计算机程序的思维逻辑 (9) - 强大的循环

循环

上节我们介绍了流程控制中的条件执行,根据具体条件不同执行不同操作。本节我们介绍流程控制中的循环,所谓循环就是多次重复执行某些类似的操作,这个操作一般不是完全一样的操作,而是类似的操作。都有哪些操作呢?这个例子太多了。

  • 展示照片,我们查看手机上的照片,背后的程序需要将照片一张张展示给我们。
  • 播放音乐,我们听音乐,背后程序按照播放列表一首首给我们放。
  • 查看消息,我们浏览朋友圈消息,背后程序将消息一条条展示给我们。

循环除了用于重复读取或展示某个列表中的内容,日常中的很多操作也要靠循环完成。

  • 在文件中,查找某个词,程序需要和文件中的词逐个比较(当然可能有更高效方式,但也离不开循环)。
  • 使用Excel对数据进行汇总,比如求和或平均值,需要循环处理每个单元的数据
  • 群发祝福消息给好友,程序需要循环给每个好友发。

当然,以上这些例子只是冰山一角,计算机程序运行时大概只能顺序执行、条件执行和循环执行,顺序和条件其实没什么特别,而循环大概才是程序强大的地方。凭借循环,计算机能够非常高效的完成人很难或无法完成的事情,比如说,在大量文件中查找包含某个搜索词的文档,对几十万条销售数据进行统计汇总等。

在Java中,循环有四种形式,分别是 while, do/while, for, foreach,下面我们分别来看一下。

while

while的语法为:

while(条件语句){ 代码块 }

while(条件语句) 代码;

while和if的语法很像,只是把if换成了while,它表达的含义也非常简单,只要条件语句为真,就一直执行后面的代码,为假就停止不做了。例如:

Scanner reader = new Scanner(System.in);
System.out.println("please input password");
int num = reader.nextInt();
int password = 6789;
while(num!=password){
    System.out.println("please input password");
    num = reader.nextInt();
}
System.out.println("correct");

reader.close();

以上代码中,我们使用类型为Scanner的reader变量从屏幕控制台接收数字,reader.nextInt()从屏幕接收一个数字,如果数字不是6789,就一直提示输入,否则才跳出循环。(以上代码Scanner我们还没有介绍过,可以忽略其细节,另外代码只用于解释语法,不应看做是实际良好代码)

while循环中,代码块中会有代码影响循环条件,但也经常不知道什么时候循环会退出。如上例所示,匹配的时候会退出但什么时候能匹配取决于用户的输入。

do/while

如果不管条件语句是什么,代码块都会至少执行一次,则可以使用do/while循环。do/while的语法是:

do{
 代码块;
}while(条件语句)

这个也很容易理解,先执行代码块,然后再判断条件语句,如果成立,则继续循环,否则退出循环。也就是,不管条件语句是什么,代码块都会至少执行一次。用上面的例子,其do/while循环是:

Scanner reader = new Scanner(System.in);
int password = 6789;
int num = 0;
do{
    System.out.println("please input password");    
    num = reader.nextInt();
}while(num!=password);
System.out.println("correct");
reader.close();

for

实际中应用最为广泛的循环语法可能是for了,尤其是在循环次数已知的情况下。for的语法是:

for(初始化语句; 循环条件; 步进操作){
   循环体

}

for后面的括号中有两个分号;,分隔了三条语句,除了循环条件必须返回一个boolean类型外,其他语句没有什么要求,但通常情况下第一条语句用于初始化,尤其是循环的索引变量,第三条语句修改循环变量,一般是步进,即递增或递减索引变量,循环体是在循环中执行的语句。

for循环简化了书写,但执行过程对初学者而言不是那么明显,实际上,它执行的流程是这样的:

  1. 执行初始化指令
  2. 检查循环条件是否为true,如果为false,跳转到第6步
  3. 循环条件为真,执行循环体
  4. 执行步进操作
  5. 步进操作执行完后,跳转到第2步,即继续检查循环条件。
  6. for循环后面的语句

下面是一个简单的for循环:

int[] arr = {1,2,3,4};
for(int i=0;i<arr.length;i++){
    System.out.println(arr[i]);
}

顺序打印数组中的每个元素,初始化语句初始化索引i为0,循环条件为索引小于数组长度,步进操作为递增索引i,循环体打印数组元素。

在for中,每个语句都是可以为空的,也就是说:

for(;;){}

是有效的,这是个死循环,一直在空转,和while(true){}的效果是一样的。可以省略某些语句,但分号;不能省。如:

int[] arr = {1,2,3,4};
int i=0;

for(;i<arr.length;i++){
    System.out.println(arr[i]);
}

索引变量在外面初始化了,所以初始化语句可以为空。

foreach

foreach的语法如下代码所示:

int[] arr = {1,2,3,4};
for(int element : arr){
    System.out.println(element);
}

foreach使用冒号 : ,冒号前面是循环中的每个元素,包括数据类型和变量名称,冒号后面是要遍历的数组或集合(关于集合我们后续文章介绍),每次循环element都会自动更新。对于不需要使用索引变量,只是简单遍历的情况,foreach语法上更为简洁。

循环控制 - break

在循环的时候,会以循环条件作为是否结束的依据,但有时候可能会根据别的条件提前结束循环。比如说,在一个数组中查找某个元素的时候,循环条件可能是到数组结束,但如果找到了元素,可能就会想提前结束循环,这时候可以使用break。

我们在介绍switch的时候提到过break,它用于跳转到switch外面。在循环的循环体中也可以使用break,它的含义和switch中类似,用于跳出循环,开始执行循环后面的语句。以在数组中查找元素作为例子,代码可能是:

int[] arr = ... ; //在该数组中查找元素
int toSearch = 100; //要查找的元素
int i = 0;
for(;i<arr.length;i++){
    if(arr[i]==toSearch){
        break;
    }
}
if(i!=arr.length){
    System.out.println("found");
}else{
    System.out.println("not found");
}

如果找到了,会调用break, break执行后会跳转到循环外面,不会再执行i++语句,所以即使是最后一个元素匹配,i也小于arr.length,而如果没有找到,i最后会变为arr.length,所以可根据i是否等于arr.length来判断是否找到了。

以上代码中,也可以将判断是否找到的检查放到循环条件中,但通常情况下,使用break可能会使代码更清楚一些。

循环控制 - continue

在循环的过程中,有的代码可能不需要每次循环都执行,这时候,可以使用continue语句,continue语句会跳过循环体中剩下的代码,然后执行步进操作。

。我们看个例子,以下代码统计一个数组中某个元素的个数:

int[] arr = ... //在该数组中查找元素
int toSearch = 2; //要查找的元素
int count = 0;
for(int i=0;i<arr.length;i++){
    if(arr[i]!=toSearch){
        continue;
    }
    count++;
}
System.out.println("found count "+count);

上面代码统计数组中值等于toSearch的元素个数,如果值不等于toSearch,则跳过剩下的循环代码,执行i++。以上代码也可以不用continue,使用相反的if判断也可以得到相同的结果,这只是个人偏好的问题,如果类似要跳过的情况比较多,使用continue可能会更简洁。

循环嵌套

和if类似,循环也可以嵌套,在一个循环体中开启另一个循环。在嵌套循环中,break语句只会跳出本层循环,continue也一样。

循环本质

和if一样,循环内部也是靠条件转移和无条件转移指令实现的。比如说下面的代码:

int[] arr = {1,2,3,4};
for(int i=0;i<arr.length;i++){
    System.out.println(arr[i]);
}

其对应的跳转过程可能为:

1. int[] arr = {1,2,3,4}; 2. int i=0;

3. 条件跳转:如果i>=arr.length,跳转到第7行

4. System.out.println(arr[i]);

5. i++

6. 无条件跳转,跳转到第3行

7. 其他代码

在if中,跳转只会往后面跳,而for会往前面跳,第6行就是无条件跳转指令,跳转到了前面的第3行。break/continue语句也都会转换为跳转指令。

循环小结

循环的语法总体上也是比较简单的,初学者需要注意的是for的执行过程,以及break和continue的含义。

虽然循环看起来只是重复执行一些类似的操作而已,但它其实是计算机程序解决问题的一种基本思维方式,凭借循环(当然还有别的),计算机程序可以发挥出强大的能力,比如说批量转换数据,查找过滤数据,统计汇总等。

使用基本数据类型、数组、基本运算、加上条件和循环,其实已经可以写很多程序了,但使用基本类型和将代码都放在一起,程序难以理解,尤其是程序逻辑比较复杂的时候。

解决复杂问题的基本策略是分而治之,将复杂问题分解为若干不那么复杂的子问题,然后子问题再分解为更小的子问题……程序由数据和指令组成,大程序可以分解为小程序,小程序接着分解为更小的程序。那如何表示子程序,以及子程序之间如何协调呢?

原文发布于微信公众号 - 老马说编程(laoma_shuo)

原文发表时间:2016-04-28

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