);
}

3. 分支结构

3.1 Intro：关系操作符+逻辑操作符

关系操作符
- >（大于）
- >=（大于等于）
- <（小于）
- <=（小于等于）
- == （等于）：特别注意这里是两个等号，在很多计算机语言中都是双等号表示“等于”（或是相同、相等）的判定符号
- != （不等于）
逻辑操作符
- && （与）：两边均为true才输出true，有一个false结果一定是false。（记忆方式：数字电路的方框形逻辑门中间的符号就是& ）
- || （或）：两边其中一个为true就输出true，两边均为false才输出false。（记忆方式：数字电路的方框形逻辑门中间大于等于号下面是两条线的）

这些运算符的结果与算术运算符算出实际的结果不同，而是返回1（true）和0（false）整型值，以此来控制我们的程序接下来选择Y（Yes符合条件）的分支还是N（No不符合条件）的分支。

而且这些操作符都是双目的，也就是符号两边都需要有值。

注意与Python的符号表达不同的一点是，Python里 A<x<B 和 x>A and x<B 是实现的一个效果，都是把x值限定在(A,B)区间内，而C语言中对应的方式最好是 x>A && x<B，另一种形式（ A<x<B ）虽然不会报错，但对于C语言程序来说，执行时会有误解，实际上执行的是 (A<x)<B ，那么就是先判断A和x，然后才是把前面判断的结果和B再做判断，通常会达不到想要的结果。

3.2 if-else

#include <stdio.h>
int main()
{
    int age = 0;
    scanf("%d", &age);
    if (age >= 18) {
        printf("Adult\n");
    } else {
        printf("Child\n");
    }
}

如上是个很简单的年龄判断的 if-else 分支结构，结构也类似于Python里的。如果输入的age值是大于等于18就输出Adult，其他情况（也就是 age 值小于18）就输出Child。

那么还可以用嵌套的结构，能实现如果两个if条件+其他的三种分支。

#include <stdio.h>
int main()
{
    int score = 0;
    scanf("%d", &score);
    if (score >= 90) {
        printf("Great!\n");
    } else if (score >= 60) {
        printf("Pass\n");
    } else {
        printf("Failed\n");
    }
}

这里的 else if 就是类似于Python中的 elif ，这里其实可以看作是两个 if-else ，第一个结构中的 else 部分嵌套入了第二个结构。

如上，我们可以简单写出猜数字程序中的用分支结构表示的比大小的部分。

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

int main() {
    srand((unsigned int)time(NULL));
    int randomNum = rand()%100+1;    // 随机数范围 1~100
    int num = 0;                   // 用户输入的猜测数
    printf("请输入 1-100 之间的数字：");
    scanf("%d", &num);
    if (randomNum > num) {
        printf("猜小了\n");
    }
    else if (randomNum == num) {
        printf("猜对啦\n");
    }
    else {
        printf("猜大了\n");
    }
    return 0;
}

需要提一下的是，C语言的 scanf() 虽然在功能上基本和Python中的 input() ，但是在输入的是字符串的情况下，不支持读取带空格的字符串。

3.3 条件操作符

还有种方式可以表达这样的分支结构，不过更多地是用于双分支或者三分支。但是三分支的实现如果要说代码的可读性上考虑，不太推荐使用。

基础的双分支的条件操作符的结构为：

逻辑或关系表达式 ? 真值表达式 : 假值表达式

就是那么简洁，一个问号和冒号就连接了三个表达式。来看极简的两数求最大的案例：

int max = (a > b) ? a : b;

那么我们上面的判断部分的如果要写成三分支（不推荐，为了清晰起见按行分层缩进了）：

printf("%s\n",
       (randomNum > num)   ? "猜小了":
       (randomNum == num)  ? "猜对啦":
                           "猜大了");

双分支：

if (randomNum == num){
    printf("猜对啦");
} else {
    printf("%s\n", (randomNum > num) ? "猜小了" : "猜大了");
}

4. 循环结构

猜数字游戏中我们还希望做回合数（ round ）的限制，如果是猜错（即输出“猜大了”“猜小了”这两种）情况下，可以消耗回合数再猜一次。如果可猜的回合耗尽，则输出“GameOver”结束游戏。

4.1 while

C语言中非零即为true，零直接是false，可以借此作为循环次数的控制条件。设定好了我们总回合数，那么每执行完一次判断则可以直接减去一次回合数。当回合数为0正好可以结束循环条件。

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

int main() {
    srand((unsigned int)time(NULL));
    int randomNum = rand() % 100 + 1;   // 随机数范围 1~100
    int num = 0;                      // 用户输入的猜测数
    int round = 5;                    // 最大回合数

    // while 循环控制回合，从 round 到 1
    while (round) {
        printf("请输入 1-100 之间的数字：");
        scanf("%d", &num);
        if (num == randomNum) {
            printf("猜对啦\n");
            break;
        } else if (num < randomNum) {
            printf("猜小了\n");
        } else {
            printf("猜大了\n");
        }
        round-=1;
    }
    if (round == 0) {
        printf("GameOver\n");
    }
    return 0;
}

不过，while循环一般更多用于未知循环次数的情况时，比如在刷题的时候经常会看到不知道会输入多少数代表输入终止（EOF）。

▼ 牛客网OJ上的初始代码

#include <stdio.h>
int main() {
&nbsp; &nbsp; int a, b;
&nbsp; &nbsp; while (scanf("%d %d", &a, &b) != EOF) { // 注意 while 处理多个 case
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; // 64 位输出请用 printf("%lld") to
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; printf("%d\n", a + b);
&nbsp; &nbsp; }
&nbsp; &nbsp; return 0;
}

4.2 for

for 循环就是常用于我们的已知循环次数的程序里了。

我们直接来看两个最常用的Python和C语言同样实现迭代的代码，这样看是不是好理解了。

for count in range(1, round + 1):
    print("这是第", count, "次循环")

Python中使用 range() 生成的整数序列作为可迭代对象，这个整数序列的区间是 [1, round] 末尾不取，函数默认的步长是1，实现效果就是把count变量的值不断从1取到round。

C语言中的对于起始值、终止条件、步长各部分用分号断开，这基本的三要素还是非常明显的。

for (int count = 1; count <= round; count++){
    printfprintf("这是第 %d 次循环\n", count);
}

那么我们猜数字程序用 for 循环就能这样写：

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

int main() {
    srand((unsigned int)time(NULL));
    int randomNum = rand() % 100 + 1;   // 随机数范围 1~100
    int num = 0;                      // 用户输入的猜测数
    int round = 5;                    // 最大回合数

    // for 循环控制回合，从 1 到 round
    for (int count = 1; count <= round; count++) {
        printf("第 %d 轮，请输入 1-100 之间的数字：", count);
        scanf("%d", &num);
        if (num == randomNum) {
            printf("猜对啦\n");
            break;
        } else if (num < randomNum) {
            printf("猜小了\n");
        } else {
            printf("猜大了\n");
        }
        if (count == round) {
            printf("GameOver\n");
        }
    }
    return 0;
}

5. 补充的分支与循环结构

C语言中还有些别的分支和循环结构，接下来会一一道来。

5.1 switch 分支

switch 语句像一个分流路口：给它一个整数（或枚举、字符），它就把程序送到对应的 case 代码块，比长串 if‑else if 好读得多。

写法	发生效果
`switch (表达式)`	先算出表达式的值，再去找相同数字的 `case`。
`case 常量:`	对上号就从这里开始执行。
`default:`	前面都不对时走这里，可省略。
`break;`	结束 switch，跳到大括号后面的第一条语句。如果不写的话，

break 和 continue

break：立刻结束当前最近的一层 for、while 或 do‑while 循环或 switch 的条件分支，程序跳到循环后面的第一条语句。
continue：立刻结束本次迭代，把控制权送回循环头；for 会先执行增量表达式再检查条件，while/do‑while 会直接检查条件。在不套循环的 switch 里敲 continue，编译器会直接报错。
在嵌套循环中，它们只作用于最内层。

只打印 1‑10 中的奇数，遇到 7 就提前停止：

#include <stdio.h>

int main() {
    for (int n = 1; n <= 10; ++n) {
        if (n == 7)
            break;          // 终止整个循环
        if (n % 2 == 0)
            continue;       // 跳过偶数，继续下一轮
        printf("%d ", n);
    }
    puts("循环结束");
    return 0;
}

//Output:
//1 3 5 
//循环结束

continue 让偶数分支直接回到 for 的自增步骤。
break 在遇到 7 时立即离开循环，剩余数字不再检查。

这样，你就能直观看到两条语句在循环里的“停一停”( continue )与“走人”( break )效果。

5.2 do‑while 循环

do‑while 像一次先行动、后条件判断的循环：不管条件真假，主体最少执行一次。

写法	发生效果
`do { ... } while (条件);`	先跑 `do { ... }`，再判断 `while (条件)`；条件为真就回到 `do` 继续，为假就结束循环。

例如，累加直到用户输入 0：

#include <stdio.h>

int main() {
    int n, sum = 0;
    do {
        printf("输入数字(0 结束): ");
        scanf("%d", &n);
        sum += n;
    } while (n != 0);
    printf("总和为 %d", sum);
    return 0;
}

PS:这并非是一定要使用do-while循环才能实现。

5.3 goto 不定转移

goto 是一句直接跳转：给它一个标签名，程序立刻冲过去执行标签下面的代码。

写法	会发生效果
`<label>:`	普通语句前加标签名，供 `goto` 跳入。
`goto <label>;`	立即跳到同函数内的 `label:` 处。

比如下面这个分数输入的代码，遇到输入检查失败就跳到清理位置：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int score;
    printf("请输入分数(0~100): ");
    if (scanf("%d", &score) != 1)
        goto ERROR;
    if (score < 0 || score > 100)
        goto ERROR;
    printf("成绩合法，分数是 %d", score);
    return 0;

ERROR:                        
    printf("输入非法，程序结束。");
    return 1;
}

goto 语句如果使⽤的不当，就会导致在函数内部随意乱跳转，打乱程序的执⾏流程，所以我们的建议是能不⽤尽量不去使⽤；更多情况推荐 break、return 或把逻辑拆成函数更易读。

从猜数字程序来理解结构和随机数 | C语言基础

1. 程序实现流程图：

2. 随机数生成

3. 分支结构

3.1 Intro：关系操作符+逻辑操作符

3.2 if-else

3.3 条件操作符

4. 循环结构

4.1 while

4.2 for

5. 补充的分支与循环结构

5.1 switch 分支

break 和 continue

5.2 do‑while 循环

5.3 goto 不定转移

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4.1 while

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