3.2 执行控制.md

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 反复

while，do-while和for控制着循环，有时将其划分为“反复语句”。除非用于控制反复的布尔表达式得到“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循环在第一次反复之前要进行初始化。随后，它会进行条件测试，而且在每一次反复的时候，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。每次反复前，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自变量。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则停止执行当前的反复，然后退回循环起始和，开始新的反复。 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“造型”，double结果会转换回char。

我们的第一个问题是，造型会对char作什么样的处理呢？换言之，假设一个值是29.7，我们把它造型成一个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值造型成整数值后，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)。