循环结构

建议先阅读：07_条件语句

原理

循环的 CPU 视角

循环在底层由三部分组成：

循环计数器：存储在寄存器中
条件判断：cmp + 条件跳转（循环体 vs 退出）
循环体：重复执行的指令块

编译器对循环的优化手段：

循环展开（loop unrolling）：复制循环体减少分支判断次数
循环向量化（SIMD）：用 SSE/AVX 指令一次处理多个元素
循环交换：调整嵌套循环顺序以优化缓存命中率
循环合并/分裂：合并相同范围循环或拆分多功能循环

循环变量作用域与栈帧

for (int i = 0; ...) 中 i 的作用域仅限于循环体内。循环体每次迭代不创建新的栈帧（与递归不同）——循环是单栈帧内的跳转，空间复杂度为 O(1)。递归每次调用创建新栈帧，空间复杂度为 O(n)。

range-based for 的实现

for (auto& x : arr) 被编译器展开为等价于：

for (auto it = begin(arr); it != end(arr); ++it) {
    auto& x = *it;
}

对原生数组，编译器使用指针；对 STL 容器，调用 begin()/end() 方法。

语法

三种循环

// for: 已知循环次数
for (int i = 0; i < n; i++) {
    std::cout << i << ' ';
}
 
// while: 条件驱动
while (x > 0) {
    x /= 2;
}
 
// do-while: 至少执行一次
do {
    std::cout << "输入正数: ";
    std::cin >> num;
} while (num <= 0);

break 和 continue

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    if (i == 3) continue;  // 跳过 i=3
    if (i == 7) break;     // i=7 时退出循环
    std::cout << i << ' ';
}
// 输出: 0 1 2 4 5 6

break 只能跳出最内层循环。多层跳出需使用标志变量。

range-based for (C++11)

int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
 
for (int x : arr) {         // 值拷贝，不修改原数组
    std::cout << x << ' ';
}
 
for (int& x : arr) {        // 引用，修改原数组
    x *= 2;
}
 
for (const auto& x : arr) { // 只读引用，避免拷贝
    std::cout << x << ' ';
}

对容器首选 const auto& 遍历，既避免拷贝又能保护原数据。

死循环

while (true) {
    if (exit_condition) break;
}
// 等价于
for (;;) {
    if (exit_condition) break;
}

实践

常见循环模式：

模式	代码
累加	`sum += arr[i];`
计数	`if (cond) count++;`
查找	`if (arr[i] == target) { found = true; break; }`
最值	`if (arr[i] > max) max = arr[i];`

判断素数（优化到 sqrt）：

bool isPrime(int n) {
    if (n < 2) return false;
    for (int i = 2; i * i <= n; i++) {
        if (n % i == 0) return false;
    }
    return true;
}

i * i <= n 比 i <= sqrt(n) 更高效——免去浮点运算开销。注意 i * i 可能 int 溢出，大规模可改用 long long i。

力扣:
力扣: 简单遍历题 (遍历+最值)
力扣: 分类统计题 (循环+分类统计)
力扣: while 循环计数题 (while 循环)
力扣: 嵌套循环题 (嵌套循环)

AI 自检提示：询问 AI “编译器通常对循环做哪些优化，为什么 i*i 比 sqrt(n) 更高效”。

RootStack

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08_循环结构