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# 3.2 执行控制 (3)2 执行控制 Java使用了C的全部控制语句,所以假期您以前用C或C++编程,其中大多数都应是非常熟悉的。大多数程序化的编程语言都提供了某种形式的控制语句,这在语言间通常是共通的。在Java里,涉及的关键字包括`if-else`、`while`、`do-while`、`for`以及一个名为`switch`的选择语句。然而,Java并不支持非常有害的`goto`(它仍是解决某些特殊问题的权宜之计)。仍然可以进行象`goto`那样的跳转,但比典型的`goto`要局限多了。 ## 3.2.1 真和假 所有条件语句都利用条件表达式的真或假来决定执行流程。条件表达式的一个例子是`A==B`。它用条件运算符`==`来判断`A`值是否等于`B`值。该表达式返回`true`或`false`。本章早些时候接触到的所有关系运算符都可拿来构造一个条件语句。注意Java不允许我们将一个数字作为布尔值使用,即使它在C和C++里是允许的(真是非零,而假是零)。若想在一次布尔测试中使用一个非布尔值——比如在`if(a)`里,那么首先必须用一个条件表达式将其转换成一个布尔值,例如`if(a!=0)`。 ## 3.2.2 `if-else` `if-else`语句或许是控制程序流程最基本的形式。其中的`else`是可选的,所以可按下述两种形式来使用`if`: ``` if(布尔表达式) 语句 ``` 或者 ``` if(布尔表达式) 语句 else 语句 ``` 条件必须产生一个布尔结果。“语句”要么是用分号结尾的一个简单语句,要么是一个复合语句——封闭在括号内的一组简单语句。在本书任何地方,只要提及“语句”这个词,就有可能包括简单或复合语句。 作为`if-else`的一个例子,下面这个`test()`方法可告诉我们猜测的一个数字位于目标数字之上、之下还是相等: ``` static int test(int testval) { int result = 0; if(testval > target) result = -1; else if(testval < target) result = +1; else result = 0; // match return result; } ``` 最好将流程控制语句缩进排列,使读者能方便地看出起点与终点。 (1) `return` `return`关键字有两方面的用途:指定一个方法返回什么值(假设它没有`void`返回值),并立即返回那个值。可据此改写上面的`test()`方法,使其利用这些特点: ``` static int test2(int testval) { if(testval > target) return -1; if(testval < target) return +1; return 0; // match } ``` 不必加上`else`,因为方法在遇到`return`后便不再继续。 ## 3.2.3 迭代 `while`,`do-while`和`for`控制着循环,有时将其划分为“迭代语句”。除非用于控制迭代的布尔表达式得到“假”的结果,否则语句会重复执行下去。`while`循环的格式如下: ``` while(布尔表达式) 语句 ``` 在循环刚开始时,会计算一次“布尔表达式”的值。而对于后来每一次额外的循环,都会在开始前重新计算一次。 下面这个简单的例子可产生随机数,直到符合特定的条件为止: ``` //: WhileTest.java // Demonstrates the while loop public class WhileTest { public static void main(String[] args) { double r = 0; while(r < 0.99d) { r = Math.random(); System.out.println(r); } } } ///:~ ``` 它用到了`Math`库里的`static`(静态)方法`random()`。该方法的作用是产生0和1之间(包括0,但不包括1)的一个`double`值。`while`的条件表达式意思是说:“一直循环下去,直到数字等于或大于0.99”。由于它的随机性,每运行一次这个程序,都会获得大小不同的数字列表。 ## 3.2.4 `do-while` `do-while`的格式如下: ``` do 语句 while(布尔表达式) ``` `while`和`do-while`唯一的区别就是`do-while`肯定会至少执行一次;也就是说,至少会将其中的语句“过一遍”——即便表达式第一次便计算为`false`。而在`while`循环结构中,若条件第一次就为`false`,那么其中的语句根本不会执行。在实际应用中,`while`比`do-while`更常用一些。 ## 3.2.5 `for` `for`循环在第一次迭代之前要进行初始化。随后,它会进行条件测试,而且在每一次迭代的时候,进行某种形式的“步进”(Stepping)。`for`循环的形式如下: ``` for(初始表达式; 布尔表达式; 步进) 语句 ``` 无论初始表达式,布尔表达式,还是步进,都可以置空。每次迭代前,都要测试一下布尔表达式。若获得的结果是`false`,就会继续执行紧跟在`for`语句后面的那行代码。在每次循环的末尾,会计算一次步进。 `for`循环通常用于执行“计数”任务: ``` //: ListCharacters.java // Demonstrates "for" loop by listing // all the ASCII characters. public class ListCharacters { public static void main(String[] args) { for( char c = 0; c < 128; c++) if (c != 26 ) // ANSI Clear screen System.out.println( "value: " + (int)c + " character: " + c); } } ///:~ ``` 注意变量`c`是在需要用到它的时候定义的——在`for`循环的控制表达式内部,而非在由起始花括号标记的代码块的最开头。`c`的作用域是由`for`控制的表达式。 以于象C这样传统的程序化语言,要求所有变量都在一个块的开头定义。所以在编译器创建一个块的时候,它可以为那些变量分配空间。而在Java和C++中,则可在整个块的范围内分散变量声明,在真正需要的地方才加以定义。这样便可形成更自然的编码风格,也更易理解。 可在`for`语句里定义多个变量,但它们必须具有同样的类型: ``` for(int i = 0, j = 1; i < 10 && j != 11; i++, j++) /* body of for loop */; ``` 其中,`for`语句内的`int`定义同时覆盖了`i`和`j`。只有`for`循环才具备在控制表达式里定义变量的能力。对于其他任何条件或循环语句,都不可采用这种方法。 (1) 逗号运算符 早在第1章,我们已提到了逗号运算符——注意不是逗号分隔符;后者用于分隔函数的不同参数。Java里唯一用到逗号运算符的地方就是`for`循环的控制表达式。在控制表达式的初始化和步进控制部分,我们可使用一系列由逗号分隔的语句。而且那些语句均会独立执行。前面的例子已运用了这种能力,下面则是另一个例子: ``` //: CommaOperator.java public class CommaOperator { public static void main(String[] args) { for(int i = 1, j = i + 10; i < 5; i++, j = i * 2) { System.out.println("i= " + i + " j= " + j); } } } ///:~ ``` 输出如下: ``` i= 1 j= 11 i= 2 j= 4 i= 3 j= 6 i= 4 j= 8 ``` 大家可以看到,无论在初始化还是在步进部分,语句都是顺序执行的。此外,尽管初始化部分可设置任意数量的定义,但都属于同一类型。 ## 3.2.6 中断和继续 在任何循环语句的主体部分,亦可用`break`和`continue`控制循环的流程。其中,`break`用于强行退出循环,不执行循环中剩余的语句。而`continue`则停止执行当前的迭代,然后退回循环起始和,开始新的迭代。 下面这个程序向大家展示了`break`和`continue`在`for`和`while`循环中的例子: ``` //: BreakAndContinue.java // Demonstrates break and continue keywords public class BreakAndContinue { public static void main(String[] args) { for(int i = 0; i < 100; i++) { if(i == 74) break; // Out of for loop if(i % 9 != 0) continue; // Next iteration System.out.println(i); } int i = 0; // An "infinite loop": while(true) { i++; int j = i * 27; if(j == 1269) break; // Out of loop if(i % 10 != 0) continue; // Top of loop System.out.println(i); } } } ///:~ ``` 在这个`for`循环中,`i`的值永远不会到达100。因为一旦`i`到达74,`break`语句就会中断循环。通常,只有在不知道中断条件何时满足时,才需象这样使用`break`。只要`i`不能被9整除,`continue`语句会使程序流程返回循环的最开头执行(所以使`i`值递增)。如果能够整除,则将值显示出来。 第二部分向大家揭示了一个“无限循环”的情况。然而,循环内部有一个`break`语句,可中止循环。除此以外,大家还会看到`continue`移回循环顶部,同时不完成剩余的内容(所以只有在i值能被9整除时才打印出值)。输出结果如下: ``` 0 9 18 27 36 45 54 63 72 10 20 30 40 ``` 之所以显示0,是由于`0%9`等于0。 无限循环的第二种形式是`for(;;)`。编译器将`while(true)`与`for(;;)`看作同一回事。所以具体选用哪个取决于自己的编程习惯。 (1) 臭名昭著的`goto` `goto`关键字很早就在程序设计语言中出现。事实上,`goto`是汇编语言的程序控制结构的始祖:“若条件`A`,则跳到这里;否则跳到那里”。若阅读由几乎所有编译器生成的汇编代码,就会发现程序控制里包含了许多跳转。然而,`goto`是在源码的级别跳转的,所以招致了不好的声誉。若程序总是从一个地方跳到另一个地方,还有什么办法能识别代码的流程呢?随着Edsger Dijkstra著名的“Goto有害”论的问世,`goto`便从此失宠。 事实上,真正的问题并不在于使用`goto`,而在于`goto`的滥用。而且在一些少见的情况下,`goto`是组织控制流程的最佳手段。 尽管`goto`仍是Java的一个保留字,但并未在语言中得到正式使用;Java没有`goto`。然而,在`break`和`continue`这两个关键字的身上,我们仍然能看出一些`goto`的影子。它并不属于一次跳转,而是中断循环语句的一种方法。之所以把它们纳入`goto`问题中一起讨论,是由于它们使用了相同的机制:标签。 “标签”是后面跟一个冒号的标识符,就象下面这样: ``` label1: ``` 对Java来说,唯一用到标签的地方是在循环语句之前。进一步说,它实际需要紧靠在循环语句的前方——在标签和循环之间置入任何语句都是不明智的。而在循环之前设置标签的唯一理由是:我们希望在其中嵌套另一个循环或者一个开关。这是由于`break`和`continue`关键字通常只中断当前循环,但若随同标签使用,它们就会中断到存在标签的地方。如下所示: ``` label1: 外部循环{ 内部循环{ //... break; //1 //... continue; //2 //... continue label1; //3 //... break label1; //4 } } ``` 在条件1中,`break`中断内部循环,并在外部循环结束。在条件2中,`continue`移回内部循环的起始处。但在条件3中,`continue label1`却同时中断内部循环以及外部循环,并移至`label1`处。随后,它实际是继续循环,但却从外部循环开始。在条件4中,break label1也会中断所有循环,并回到label1处,但并不重新进入循环。也就是说,它实际是完全中止了两个循环。 下面是`for`循环的一个例子: ``` //: LabeledFor.java // Java’s "labeled for loop" public class LabeledFor { public static void main(String[] args) { int i = 0; outer: // Can't have statements here for(; true ;) { // infinite loop inner: // Can't have statements here for(; i < 10; i++) { prt("i = " + i); if(i == 2) { prt("continue"); continue; } if(i == 3) { prt("break"); i++; // Otherwise i never // gets incremented. break; } if(i == 7) { prt("continue outer"); i++; // Otherwise i never // gets incremented. continue outer; } if(i == 8) { prt("break outer"); break outer; } for(int k = 0; k < 5; k++) { if(k == 3) { prt("continue inner"); continue inner; } } } } // Can't break or continue // to labels here } static void prt(String s) { System.out.println(s); } } ///:~ ``` 这里用到了在其他例子中已经定义的`prt()`方法。 注意`break`会中断`for`循环,而且在抵达`for`循环的末尾之前,递增表达式不会执行。由于`break`跳过了递增表达式,所以递增会在`i==3`的情况下直接执行。在`i==7`的情况下,`continue outer`语句也会到达循环顶部,而且也会跳过递增,所以它也是直接递增的。 下面是输出结果: ``` i = 0 continue inner i = 1 continue inner i = 2 continue i = 3 break i = 4 continue inner i = 5 continue inner i = 6 continue inner i = 7 continue outer i = 8 break outer ``` 如果没有`break outer`语句,就没有办法在一个内部循环里找到出外部循环的路径。这是由于break本身只能中断最内层的循环(对于`continue`同样如此)。 当然,若想在中断循环的同时退出方法,简单地用一个`return`即可。 下面这个例子向大家展示了带标签的`break`以及`continue`语句在`while`循环中的用法: ``` //: LabeledWhile.java // Java's "labeled while" loop public class LabeledWhile { public static void main(String[] args) { int i = 0; outer: while(true) { prt("Outer while loop"); while(true) { i++; prt("i = " + i); if(i == 1) { prt("continue"); continue; } if(i == 3) { prt("continue outer"); continue outer; } if(i == 5) { prt("break"); break; } if(i == 7) { prt("break outer"); break outer; } } } } static void prt(String s) { System.out.println(s); } } ///:~ ``` 同样的规则亦适用于`while`: (1) 简单的一个`continue`会退回最内层循环的开头(顶部),并继续执行。 (2) 带有标签的`continue`会到达标签的位置,并重新进入紧接在那个标签后面的循环。 (3) `break`会中断当前循环,并移离当前标签的末尾。 (4) 带标签的`break`会中断当前循环,并移离由那个标签指示的循环的末尾。 这个方法的输出结果是一目了然的: ``` Outer while loop i = 1 continue i = 2 i = 3 continue outer Outer while loop i = 4 i = 5 break Outer while loop i = 6 i = 7 break outer ``` 大家要记住的重点是:在Java里唯一需要用到标签的地方就是拥有嵌套循环,而且想中断或继续多个嵌套级别的时候。 在Dijkstra的“Goto有害”论中,他最反对的就是标签,而非`goto`。随着标签在一个程序里数量的增多,他发现产生错误的机会也越来越多。标签和`goto`使我们难于对程序作静态分析。这是由于它们在程序的执行流程中引入了许多“怪圈”。但幸运的是,Java标签不会造成这方面的问题,因为它们的活动场所已被限死,不可通过特别的方式到处传递程序的控制权。由此也引出了一个有趣的问题:通过限制语句的能力,反而能使一项语言特性更加有用。 ## 3.2.7 开关 “开关”(`Switch`)有时也被划分为一种“选择语句”。根据一个整数表达式的值,`switch`语句可从一系列代码选出一段执行。它的格式如下: ``` switch(整数选择因子) { case 整数值1 : 语句; break; case 整数值2 : 语句; break; case 整数值3 : 语句; break; case 整数值4 : 语句; break; case 整数值5 : 语句; break; //.. default:语句; } ``` 其中,“整数选择因子”是一个特殊的表达式,能产生整数值。`switch`能将整数选择因子的结果与每个整数值比较。若发现相符的,就执行对应的语句(简单或复合语句)。若没有发现相符的,就执行`default`语句。 在上面的定义中,大家会注意到每个`case`均以一个`break`结尾。这样可使执行流程跳转至`switch`主体的末尾。这是构建`switch`语句的一种传统方式,但`break`是可选的。若省略`break`,会继续执行后面的`case`语句的代码,直到遇到一个`break`为止。尽管通常不想出现这种情况,但对有经验的程序员来说,也许能够善加利用。注意最后的`default`语句没有`break`,因为执行流程已到了`break`的跳转目的地。当然,如果考虑到编程风格方面的原因,完全可以在`default`语句的末尾放置一个`break`,尽管它并没有任何实际的用处。 `switch`语句是实现多路选择的一种易行方式(比如从一系列执行路径中挑选一个)。但它要求使用一个选择因子,并且必须是`int`或`char`那样的整数值。例如,假若将一个字符串或者浮点数作为选择因子使用,那么它们在`switch`语句里是不会工作的。对于非整数类型,则必须使用一系列`if`语句。 下面这个例子可随机生成字母,并判断它们是元音还是辅音字母: ``` //: VowelsAndConsonants.java // Demonstrates the switch statement public class VowelsAndConsonants { public static void main(String[] args) { for(int i = 0; i < 100; i++) { char c = (char)(Math.random() * 26 + 'a'); System.out.print(c + ": "); switch(c) { case 'a': case 'e': case 'i': case 'o': case 'u': System.out.println("vowel"); break; case 'y': case 'w': System.out.println( "Sometimes a vowel"); break; default: System.out.println("consonant"); } } } } ///:~ ``` 由于`Math.random()`会产生0到1之间的一个值,所以只需将其乘以想获得的最大随机数(对于英语字母,这个数字是26),再加上一个偏移量,得到最小的随机数。 尽管我们在这儿表面上要处理的是字符,但`switch`语句实际使用的字符的整数值。在`case`语句中,用单引号封闭起来的字符也会产生整数值,以便我们进行比较。 请注意`case`语句相互间是如何聚合在一起的,它们依次排列,为一部分特定的代码提供了多种匹配模式。也应注意将`break`语句置于一个特定`case`的末尾,否则控制流程会简单地下移,并继续判断下一个条件是否相符。 (1) 具体的计算 应特别留意下面这个语句: ``` char c = (char)(Math.random() * 26 + 'a'); ``` `Math.random()`会产生一个`double`值,所以26会转换成`double`类型,以便执行乘法运算。这个运算也会产生一个`double`值。这意味着为了执行加法,必须无将`'a'`转换成一个`double`。利用一个“转换”,`double`结果会转换回`char`。 我们的第一个问题是,转换会对`char`作什么样的处理呢?换言之,假设一个值是29.7,我们把它转换成一个`char`,那么结果值到底是30还是29呢?答案可从下面这个例子中得到: ``` //: CastingNumbers.java // What happens when you cast a float or double // to an integral value? public class CastingNumbers { public static void main(String[] args) { double above = 0.7, below = 0.4; System.out.println("above: " + above); System.out.println("below: " + below); System.out.println( "(int)above: " + (int)above); System.out.println( "(int)below: " + (int)below); System.out.println( "(char)('a' + above): " + (char)('a' + above)); System.out.println( "(char)('a' + below): " + (char)('a' + below)); } } ///:~ ``` 输出结果如下: ``` above: 0.7 below: 0.4 (int)above: 0 (int)below: 0 (char)('a' + above): a (char)('a' + below): a ``` 所以答案就是:将一个`float`或`double`值转换成整数值后,总是将小数部分“砍掉”,不作任何进位处理。 第二个问题与`Math.random()`有关。它会产生0和1之间的值,但是否包括值1呢?用正统的数学语言表达,它到底是`(0,1)`,`[0,1]`,`(0,1]`,还是`[0,1)`呢(方括号表示“包括”,圆括号表示“不包括”)?同样地,一个示范程序向我们揭示了答案: ``` //: RandomBounds.java // Does Math.random() produce 0.0 and 1.0? public class RandomBounds { static void usage() { System.err.println("Usage: \n\t" + "RandomBounds lower\n\t" + "RandomBounds upper"); System.exit(1); } public static void main(String[] args) { if(args.length != 1) usage(); if(args[0].equals("lower")) { while(Math.random() != 0.0) ; // Keep trying System.out.println("Produced 0.0!"); } else if(args[0].equals("upper")) { while(Math.random() != 1.0) ; // Keep trying System.out.println("Produced 1.0!"); } else usage(); } } ///:~ ``` 为运行这个程序,只需在命令行键入下述命令即可: ``` java RandomBounds lower ``` 或 ``` java RandomBounds upper ``` 在这两种情况下,我们都必须人工中断程序,所以会发现`Math.random()`“似乎”永远都不会产生0.0或1.0。但这只是一项实验而已。若想到0和1之间有2的128次方不同的双精度小数,所以如果全部产生这些数字,花费的时间会远远超过一个人的生命。当然,最后的结果是在`Math.random()`的输出中包括了0.0。或者用数字语言表达,输出值范围是`[0,1)`。