在C语言中使用switch语句的while循环

Question

我最近看到了下面的代码片段，本以为会出现语法错误，但令我惊讶的是，这段代码产生了有效的输出。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int x = 2;

    switch(x) {
    case 1: printf("1"); break;

        do {
            case 2: printf("2 "); break;
            case 3: printf("3 "); break;
        } while(++x < 4);

        case 4: printf("4"); break;
    }
    return 0;
}

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output: 2 4

编译器：GCC 6.3

我发现一个相似的问题，但它并不能完全证明上述条件， C中混合使用'switch'和'while'

有人能解释一下：

1. 这里到底发生了什么？
2. 为什么不是语法错误？
3. 为什么case '3'被跳过了？

- TruthSeeker

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Stack Overflow中的一个评论指向了另一个有关Duff's Device的问题。它是有效的C代码，因为case标签的语法允许它们作为任何语句的前缀。编译器仅将它们实现为跳转指令（在其抽象机器中）。 - Eric Postpischil

Answer 1

case X: some_statement;是一个标记语句（6.8.1），就像goto_label: some_statement;一样，唯一的注意点是case/default标签只能出现在switch的主体内（可能在任意嵌套的复合语句中）。这使得case语句在语法上与switch松散耦合。

从语义上讲，switch可实现为计算的goto，与常规的goto一样，它们可以跳转到任何地方（在C11中，您无法跳过VLA声明），包括循环内部（请参见https://en.wikipedia.org/wiki/Duff%27s_device#Mechanism以了解另一种描述）。

在您的示例中，由于break，case 3：被跳过，但case 4：确实执行，因为case 3：后面的break是一个循环中断的break，而不是一个跳出switch的break（break/continue始终适用于它们可以适用的最近结构）。

- PSkocik

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如果我理解正确，case '2' 中的 break 已经导致了循环的终止，并且在 case '4' 中执行了 fall through 操作，最终退出了 switch。 - TruthSeeker

@prasadM 是的。如果你想轻松地查看像Duff's device这样的代码，那么就不要考虑与case紧密耦合的switches和fallthrough，只需将case标签视为一种特殊类型的goto标签，它只能在switches中使用。有了这个，fall-through就很自然了。do{/*...*/}while(/*...*/);内的break会直接跳到分号后面的位置。接下来是一个标记为case 4:的语句。它会被执行，因为它只是一个带标签的语句，所以代码不会跳到其他地方。 - Petr Skocik

Answer 2

switch 语句的官方 C 语法如下：

switch ( expression ) statement

任何 statement 都可以是标记语句，其语法包括：

case constant-expression : statement

这意味着你几乎可以在 switch 的主体内放置任何想要的内容: 它可以是一个包含多个语句和一个包含多个语句的 do-while 语句的复合语句，并且 case 标签可以前缀于其中的任何语句。

编译器仅使用跳转指令（在其抽象机器内）实现 switch。例如，像 do-while 这样的循环语句是通过测试控制表达式并有条件地跳转来实现的。因此，尽管在结构化语言中有一个好的结构，但最终归结为跳转指令，而这些指令可以按任意顺序交织在一起。

跳转并不是最令人困惑的部分，对象初始化和生命周期才更令人担忧。如果不小心处理，switch语句可能会无意中跳过对象的初始化。

由于控制从switch跳转到case 2然后中断，退出do-while循环，所以printf中的“3”永远不会被执行。这使代码停留在case 4语句处，打印“4”，然后跳出switch语句。

- Eric Postpischil