谜题26：在循环中

Posted 2021-01-14 yuyu666

下面的程序计算了一个循环的迭代次数，并且在该循环终止时将这个计数值打印了出来。那么，它打印的是什么呢？

public class InTheLoop {

    public static final int END = Integer.MAX_VALUE;

    public static final int START = END - 100;

    public static void main(String[] args) {

        int count = 0;

        for (int i = START; i <= END; i++)

            count++;

        System.out.println(count);

    }

}

如果你没有非常仔细地查看这个程序，你可能会认为它将打印100，因为END比START大100。如果你稍微仔细一点，你可能会发现该程序没有使用典型的循环惯用法。大多数的循环会在循环索引小于终止值时持续运行，而这个循环则是在循环索引小于或等于终止值时持续运行。所以它会打印101，对吗？

嗯，根本不对。如果你运行该程序，就会发现它压根就什么都没有打印。更糟的是，它会持续运行直到你撤销它为止。它从来都没有机会去打印count，因为在打印它的语句之前插入的是一个无限循环。

问题在于这个循环会在循环索引（i）小于或等于Integer.MAX_VALUE时持续运行，但是所有的int变量都是小于或等于Integer.MAX_VALUE的。因为它被定义为所有int数值中的最大值。当i达到Integer.MAX_VALUE，并且再次被执行增量操作时，它就有绕回到了Integer.MIN_VALUE。

如果你需要的循环会迭代到int数值的边界附近时，你最好是使用一个long变量作为循环索引。只需将循环索引的类型从int改变为long就可以解决该问题，从而使程序打印出我们所期望的101：

for (long i = START; i <= END; i++)

更一般地讲，这里的教训就是int不能表示所有的整数。无论你在何时使用了一个整数类型，都要意识到其边界条件。如果其数值下溢或是上溢了，会怎么样呢？所以通常最好是使用一个取之范围更大的类型。（整数类型包括byte、char、short、int和long。）

不使用long类型的循环索引变量也可以解决该问题，但是它看起来并不那么漂亮：

int i = START;

do {

    count++;

}while (i++ != END);

如果清晰性和简洁性占据了极其重要的地位，那么在这种情况下使用一个long类型的循环索引几乎总是最佳方案。

但是有一个例外：如果你在所有的（或者几乎所有的）int数值上迭代，那么使用int类型的循环索引的速度大约可以提高一倍。下面是将f函数作用于所有40亿个int数值上的惯用法：

//Apply the function f to all four billion int values

int i = Integer.MIN_VALUE;

do {

    f(i);

}while (i++ != Integer.MAX_VALUE);

该谜题对语言设计者的教训与谜题3相同：可能真的值得去考虑，应该对那些不会在产生溢出时而不抛出异常的算术运算提供支持。同时，可能还值得去考虑，应该对那些在整数值范围之上进行迭代的循环进行特殊设计，就像许多其他语言所做的那样。