C語言循環的小藝術

1. 質數判斷

對於這個,很多人可能會直接這樣寫:


int isPrime(int n) //函數返回1表示是質數,返回0表示不是質數
{
int i;
for (i = 2; i < n; i++)
if (n % i == 0)
break;
return i >= n;
}


又或者,有的人知道平方根的優化:

int isPrime(int n)
{
int i, s = (int)(sqrt((double)n) + 0.01);
for (i = 2; i <= s; i++)
if (n % i == 0)
break;
return i > s;
}

再或者,消除偶數:
int isPrime(int n)
{
int i, s = (int)(sqrt((double)n) + 0.01);
if (n <= 3) return 1;
if (n % 2 == 0) return 0;
for (i = 3; i <= s; i += 2)
if (n % i == 0)
break;
return i > s;
}

當然,這樣還不是很夠的話,我們可以考慮這個事實:
所有大於4的質數,被6除的餘數只能是1或者5
比如接下來的5,7,11,13,17,19都滿足

所以,我們可以特殊化先判斷2和3
但後面的問題就出現了,因爲並非簡單的遞增,從5開始是+2,+4,+2,+4,....這樣遞增的
這樣的話,循環應該怎麼寫呢?

首先,我們定義一個步長變量step,循環大概是這樣 for (i = 5; i <= s; i += step)
那麼,就是每次循環,讓step從2變4,或者從4變2
於是,可以這麼寫:
#include <stdio.h>
#include <math.h>

int isPrime(int n)
{
int i, s = (int)(sqrt((double)n) + 0.01), step = 4;
if (n <= 3) return 1;
if (n % 2 == 0) return 0;
if (n % 3 == 0) return 0;
for (i = 5; i <= s; i += step)
{
if (n % i == 0)
break;
step ^= 6;
}
return i > s;
}

int main()
{
int n;
for (n = 2; n < 100; ++n) //找出 2 - 100 的質數並輸出
{
if (isPrime(n)) printf("%d,", n);
}
getchar();
return 0;
}

如上代碼,一個 step ^= 6; 完成step在2和4之間轉換(這個 ^ 符號是C裏的異或運算)
理由是,2化二進制是010,4是100,6是110,於是2異或4得到6:
2 ^ 4 => 6
6 ^ 2 => 4
6 ^ 4 => 2

於是利用異或,就可以構造這種步長在兩個值之間來回變化的循環
思考題:前面說的是雙值循環,那麼如何構造三值或者四值循環?



2.菱形打印

很多人,打印菱形在控制檯的思路是,把菱形上下拆分,分兩段很接近的代碼來打印,
其實這樣代碼很不好看,並且不好閱讀
我們知道,要打印的圖案是這種:
   *
  ***
 *****
  ***
   *

滿足上下對稱,左右對稱,那麼,你能不能也弄一個二重循環,同樣是對稱的?
很簡單,首先我們要拋開習慣性思維,for循環不一定要在0開始或者0結束
我們可以讓循環從 -c 到 c ,這樣不就輕鬆產生一個對稱的嗎?(只要取個絕對值)
我們把菱形的中心看成是座標0,0,那麼,會輸出星號的座標,是 |x| + |y| <= c 的點

由此可得
#include <stdio.h>
#define IABS(x) ( (x) >= 0 ? (x) : -(x) ) //定義一個計算絕對值的宏
void print(int size) // size是這個菱形的半徑,直徑會是size * 2 + 1
{
int x, y;
for (y = -size; y <= size; y++)
{
for (x = -size; x <= size; x++)
{
if ( IABS(x) + IABS(y) <= size ) //x和y各自的絕對值的和,即 |x| + |y| <= size
putchar('*');
else
putchar(' ');
}
putchar('\n');
}
}

int main()
{
print(5); //輸出一個半徑爲5的菱形
getchar();
return 0;
}

如果我需要得到空心菱形呢?非常非常簡單,因爲菱形邊界上的點,滿足的是|x| + |y| == c
所以,我們只要把那個if裏的小於等於號,改成雙等於號 == 就可以了

再類似地,如果我不要*號,我要最外層是字母A,然後裏一層是B這樣呢?即:
    A
  ABA
ABCBA
  ABA
    A

那麼,我們只要在putchar那裏做一個字符計算:
void print(int size) // size是這個菱形的半徑,直徑會是size * 2 + 1
{
int x, y;
for (y = -size; y <= size; y++)
{
for (x = -size; x <= size; x++)
{
if ( IABS(x) + IABS(y) <= size ) //x和y各自的絕對值的和,即 |x| + |y| <= size
putchar( 'A' + (size - IABS(x) - IABS(y)) ); //留意這裏的計算方法
else
putchar(' ');
}
putchar('\n');
}
}

類似地,如果我們要打印的是X形:
*   *
 * *
  *
 * *
*   *
同樣可以利用這個思路完成,這題就作爲思考題吧



3. 奇數階幻方
所謂幻方(最基本的那種),就是橫,豎,對角線上的數的和等於一個常數的數字方陣
4 3 8
9 5 1
2 7 6

以上這個圖,有什麼規律?容易寫成代碼嗎?

我們把這個圖,向右複製五次,向下複製三次,展開一下:

4 3 8 4 3 8 4 3 8 4 3 8 4 3 8
9 5 1 9 5 1 9 5 1 9 5 1 9 5 1
2 7 6 2 7 6 2 7 6 2 7 6 2 7 6
4 3 8 4 3 8 4 3 8 4 3 8 4 3 8
9 5 1 9 5 1 9 5 1 9 5 1 9 5 1
2 7 6 2 7 6 2 7 6 2 7 6 2 7 6
4 3 8 4 3 8 4 3 8 4 3 8 4 3 8
9 5 1 9 5 1 9 5 1 9 5 1 9 5 1
2 7 6 2 7 6 2 7 6 2 7 6 2 7 6

注意藍色數字的走向
怎麼樣,現在呢?
現在看起來顯得規律性強了很多,但是,你會不會覺得循環還是不太好寫?
我們如何從一個給定的n,直接得知它的座標呢?
不難,找一下規律就可以發現對於任意的數值n+1有(以左上角爲0,0座標):
x = 2 + n + n / 3;
y = 1 + n - n / 3;

其實這個規律可以簡單擴展到任意奇數階幻方(以下size是奇數):
x = size / 2 + 1 + n + n / size; (注意這裏的除法是取整除法,不帶小數)
y = size / 2 + n - n / size;

這樣,我們就可以把原來複雜的循環,化簡成一重簡單循環

於是有程序:
#include <stdio.h>
#define SIZE 5 //定義幻方階數,這個數只能是奇數
int main()
{
int x, y, i, sqSize, hSize;
int sqMap[SIZE][SIZE];
sqSize = SIZE * SIZE;
hSize = SIZE / 2;
//計算1至SIZE * SIZE的數的位置並記錄
for ( i = 0; i < sqSize; i++)
{
x = hSize + 1 + i + i / SIZE;
y = hSize + i - i / SIZE;
sqMap[y % SIZE][x % SIZE] = i + 1;
}
//以下是輸出
for (y = 0; y < SIZE; y++)
{
for (x = 0; x < SIZE; x++)
printf("%4d", sqMap[y][x]);
puts("");
}
return 0;
}

這個比你網上能找到的很多求奇數階幻方的代碼都短小很多(不過網上較多稱之爲魔方陣,不知爲何)



4. 字符串循環移位

問題,給你一個字符串,要求循環左移n位
比如對"abcdefg" 循環左移2位,我們要得到"cdefgab"

附加條件,不能使用連續輔助空間(包括動態分配),只能使用若干單個變量(即O(1)空間)

首先,我們知道,反轉一個字符串操作("abcd"變"dcba"),是不需要額外數組輔助的,只要頭尾數據交換就可以了

然而,可能你不知道,僅僅使用字符串反轉可以實現字符串循環移位:


//反轉字符串,把st與ed所指向的中間的內容反轉(包含st不包含ed)
void str_rev(char* st, char *ed)
{
for (--ed; st < ed; ++st, --ed)
{
char c;
c = *st; *st = *ed; *ed = c;
}
}

//用三反轉等效左移字符串(st與ed之間,包含st不包含ed的內容)
char* str_shl(char* st, char* ed, int n)
{
str_rev(st, &st[n]);
str_rev( &st[n], ed);
str_rev(st, ed);
return st;
}

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
char str[] = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz";
puts( str_shl(str, str + strlen(str), 6) );
getchar();
return 0;
}

這裏,如果要循環左移n位,只要把原來字符串分成兩段,前n字符,和後面其它字符

兩段分別反轉,最後再整體反轉,就實現了循環左移(如果先整體再兩部分,就是循環右移)


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