MATLAB - 循环

MATLAB - 循环结构和最佳实践

在编程中，循环（loop）是一种控制结构，它重复执行一段代码块，直到满足指定条件。循环对于自动化重复任务至关重要，例如处理数组中的元素或运行迭代算法。

循环的基本控制流程涉及条件检查。如果条件为真，循环体执行，然后再次检查条件。这会一直持续到条件变为假。

MATLAB 提供了两种主要的循环类型：for 和 while。

for 循环

for 循环以固定的次数执行代码块。它遍历向量或矩阵的元素，在每次迭代中为循环变量分配新值。

语法

for loopVariable = range
    % 要执行的代码
end

示例：数组元素求和

% 创建一个数字向量
data = [10, 20, 30, 40, 50];
total = 0; % 初始化累加器

% 遍历 'data' 中的每个元素
for val = data
    total = total + val;
end

fprintf('The sum is: %d\n', total);

while 循环

while 循环重复执行一段代码块，只要指定条件保持为真。迭代次数不是预先确定的，而是取决于条件。

语法

while condition
    % 要执行的代码
    % (必须包含能改变条件的代码)
end

示例：查找第一个大于 1000 的 2 的幂

n = 1;

while n < 1000
    n = n * 2;
end

fprintf('The first power of 2 greater than 1000 is: %d\n', n);

循环控制语句

你可以使用控制语句改变循环的流程：

• break：立即终止整个循环，执行在 end 关键字之后的语句处继续。
• continue：跳过当前迭代的其余部分，并继续循环的下一次迭代。

关键最佳实践：向量化和预分配

尽管循环是基础，但在 MATLAB 中过度使用它们会导致代码运行缓慢。MATLAB 针对**向量化（vectorized）**操作进行了优化，这些操作可以一次性作用于整个数组。在编写循环之前，请始终考虑是否存在向量化的替代方案。

向量化示例

让我们计算 1,000,000 个点的 $$y = \sin(x)$$。

x = linspace(0, 2*pi, 1e6);

% 慢速的 'for' 循环方法
tic; % 启动计时器
y_loop = zeros(1, 1e6);
for i = 1:length(x)
    y_loop(i) = sin(x(i));
end
toc; % 结束计时器

% 快速向量化方法
tic; % 启动计时器
y_vec = sin(x);
toc; % 结束计时器

% 向量化方法快几个数量级。

预分配示例

如果循环不可避免，你必须为在循环内部增长的数组预分配（pre-allocate）内存。否则，MATLAB 将被迫在每次迭代中重新调整数组大小，这效率极低。

% 差：在循环中增长数组
tic;
bad_array = [];
for i = 1:50000
    bad_array(i) = i^2;
end
toc;

% 好：使用 zeros() 预分配内存
tic;
good_array = zeros(1, 50000); % 一次性分配所有内存
for i = 1:50000
    good_array(i) = i^2;
end
toc;

% 预分配方法明显更快。