计算机程序的思维逻辑 (10) - 强大的循环

Posted 2020-08-26 黄金时代1.0

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
}

或

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？