C中的循环是如何实现的

开篇

 几乎每种程序设计语言的语法中都会有语句的循环，跳转。像最为熟知的C语言便有 for 、 while 、 do---while 等等。这些循环一般都很容易理解和使用，对于程序中逻辑的实现也很有帮助。

只是很多人不曾知道，这些循环、跳转在计算机内部、在底层是如何实现的，于是在出现问题时还是没有好的解决办法，或者是虽然写出来程序，对于内部的逻辑，却还是隔了一层迷雾。

比如有人对这样一个问题：

for（ i=0 ; i< 10 ; i++）

{

printf（”%i“，i）；

}

for语句里面的 i++ 是什么时候执行的呢？ 当循环开始时，是先执行括号里的 i++ 还是printf（”%i“，i）? 也就是说 ，第一个打印的数字是0 还是 1?

我相信这个问题很多人都遇到过，就是当for 循环结束后 i 的值到底是多少不是很确定，在这个问题上犯难，是在不值得。如果你也曾有过这种疑问，那么这篇文章就很值得继续看下去。

这篇文章将拨开迷雾，让你看到循环的本质。

 

这篇文章主要谈一下C中的这些循环， 跳转语句的内部实现机制。通过深入了解他们的内在，将让你在编程的时候逻辑更加清晰，出现问题的时候也更容易排查。

注：这篇文章中会涉及到一些基本的汇编知识，我们将通过分析 for 、 while 、 do---while  等的汇编表示形式，来弄清楚他们的实现机理。

if--else

 if--else是基本的条件转移控制指令，也可以说是程序循环跳转实现的基础。

先看一个具体的例子，函数absdiff()比较两个参数x，y 的大小，返回他们差的绝对值。

我们创建了对于的C语言版本（a）、goto形式的版本（b）、 以及其对应的汇编形式（c）：

 

创建goto版本是为了能更好的理解他的汇编形式。因为里面的goto语句很类似于汇编中的跳转语句。

（a）中 的C代码应该不用多做解释了吧，大家应该都能看懂。

（b）中的got0语句形式：第4 行是一个跳转语句，跳转到执行第8 行。也就是说当第3 行的条件满足的时候，跳转到第8 行执行。如果第3 行的条件不满足，则执行第 5 行的语句。 然后无条件跳转到代码的结尾：“ goto done；” 使用goto 语句通常被认为是一种不好的 编程风格，因为这样的语句通常难于调试和阅读，这里使用goto语句是为了构造出一种类似汇编实现的C语句。

（c）就是我们要讨论的重点了。其实条件跳转指令的汇编形式和他的goto形式有一定的相似之处。有语句跳转的时候都是这样的过程：先判断是否满足某个条件，如果满足，则跳到一个指定的的代码段继续执行程序，如果不满足，则执行另一条语句。

为了弄清楚它内部是如何实现的，现在我们来详细看一下他的汇编指令形式（c）

程序的 1 、2 行取得x y 的值。放在寄存器 edx eax 中，第三行比较x y 的大小（也就是比较edx eak  的大小）如果x > y 则跳到 .L2的地方执行（8 、9 行）执行x - y ，并将结果放在返回值中,然后程序顺序执行到程序结束处 .L3，反之，如果第三行判断结果是x<y ，则语句不会跳转，顺序执行y-x，并跳转到程序结束处 .L3.

现在，我们基本了解if --else 的执行机理了。主要是先判断条件值，从这个例子出发就是第 3 条语句： cmpl  %eax,%edx。学过汇编的同学应该知道，cmpl是一条比较指令，他的执行会影响标志位。做个简单的假设： cmpl     A,B 是比较A，B两个数的大小，比较结果存放在标志位 F 中，当A>B时，F为0，A<BF为1。 后面的jge  .L是跳转语句，他的执行是和上一步比价的结果相关的，这里也就反映在标志位F 当中。当F 为1时（A<B）,则跳转到 .L2执行 B-A。当比较结果为A>B 查看后标志位为0，则jge不跳转， 程序继续往下执行。

C中的if --else 的通用模板是这样的：

这里的 test-expr 是一个整数表达式，它的值为真（1、>0）则会执行第一个分支语句 ， 否则执行第二个。但不管怎么样，都只会执行其中的一个。

对于这种模板，汇编的实现通常会用下面的形式：（这里用C语言描述）

汇编器会为 then-statement 和else-statement产生各自的代码快 ，通过条件跳转来执行相应的代码。

注意：程序并不是智能的，执行跳转的时候只会有两种判断（真和假），而且内部的跳转形式都是基于 go to 模式。所以说虽然goto 在编程中要少用，但在理解程序跳转的时候还是很重要的。我想因为goto 的实现方式和程序最终的实现方式如此的相似，才在C中引入goto 吧。

do---while

C中提供了多中循环结构，do-while  while 和 for ，然而汇编中没有相应的指令存在。通过上面对 if -else 的分析， 已经知道了 C 中条件跳转在汇编中的基本实现方式（goto），现在要讨论的这些循环，在循环中都有一个条件判断的环节，当条件满足时，继续循环体， 如果条件不满足，则跳出循环体。和if-else 不同的在于这里的条件表达式可能会有改变，也就是每次判断的条件和上次不同。

只要理解了上面的if-else 的内容 ，其他的循环都能通过对if -else 的改进来实现。先给出这些循环的goto 形式，就能很快推测出其内部的实现方式。

通用形式：

do-while的通用形式如下：

do 

　　body-staement

　　while(test-expr)

这个循环的效果就是反复执行 body-staement，对test-expr进行求值，如果求值结果不是0 则继续执行。可以看到，body-statement至少会被执行一次。

do-while 的通用形式可翻译为 如下所示的goto 语句：

loop:　

　　body-statement

　　t=test-expr;

　　if(t)

　　　　goto loop;

 

对于上面的goto形式， 可以先想想汇编会是如何实现的：把loop里的代码放在一个单独的代码段里面（包含if 的判断跳转部分）程序顺序执行下来，第一次执行不用判断条件。执行玩body-statement后判断条件，如果满足，则继续这个循环。

好了，下面看一个具体的例子：

这是一个计算阶乘的函数实现,

 (a)是c代码，  

（c）是对应的汇编形式

（b）是汇编中寄存器和变量的映射关系

（a）中的代码比较简单就不在解释了。现在看（c）中的代码：

第 1 行是获得函数参数n的值，放在寄存器 edx 中，第 2 行设置 result =1  第 3 行的 L2 表明这是一个循环体。 （c） 中的第 4、 5 行实现了 （a）中 5、 6 行的功能。

(c)中的第6 行判断循环的条件，如果条件满足，则执行第 7 行 的跳转语句。

 

和do- while的通用形式所描述的一样，body-staement至少会被执行一次，这从汇编代码中也有体现，观察循环体 L2，在L2 没有关于L2 的跳转代码，也就是说在程序顺序往下执行的情况下，L2 至少会被执行一次，然后在 L2 内部判断是否继续执行循环体 L2。

while

 whil循环和do-while类似，他的通用形式如下：

while(test-expr)

　　body-statement

和do-while不同的是，他先对test-expr求值，所以body-statement可能一次都不被执行。将while翻译为机器码有多种方法，其中一种常见的方式i就是把他翻译成do-while的形式。在第一次执行循环体之前加一个判断条件，如果条件满足，则进入do-while的循环体，如果不满足，直接跳过循环体。也就是上面说的：body-statement可能一次都不被执行。

下面先把while转换为do-while循环：

if(!test-expr)

　　goto done;

do

　　body-statement

　　while(test-expr);

done;

 

接下来可以吧这个do-while循环转换为goto语句：

t=test-expr;

if(!t)

　　goto done;

loop:

　　body-statement

　　t=test-expr;

　　if(t)

　　　　goto loop;

done

这个goto的版本和do-while的版本只是在循环体loop的前面加上了一个判断条件，如果条件满足， 就执行上面中的do-while循环体，如果不满足，直接跳过循环。

通过上面的goto版本，现在应该可以想一下while 的 汇编是如何实现了吧：

现在就可以猜测，while 的汇编只是在do-while汇编的基础上做出一些改动：在循环体loop之前加一个判断条件，如果条件成立，则执行loop，不成立则跳过loop。

下面还通过一个具体例子来说：

还是计算n 的阶乘，不过这次是用while实现

下面是C代码：

这很简单，就不做解释了，下面看他的goto形式：

和上面描述的一样，在3、4 行中加入了条件判断，如果条件不满足 第5行直接跳攻loop循环体，只有当条件满足时才进入循环体loop。再看loop中，7、8 行执行计算阶乘的必要操作，9、10行通过判断test-expr 决定是否继续循环。

好，下面来看while的汇编形式:

现在看汇编代码应该比较有经验了吧，这里的3、4 行执行条件判断，决定是否进入循环体.L10,相当于goto版本中的4、5 行，如果不满足，直接跳转到.L7的位置。

再看一下.L10 循环体：6、7 行执行阶乘的必要操作，相当于goto中的 7、8 行，这里的8、9 行判断循环是否继续，相当于goto中的9、10行。

 

for循环

for循环的通用形式如下；

for(init-expr ; test-expr ; update-expr)

　　body-statement

大概在学C的时候会提到for 循环可以用while 来表示：

init-expr

while(test-expr){

　　body-statement

　　update-expr

}

程序首先初始化表达式init-expr的值，然后进入循环，再循环中先对测试值test-expr求值，如果为假，则退出循环，否则执行循环体body-statement，并更新表达式update-expr的值。

基于前面讲过的do-while到while的转换，先给出do-whle形式：

然后将它转为goto代码：

和上面一样，我们将用一个实例来说明问题:

考虑用for 循环写的阶乘函数

用for循环写的计算阶乘的函数是从2 开始，这和前面的从1开始不同，不过这并不影响其逻辑实现的结构，这段代码中，for循环的组成如下：

通过上面的分析，可以得到其goto形式：

到现在为止 ，已经在实例中给出了他的C 形式和goto形式，现在请看他的汇编形式：

上面都解释了很多，这里就不在解释这个汇编指令了，通过上面应该都能看懂。

开始的问题

到现在，应该弄清楚文章开头所说的问题了吧

for（ i=0 ; i< 10 ; i++）

{

printf（”%i“，i）；

}

现在应该了解什么时候执行 i++ 设么时候执行printf（”%i“，i）； 了吧。

按照我们的分析，执行顺序应该是这样的：

1、 初始化 i=0

2、判断条件是否满足 i<10 是否成立

3、如果成立则执行循环体printf（”%i“，i）； 并执行自加运算 i++

可以这段代码在自己的编译器中运行一下，看首先打印出来的是0  还是1  （按照我们的分析，应该从0 开始答应哦）

小结

 其实这篇文章阐述的道理很简单，就是C 语言中循环的实现问题。如果你在linux环境下操作的话，要理解这一部分就更容易了，在linux下可以直观的看到一个程序编译后的汇编形式，在自己电脑上分析自己的程序，这样学起来才更有兴趣，更深刻。

简单介绍：

linux下编译器：GCC、

可执行文件查看器：objdump、还有一个好像是 elfread，不确定了。

如果调试上面的for语句的话，可以用gdb调试器，这样能让程序一步步执行，并且跟踪变量的值。关于linux下的这些命令这里不是本文重点，不再介绍。

 

全文完。

 

 

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一条鱼、yanlingyin@ 博客园 

尹雁铃  2012-3-27

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