УПРАВЛЯЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ

Подобно любому живому существу, программа должна управлять своим миром и принимать решения во время исполнения. В языке Java для принятия решений используются управляющие конструкции.
В Java задействованы все управляющие конструкции языка C, поэтому читателям с опытом программирования на языке C или C++ основная часть материала будет знакома. Почти во всех процедурных языках поддерживаются стандартные команды управления, и во многих языках они совпадают. В Java к их числу относятся ключевые слова if-else, while, do-while, for, а также команда выбора switch. Однако в Java не поддерживается часто критикуемый оператор goto (который, впрочем, все же является самым компактным решением в некоторых ситуациях). Безусловные переходы «в стиле» goto возможны, но гораздо более ограничены по сравнению с классическими переходами goto.

true и false

Все конструкции с условием вычисляют истинность или ложность условного выражения, чтобы определить способ выполнения. Пример условного выражения — А == В. Оператор сравнения == проверяет, равно ли значение А значению В. Результат проверки может быть истинным (true) или ложным (false). Любой из описанных в этой главе операторов сравнения может применяться в условном выражении. Заметьте, что Java не разрешает использовать числа в качестве логических значений, хотя это позволено в C и C++ (где не-ноль считается «истинным», а ноль — «ложным»). Если вам потребуется использовать числовой тип там, где требуется boolean (скажем, в условии if(a)), сначала придется его преобразовать к логическому типу оператором сравнения в условном выражении — например, if (а != 0).

if-else

Команда if-else является, наверное, наиболее распространенным способом передачи управления в программе. Присутствие ключевого слова else не обязательно, поэтому конструкция if существует в двух формах:

if(логическое выражение) команда

и

if(логическое выражение) 
  команда
else
  команда

Условие должно дать результат типа boolean. В секции команда располагается либо простая команда, завершенная точкой с запятой, либо составная конструкция из команд, заключенная в фигурные скобки.
В качестве примера применения if-else представлен метод test(), который выдает информацию об отношениях между двумя числами — «больше», «меньше» или «равно»:

//: control/IfElse.java
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class IfElse {
  static int result = 0;
  static void test(int testval, int target) {
    if(testval > target)
      result = +1;
    else if(testval < target)
      result = -1;
    else
      result = 0; // равные числа
  }
 
  public static void main(String[] args) {
    test(10, 5);
    print(result);
    test(5, 10);
    print(result);
    test(5, 5);
    print(result);
  }
}

<spoiler text="Output:">

1
-1
0

</spoiler>
Внутри метода test() встречается конструкция else if; это не новое ключевое слово, a else, за которым следует начало другой команды — if.
Java, как и C с C++, относится к языкам со свободным форматом. Тем не менее в командах управления рекомендуется делать отступы, благодаря чему читателю программы будет легче понять, где начинается и заканчивается управляющая конструкция.

Циклы

while

Конструкции while, do-while и for управляют циклами и иногда называются циклическими командами. Команда повторяется до тех пор, пока управляющее логическое выражение не станет ложным. Форма цикла while следующая:

while(логическое выражение) команда

логическое выражение вычисляется перед началом цикла, а затем каждый раз перед выполнением очередного повторения оператора.
Следующий простой пример генерирует случайные числа до тех пор, пока не будет выполнено определенное условие:

//: control/WhileTest.java
// Пример использования цикла while
public class WhileTest {
  static boolean condition() {
    boolean result = Math.random() < 0.99;
    System.out.print(result + ", ");
    return result;
  }
  public static void main(String[] args) {
    while(condition())
      System.out.println("Inside 'while'");
    System.out.println("Exited 'while'");
  }
} /* (Выполните, чтобы просмотреть результат) */

В примере используется статический метод random() из библиотеки Math, который генерирует значение double, находящееся между 0 и 1 (включая 0, но не 1). Условие while означает: «повторять, пока condition() возвращает true». При каждом запуске программы будет выводаться различное количество чисел.

do-while

Форма конструкции do-while такова:

do
 команда
while(логическое выражение);

Единственное отличие цикла do-while от while состоит в том, что цикл do-while выполняется по крайней мере единожды, даже если условие изначально ложно. В цикле while, если условие изначально ложно, тело цикла никогда не от­рабатывает. На практике конструкция do-while употребляется реже, чем while.

for

Пожалуй, конструкции for составляют наиболее распространенную разновидность циклов. Цикл for проводит инициализацию перед первым шагом цикла. Затем выполняется проверка условия цикла, и в конце каждой итерации
осуществляется некое «приращение» (обычно изменение управляющей переменной). Цикл for записывается следующим образом:

for(инициализация; логическое выражение; шаг)
 команда

Любое из трех выражений цикла (инициализация, логическое выражение или шаг) можно пропустить. Перед выполнением каждого шага цикла проверяется условие цикла; если оно окажется ложно, выполнение продолжается с инструкции, следующей за конструкцией for. В конце каждой итерации выполняется секция шаг.
Цикл for обычно используется для «счетных» задач:

//: control/ListCharacters.java
// Пример использования цикла "for": перебор
// всех ASCII-символов нижнего регистра
public class ListCharacters {
  public static void main(String[] args) {
    for(char c = 0; c < 128; c++)
      if(Character.isLowerCase(c))
        System.out.println("value: " + (int)c +
          " character: " + c);
  }
}

<spoiler text="Output:">

value: 97 character: a
value: 98 character: b
value: 99 character: c
value: 100 character: d
value: 101 character: e
value: 102 character: f
value: 103 character: g
value: 104 character: h
value: 105 character: i
value: 106 character: j

</spoiler>
Обратите внимание, что переменная c определяется в точке ее использования, в управляющем выражении цикла for, а не в начале блока, обозначенного фигурными скобками. Область действия для c — все выражения, принадлежащие циклу.
В программе также используется класс-«обертка» java.Lang.Character, который не только позволяет представить простейший тип char в виде объекта, но и содержит ряд дополнительных возможностей. В нашем примере используется статический метод этого класса isLowerCase(), который проверяет, является ли некоторая буква строчной.
Традиционные процедурные языки (такие, как C) требовали, чтобы все переменные определялись в начале блока цикла, чтобы компилятор при создании блока мог выделить память под эти переменные. В Java и C++ переменные разрешено объявлять в том месте блока цикла, где это необходимо. Это позволяет программировать в более удобном стиле и упрощает понимание кода.

Оператор-запятая

Ранее в этой главе уже упоминалось о том, что оператор «запятая» (но не запятая-разделитель, которая разграничивает определения и аргументы функций) может использоваться в Java только в управляющем выражении цикла for. И в секции инициализации цикла, и в его управляющем выражении можно записать несколько команд, разделенных запятыми; они будут обработаны последовательно.
Оператор «запятая» позволяет определить несколько переменных в цикле for, но все эти переменные должны принадлежать к одному типу:

//: control/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);
    }
  }
}

<spoiler text="Output:">

i = 1 j = 11
i = 2 j = 4
i = 3 j = 6
i = 4 j = 8

</spoiler>
Определение int в заголовке for относится как к і, так и к j. Инициализацонная часть может содержать любое количество определений переменных одного типа. Определение переменных в управляющих выражениях возможно только в цикле for. На другие команды выбора или циклов этот подход не распространяется.

Синтаксис foreach

В Java SE5 появилась новая, более компактная форма for для перебора элементов массивов и контейнеров (см. далее). Эта упрощенная форма, называемая синтаксисом foreach, не требует ручного изменения служебной переменной для перебора последовательности объектов — цикл автоматически представляет очередной элемент.
Следующая программа создает массив float, после чего перебирает все его элементы:

//: control/ForEachFloat.java
import java.util.*;
 
public class ForEachFloat {
  public static void main(String[] args) {
    Random rand = new Random(47);
    float f[] = new float[10];
    for(int i = 0; i < 10; i++)
      f[i] = rand.nextFloat();
    for(float x : f)
      System.out.println(x);
  }
}

<spoiler text="Output:">

0.72711575
0.39982635
0.5309454
0.0534122
0.16020656
0.57799757
0.18847865
0.4170137
0.51660204
0.73734957

</spoiler>
Массив заполняется уже знакомым циклом for, потому что для его заполнения должны использоваться индексы. Упрощенный синтаксис используется в следующей команде:

for(float x: f)

Эта конструкция определяет переменную х типа float, после чего последовательно присваивает ей элементы f.
Любой метод, возвращающий массив, может использоваться с данной разновидностью for. Например, класс String содержит метод toCharArray(), возвращающий массив char; следовательно, перебор символов строки может осуществляться так:

//: control/ForEachString.java
public class ForEachString {
  public static void main(String[] args) {
    for(char c : "An African Swallow".toCharArray() )
      System.out.print(c + " ");
  }
}

<spoiler text="Output:">

A n   A f r i c a n   S w a l l o w

</spoiler>
Как будет показано далее, «синтаксис foreach» также работает для любого объекта, поддерживающего интерфейс Iterable.
Многие команды for основаны на переборе серии целочисленных значений:

 for (int і = 0; і < 100; і++)

В таких случаях «синтаксис foreach» работать не будет, если только вы предварительно не создадите массив int. Для упрощения этой задачи я включил в библиотеку net.mindview.util.Range метод range(), который автоматически генерирует соответствующий массив:

//: control/ForEachInt.java
import static net.mindview.util.Range.*;
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class ForEachInt {
  public static void main(String[] args) {
    for(int i : range(10)) // 0..9
      printnb(i + " ");
    print();
    for(int i : range(5, 10)) // 5..9
      printnb(i + " ");
    print();
    for(int i : range(5, 20, 3)) // 5..20 step 3
      printnb(i + " ");
    print();
  }
}

<spoiler text="Output:">

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
5 6 7 8 9
5 8 11 14 17

</spoiler>
Обратите внимание на использование printnb() вместо print(). Метод printnb() не выводит символ новой строки, что позволяет построить строку по фрагментам.

return

Следующая группа ключевых слов обеспечивает безусловный переход, то есть передачу управления без проверки каких-либо условий. К их числу относятся команды return, break и continue, а также конструкция перехода по метке, аналогичная goto в других языках.
У ключевого слова return имеется два предназначения: оно указывает, какое значение возвращается методом (если только он не возвращает тип void), а также используется для немедленного выхода из метода. Метод test() из предыдущего примера можно переписать так, чтобы он воспользовался новыми возможностями:

//: control/IfElse2.java
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class IfElse2 {
  static int test(int testval, int target) {
    if(testval > target)
      return +1;
    else if(testval < target)
      return -1;
    else
      return 0; // Одинаковые значения
  }
  public static void main(String[] args) {
    print(test(10, 5));
    print(test(5, 10));
    print(test(5, 5));
  }
}

<spoiler text="Output:">

1
-1
0

</spoiler>
В данном случае секция else не нужна, поскольку работа метода не продолжается после выполнения инструкции return.

Если метод, возвращающий void, не содержит команды return, такая команда неявно выполняется в конце метода. Тем не менее, если метод возвращает любой тип, кроме void, проследите за тем, чтобы каждая логическая ветвь возвращала конкретное значение.

break и continue

В теле любого из циклов вы можете управлять потоком программы, используя специальные ключевые слова break и continue. Команда break завершает цикл, при этом оставшиеся операторы цикла не выполняются. Команда continue оста­навливает выполнение текущей итерации цикла и переходит к началу цикла, чтобы начать выполнение нового шага.
Следующая программа показывает пример использования команд break и continue внутри циклов for и while:

//: control/BreakAndContinue.java
// Применение ключевых слов break и continue.
import static net.mindview.util.Range.*;
 
public class BreakAndContinue {
  public static void main(String[] args) {
    for(int i = 0; i < 100; i++) {
      if(i == 74) break; // Выход из цикла
      if(i % 9 != 0) continue; // Следующая итерация
      System.out.print(i + " ");
    }
    System.out.println();
    // Использование foreach:
    for(int i : range(100)) {
      if(i == 74) break; // Выход из цикла
      if(i % 9 != 0) continue; // Следующая итерация
      System.out.print(i + " ");
    }
    System.out.println();
    int i = 0;
    // "Бесконечный цикл":
    while(true) {
      i++;
      int j = i * 27;
      if(j == 1269) break; // Выход из цикла
      if(i % 10 != 0) continue; // Возврат в начало цикла
      System.out.print(i + " ");
    }
  }
}

<spoiler text="Output:">

0 9 18 27 36 45 54 63 72
0 9 18 27 36 45 54 63 72
10 20 30 40

</spoiler>
В цикле for переменная і никогда не достигает значения 100 — команда break прерывает цикл, когда значение переменной становится равным 74. Обычно break используется только тогда, когда вы точно знаете, что условие выхода из цикла действительно достигнуто. Команда continue переводит исполнение в начало цикла (и таким образом увеличивает значение і), когда і не делится без остатка на 9. Если деление производится без остатка, значение выводится на экран.

Второй цикл for демонстрирует использование «синтаксиса foreach» с тем же результатом.

Последняя часть программы демонстрирует «бесконечный цикл», который теоретически должен исполняться вечно. Однако в теле цикла вызывается команда break, которая и завершает цикл. Команда continue переводит исполнение к началу цикла, и при этом остаток цикла не выполняется. (Таким образом, вывод на экран в последнем цикле происходит только в том случае, если значение і делится на 10 без остатка.) Значение 0 выводится, так как 0 % 9 дает в результате 0.

Вторая форма бесконечного цикла — for(;;). Компилятор реализует конструкции while(true) и for(;;) одинаково, так что выбор является делом вкуса.

Нехорошая команда goto

Ключевое слово goto появилось одновременно с языками программирования. Действительно, безусловный переход заложил основы принятия решений в языке ассемблера: «если условие А, перейти туда, а иначе перейти сюда». Если вам доводилось читать код на ассемблере, который генерируют фактически все компиляторы, наверняка вы замечали многочисленные переходы, управляющие выполнением программы (компилятор Java производит свой собственный «ассемблерный» код, но последний выполняется виртуальной-машиной Java, а не аппаратным процессором).
Команда goto реализует безусловный переход на уровне исходного текста программы, и именно это обстоятельство принесло ей дурную славу. Если программа постоянно «прыгает» из одного места в другое, нет ли способа реорганизовать ее код так, чтобы управление программой перестало быть таким «прыгучим»? Команда goto впала в настоящую немилость с опубликованием знаменитой статьи Эдгара Дейкстры «Команда GOTO вредна» (Goto considered harmful), их тех пор порицание команды goto стало чуть ли не спортом, а защитники репутации многострадального оператора разбежались по укромным углам.
Как всегда в ситуациях такого рода, существует «золотая середина». Проблема состоит не в использовании goto вообще, но в злоупотреблении — все же иногда именно оператор goto позволяет лучше всего организовать управление программой.
Хотя слово goto зарезервировано в языке Java, оно там не используется; Java не имеет команды goto. Однако существует механизм, чем-то похожий на безусловный переход и осуществляемый командами break и continue. Скорее, это способ прервать итерацию цикла, а не передать управление в другую точку программы. Причина его обсуждения вместе с goto состоит в том, что он использует тот же механизм — метки.

Метка

Метка представляет собой идентификатор с последующим двоеточием:

label1:

Единственное место, где в Java метка может оказаться полезной, — прямо перед телом цикла. Причем никаких дополнительных команд между меткой и телом цикла быть не должно. Причина помещения метки перед телом цикла может быть лишь одна — вложение внутри цикла другого цикла или конструкции выбора. Обычные версии break и continue прерывают только текущий цикл, в то время как их версии с метками способны досрочно завершать циклы и передавать выполнение в точку, адресуемую меткой:

label1:
внешний-цикл {
  внутренний-цикл {
    // ...
    break;     // 1 
    // ...
    continue;  // 2 
    //...
    continue label1; // З 
    //...
    break label1;    // 4
  }
}

В первом случае (1) команда break прерывает выполнение внутреннего цикла, и управление переходит к внешнему циклу. Во втором случае (2) оператор continue передает управление к началу внутреннего цикла. Но в третьем варианте (3) команда continue label1 влечет выход из внутреннего и внешнего циклов и возврат к метке label1. Далее выполнение цикла фактически продолжается, но с внешнего цикла. В четвертом случае (4) команда break label1 также вызывает переход к метке label1, но на этот раз повторный вход в итерацию не происходит. Это действие останавливает выполнение обоих циклов. Пример использования цикла for с метками:

//: control/LabeledFor.java
// Цикл for с метками
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class LabeledFor {
  public static void main(String[] args) {
    int i = 0;
    outer: // Другие команды недопустимы 
    for(; true ;) { // infinite loop
      inner: // Другие команды недопустимы 
      for(; i < 10; i++) {
        print("i = " + i);
        if(i == 2) {
          print("continue");
          continue;
        }
        if(i == 3) {
          print("break");
          i++; // В противном случае значение і
               // не увеличивается.
          break;
        }
        if(i == 7) {
          print("continue outer");
          i++; // В противном случае значение і
               // не увеличивается.
          continue outer;
        }
        if(i == 8) {
          print("break outer");
          break outer;
        }
        for(int k = 0; k < 5; k++) {
          if(k == 3) {
            print("continue inner");
            continue inner;
          }
        }
      }
    }
    // Использовать break или continue 
    // с метками, здесь не разрешается
  }
}

<spoiler text="Output:">

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

</spoiler>
Заметьте, что оператор break завершает цикл for, вследствие этого выражение с инкрементом не выполняется до завершения очередного шага. Поэтому из-за пропуска операции инкремента в цикле переменная непосредственно уве­личивается на единицу, когда і == 3. При выполнении условия і == 7 команда continue outer переводит выполнение на начало цикла; инкремент опять пропускается, поэтому и в этом случае переменная увеличивается явно.

Без команды break outer программе не удалось бы покинуть внешний цикл из внутреннего цикла, так как команда break сама по себе завершает выполнение только текущего цикла (это справедливо и для continue).

Конечно, если завершение цикла также приводит к завершению работы метода, можно просто применить команду return.

Теперь рассмотрим пример, в котором используются команды break и continue с метками в цикле while:

//: control/LabeledWhile.java
// Цикл while с метками
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class LabeledWhile {
  public static void main(String[] args) {
    int i = 0;
    outer:
    while(true) {
      print("Внешний цикл while");
      while(true) {
        i++;
        print("i = " + i);
        if(i == 1) {
          print("continue");
          continue;
        }
        if(i == 3) {
          print("continue outer");
          continue outer;
        }
        if(i == 5) {
          print("break");
          break;
        }
        if(i == 7) {
          print("break outer");
          break outer;
        }
      }
    }
  }
}

<spoiler text="Output:">

Внешний цикл while
i = 1
continue
i = 2
i = 3
continue outer
Внешний цикл while
i = 4
i = 5
break
Внешний цикл while
i = 6
i = 7
break outer

</spoiler>
Те же правила верны и для цикла while:

• Обычная команда continue переводит исполнение к началу текущего внутреннего цикла, программа продолжает работу.

• Команда continue с меткой вызывает переход к метке и повторный вход в цикл, следующий прямо за этой меткой.

• Команда break завершает выполнение текущего цикла.

• Команда break с меткой завершает выполнение внутреннего цикла и цикла, который находится после указанной метки.

Важно помнить, что единственная причина для существования меток в Java — наличие вложенных циклов и необходимость выхода по break и продолжения по continue не только для внутренних, но и для внешних циклов.

В статье Дейкстры особенно критикуются метки, а не сам оператор goto. Дейкстра отмечает, что, как правило, количество ошибок в программе растет с увеличением количества меток в этой программе. Метки затрудняют анализ программного кода. Заметьте, что метки Java не страдают этими пороками, потому что их место расположения ограничено и они не могут использоваться для беспорядочной передачи управления. В данном случае от ограничения возмож­ностей функциональность языка только выигрывает.

switch

Команду switch часто называют командой выбора. С помощью конструкции switch осуществляется выбор из нескольких альтернатив, в зависимости от значения целочисленного выражения. Форма команды выглядит так:

switch(целочисленное-выражение) {
   case целое-значение1 : команда; break; 
   case целое-значение2 : команда; break; 
   case целое-значение3 : команда; break; 
   case целое-значение4 : команда; break; 
   case целое-значениеб : команда; break; // ..
default: оператор;
}

Целочисленное-выражение — выражение, в результате вычисления которого получается целое число. Команда switch сравнивает результат целочисленного-выражения с каждым последующим целым-значением. Если обнаруживается совпадение, исполняется соответствующая команда (простая или составная). Если же совпадения не находится, исполняется команда после ключевого слова default.

Нетрудно заметить, что каждая секция case заканчивается командой break, которая передает управление к концу команды switch. Такой синтаксис построения конструкции switch считается стандартным, но команда break не является строго обязательной.

Если она отсутствует, при выходе из секции будет выполняться код следующих секций case, пока в программе не встретится очередная команда break. Необходимость в подобном поведении возникает довольно редко, но опытному программисту оно может пригодиться.

Заметьте, что последняя секция default не содержит команды break; выполнение продолжается в конце конструкции switch, то есть там, где оно оказалось бы после вызова break. Впрочем, вы можете использовать break и в предложении default, без практической пользы, просто ради «единства стиля».

Команда switch обеспечивает компактный синтаксис реализации множественного выбора (то есть выбора из нескольких путей выполнения программы), но для нее необходимо управляющее выражение, результатом которого является целочисленное значение, такое как int или char. Если, например, критерием выбора является строка или вещественное число, то команда switch не подойдет. Придется использовать серию команд if-else.

Следующий пример случайным образом генерирует английские буквы. Программа определяет, гласные они или согласные:

//: control/VowelsAndConsonants.java
// Демонстрация конструкции switch
import java.util.*;
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class VowelsAndConsonants {
  public static void main(String[] args) {
    Random rand = new Random(47);
    for(int i = 0; i < 100; i++) {
      int c = rand.nextInt(26) + 'a';
      printnb((char)c + ", " + c + ": ");
      switch(c) {
        case 'a':
        case 'e':
        case 'i':
        case 'o':
        case 'u': print("vowel");
                  break;
        case 'y':
        case 'w': print("Sometimes a vowel");
                  break;
        default:  print("consonant");
      }
    }
  }
}

<spoiler text="Output:">

y, 121: Sometimes a vowel
n, 110: consonant
z, 122: consonant
b, 98: consonant
r, 114: consonant
n, 110: consonant
y, 121: Sometimes a vowel
g, 103: consonant
c, 99: consonant

</spoiler>
Так как метод Random.nextInt(26) генерирует значение между 0 и 26, для получения символа нижнего регистра остается прибавить смещение 'а'. Символы в апострофах в секциях case также представляют собой целочисленные значения, используемые для сравнения.

Обратите внимание на «стопки» секций case, обеспечивающие возможность множественного сравнения для одной части кода. Будьте начеку и не забывайте добавлять команду break после каждой секции case, иначе программа просто пе­рейдет к выполнению следующей секции case. В команде

 int с = rand.nextInt(26) + 'а';

метод rand.nextInt() выдает случайное число int от 0 до 25, к которому затем прибавляется значение 'а'. Это означает, что символ а автоматически преобразуется к типу int для выполнения сложения.
Чтобы вывести с в символьном виде, его необходимо преобразовать к типу char; в противном случае значение будет выведено в числовом виде.

Резюме

В этой главе завершается описание основных конструкций, присутствующих почти во всех языках программирования: вычислений, приоритета операторов, приведения типов, условных конструкций и циклов. Теперь можно сделать следующий шаг на пути к миру объектно-ориентированного программирования. Следующая глава ответит на важные вопросы об инициализации объектов и завершении их жизненного цикла, после чего мы перейдем к важнейшей концепции сокрытия реализации.