C++零基础到工程实战（4.2）：while循环流程控制与条件表达式实战——使用system和cin实现支持ls的Shell

目录一、本节学习内容概要图二、前言三、while 循环的基本逻辑与执行流程3.1 while 的基本语法3.2 while 和 for 的区别四、while 中的 break、continue 与表达式条件4.1 break立即结束整个循环4.2 continue跳过本次进入下一次循环4.3 while 无限循环时为什么一定要有退出逻辑1单线程2多线程程序4.4 while 也可以直接写表达式条件1index 102index 10五、system 函数的作用与使用方式5.1 system 是什么5.2 system(dir) 的作用六、string 为什么不能直接传给 system6.1 system 需要的是 const char*6.2 string 对象可以通过 c_str() 转换1string 是类型2cmd 是对象也是变量3c_str() 是 string 的成员函数6.3 这一句怎么理解七、cin 输入机制与缓冲区理解7.1 cin str 的特点7.2 为什么包含空格的内容要多次 cin 或者用 getline1多次用 cin 读取2使用 getline7.3 cin.rdbuf()-in_avail() 是什么八、项目实战实现一个支持 ls 的简易 Shell8.1 项目需求8.2 完整代码8.3 代码分析(1) 退出标志位(2) 持续显示提示符并读取命令(3) 如果命令是 ls就转换为 dir(4) 判断后面是否还带参数1 )情况一用户输入 ls2) 情况二用户输入 ls c:(5) 为什么执行时必须写 c_str()(6) 输入 exit 或 quit 退出程序(7) 不支持的命令要报错提示(8) 这个版本有哪些局限1目前只支持一个参数2不适合读取带空格的路径3依赖 Windows 的 dir九、本节小结9.1 while 的核心思想9.2 break 和 continue 的区别9.3 表达式条件要分清前置和后置自增9.4 system 是执行系统命令的函数9.5 string 和 const char* 不是一回事9.6 cin 是按空白符分割输入9.7 这个 Shell 项目本质上是在练什么一、本节学习内容概要图二、前言在前面的 C 学习中我们已经接触了if、switch、for等基础流程控制语句。到了这一节重点要进入另一个非常常用的循环结构while。while的特点非常明显它只有“条件判断”这一个核心入口只要条件为真就会一直重复执行循环体中的代码当条件变为假时循环结束。相比for循环while更适合下面这类场景不确定循环次数需要一直等待用户输入需要根据运行过程中的状态决定什么时候退出适合写交互式程序、菜单程序、命令行程序、Shell 程序本节除了讲清楚while的流程控制思想还会结合system、cin、string::c_str()等知识点完成一个小项目在 Windows 上实现一个支持ls命令的简易 Shell三、while 循环的基本逻辑与执行流程3.1 while 的基本语法while的语法非常简单while (条件) { 循环体; }它的执行过程可以理解为先判断条件是否为true如果为true执行一次循环体执行完后再次判断条件条件仍然为true继续执行直到条件变为false循环结束例如int index 0; while (index 5) { cout index endl; index; }执行过程是index 0满足index 5输出0index 1满足条件输出1index 2满足条件输出2index 3满足条件输出3index 4满足条件输出4index 5不满足条件结束循环3.2 while 和 for 的区别很多初学者会问while和for有什么区别可以这样理解for更适合“循环次数明确”的情况比如循环 10 次、遍历数组、遍历容器。而while更适合“循环次数不明确”的情况比如用户不退出就一直运行网络连接未断开就一直监听游戏主循环持续运行菜单程序反复等待用户输入例如bool is_exit false; while (!is_exit) { // 不退出就一直执行 }所以这节用while来写简易 Shell是非常典型的工程思路。四、while 中的 break、continue 与表达式条件4.1 break立即结束整个循环break的作用是直接退出当前循环。例如int index 0; while (true) { index; if (index 5) break; cout index ; }输出结果1 2 3 4 5因为当index 5时执行break整个while直接结束。4.2 continue跳过本次进入下一次循环continue的作用是结束本次循环剩余语句直接进入下一轮判断。例如int index 0; while (index 10) { index; if (index % 2 0) continue; cout index ; }输出结果1 3 5 7 9因为偶数时执行continue本次后面的cout不执行直接进入下一次循环。4.3 while 无限循环时为什么一定要有退出逻辑最经典的无限循环写法while (1) { }或者while (true) { }这类写法本身没有问题很多服务程序、监听程序、菜单程序都会这么写。但必须注意一点一定要设计退出条件通常通过break或标志位结束循环。例如bool is_exit false; while (!is_exit) { if (某个条件满足) is_exit true; }否则程序就会一直跑下去无法正常退出。1单线程无限循环如果没有退出逻辑程序将一直停留在循环中无法正常结束。2多线程程序避免程序退出时子线程还在跑4.4 while 也可以直接写表达式条件while的条件里不一定非要写简单变量比较也可以直接写表达式。例如int index 0; while (index 10) { cout index ; }这个例子非常适合练习前置、后置自增的理解。1index 10这是后置自增先参与比较再自增。假设开始时index 0比较时用的是旧值0比较完后index变成1进入循环后输出的是1所以最终输出1 2 3 4 5 6 7 8 9 102index 10这是前置自增先自增再比较。int index 0; while (index 10) { cout index ; }执行时先变成1再比较1 10最终输出1 2 3 4 5 6 7 8 9这两个写法很像但结果不同这正是表达式条件容易出错的地方。五、system 函数的作用与使用方式5.1 system 是什么system是 C/C 标准库中提供的一个函数用来执行操作系统命令。它的函数原型通常是int system(const char* command);使用它时需要包含头文件#include cstdlib它的意思可以理解成把一条字符串形式的命令交给操作系统的命令解释器去执行。也就是说system(dir);和你在 Windows 命令行窗口手动输入dir效果本质上是一样的。5.2 system(dir) 的作用在 Windows 系统中system(dir);就相当于当前程序所在目录打开一个命令执行环境执行dir把当前目录内容打印出来表示列出当前目录下的文件和子目录。这就是为什么在这个项目里我们可以把用户输入的ls转换成 Windows 的dir命令从而“模拟” Linux 风格的ls。六、string 为什么不能直接传给 system6.1 system 需要的是 const char*system的参数类型是const char* command这说明它要接收的是C 风格字符串而不是 C 的std::string对象。例如下面这样写是不行的string cmd dir; system(cmd); // 错误因为cmd是一个string对象而system想要的是const char*。6.2 string 对象可以通过 c_str() 转换std::string提供了一个很常用的成员函数c_str()作用是返回该字符串内部对应的C 风格字符串指针。写法如下string cmd dir; system(cmd.c_str());这里要理解几个点1string是类型string cmd;这里的string是类型名。2cmd是对象也是变量cmd本质上是一个string类型对象我们平时也把它叫变量。3c_str()是 string 的成员函数也就是cmd这个对象可以调用自己的方法cmd.c_str()它返回的是const char*于是就可以传给system。6.3 这一句怎么理解system(execcmd.c_str());这句话可以拆成两步看第一步先把execcmd从string转成const char*execcmd.c_str()第二步把得到的 C 风格字符串交给systemsystem(...)所以整句的意思就是执行变量execcmd里面保存的系统命令。七、cin 输入机制与缓冲区理解7.1 cin str 的特点cin str;这是最常见的输入写法它会读取一个“以空白符为分隔”的字符串。所谓空白符包括空格Tab回车换行例如输入hello world如果执行string str; cin str;那么str只会读到hello后面的world还留在输入缓冲区中。7.2 为什么包含空格的内容要多次 cin 或者用 getline如果你想读取一整行包括中间空格那么单纯使用cin str;是不够的。有两种常见思路1多次用cin 读取2使用getline如果想一次把整行都读进来更常见的方法是string line; getline(cin, line);这样整行都可以读到。所以严格来说cin 适合按“单词”读getline适合按“整行”读7.3 cin.rdbuf()-in_avail() 是什么这一句cin.rdbuf()-in_avail()表示查看当前输入缓冲区中还有多少字符可以读取。在你的代码里作用是if (std::cin.rdbuf()-in_avail() 1) { std::cin arg; execcmd arg; }目的是判断ls后面是不是还跟了参数。如果用户输入ls那么通常读完cmd后缓冲区里可能只剩一个换行符 \n。如果用户输入ls c:那么读完cmd后缓冲区里通常还会有空格c:一个换行所以可读字符数往往会大于 1。八、项目实战实现一个支持 ls 的简易 Shell在 Windows 下实现一个简易命令行程序让用户输入ls时底层调用dir命令。8.1 项目需求本项目实现以下功能使用while持续接收用户输入支持输入ls支持ls不带参数支持ls带一个参数使用system调用 Windows 的dir命令输入exit或quit时退出程序不支持的命令给出提示8.2 完整代码#include iostream #include string using namespace std; int main() { bool is_exit{ false }; while (!is_exit) { string cmd; string execcmd; std::cout xshell; std::cin cmd; if (cmd ls) { execcmd dir; string arg; if (std::cin.rdbuf()-in_avail() 1) { std::cin arg; execcmd arg; } system(execcmd.c_str()); } else if (cmd exit || cmd quit) { is_exit true; continue; } else { cerr 命令 cmd 不支持! endl; } } return 0; }8.3 代码分析(1) 退出标志位bool is_exit{ false };这里定义了一个布尔变量初始值为false表示程序暂时不退出。然后配合while (!is_exit)意思就是只要 is_exit 还是 false循环就一直继续。这就是典型的“标志位控制循环”。(2) 持续显示提示符并读取命令std::cout xshell; std::cin cmd;效果类似很多命令行程序中的输入提示符比如xshell用户在这个提示符后输入命令(3) 如果命令是 ls就转换为 dirif (cmd ls) { execcmd dir; }因为在Windows 中没有 Linux 那样的ls命令所以这里手动把ls翻译成dir。这就是“模拟 Shell 命令映射”的思想。(4) 判断后面是否还带参数string arg; if (std::cin.rdbuf()-in_avail() 1) { std::cin arg; execcmd arg; }这里的目的是支持ls c:执行过程如下1 )情况一用户输入lscmd读到ls缓冲区可能只剩换行不读取参数执行system(dir);2) 情况二用户输入ls c:cmd读到ls缓冲区里还有c:\n再读一个参数arg拼接成dir c:最终执行system(dir c:);(5) 为什么执行时必须写 c_str()system(execcmd.c_str());因为execcmd是stringsystem要的是const char*所以要调用c_str()完成类型转换。(6) 输入 exit 或 quit 退出程序else if (cmd exit || cmd quit) { is_exit true; continue; }这里表示如果用户输入exit或者输入quit就把退出标志位置为true下一轮再判断while (!is_exit)就会变成while (!true)也就是false循环结束。(7) 不支持的命令要报错提示else { cerr 命令 cmd 不支持! endl; }如果用户输入abc程序会提示命令abc不支持!这也是交互式程序中很重要的一点即使命令不支持也要给用户明确反馈。(8) 这个版本有哪些局限这个简易 Shell 已经能完成基本功能但它还有一些限制1目前只支持一个参数例如ls c:可以处理但像ls c: /a当前代码就不够用了。2不适合读取带空格的路径例如ls C:\Program Files由于cin arg遇到空格就停所以无法完整读到。更完整的写法通常要改成getline。3依赖 Windows 的dir也就是说这个程序本质上是用户输入 Linux 风格的ls程序内部翻译成 Windows 的dir它不是跨平台 Shell只是一个教学演示版。九、本节小结这一节表面上是在学while实际上已经把多个知识点串起来了。我们需要真正掌握的是9.1 while 的核心思想while只有一个条件判断只要条件为真就持续重复执行条件为假循环结束。它特别适合菜单程序持续输入程序服务循环Shell 交互程序9.2 break 和 continue 的区别break退出整个循环continue跳过本次剩余语句进入下一轮循环9.3 表达式条件要分清前置和后置自增while (index 10) while (index 10)这两种写法结果不同原因在于“先比较还是先自增”。9.4 system 是执行系统命令的函数system(dir);本质上就是让程序去调用操作系统命令解释器执行命令。9.5 string 和 const char* 不是一回事system不能直接接收string需要通过cmd.c_str() // string的对象.c_str()转成const char*。9.6 cin 是按空白符分割输入它适合读取单词不适合直接读取带空格的一整行内容。要读取整行更推荐getline。9.7 这个 Shell 项目本质上是在练什么表面是“支持 ls 命令”本质是在练while 循环控制用户输入处理条件判断字符串拼接系统命令调用退出逻辑设计