что такое условное ветвление
Условное ветвление: if, ‘?’
Иногда нам нужно выполнить различные действия в зависимости от условий.
Инструкция «if»
В примере выше, условие – это простая проверка на равенство ( year == 2015 ), но оно может быть и гораздо более сложным.
Если мы хотим выполнить более одной инструкции, то нужно заключить блок кода в фигурные скобки:
Преобразование к логическому типу
Инструкция if (…) вычисляет выражение в скобках и преобразует результат к логическому типу.
Давайте вспомним правила преобразования типов из главы Преобразование типов:
Таким образом, код при таком условии никогда не выполнится:
…а при таком – выполнится всегда:
Блок «else»
Инструкция if может содержать необязательный блок «else» («иначе»). Он выполняется, когда условие ложно.
Несколько условий: «else if»
Блоков else if может быть и больше. Присутствие блока else не является обязательным.
Условный оператор „?“
Иногда нам нужно определить переменную в зависимости от условия.
Так называемый «условный» оператор «вопросительный знак» позволяет нам сделать это более коротким и простым способом.
Этот пример будет делать то же самое, что и предыдущий:
Но скобки делают код более читабельным, поэтому мы рекомендуем их использовать.
Несколько операторов „?“
Поначалу может быть сложно понять, что происходит. Но при ближайшем рассмотрении мы видим, что это обычная последовательная проверка:
Вот как это выглядит при использовании if..else :
Нетрадиционное использование „?“
Здесь мы не присваиваем результат переменной. Вместо этого мы выполняем различный код в зависимости от условия.
Не рекомендуется использовать оператор вопросительного знака таким образом.
Вот, для сравнения, тот же код, использующий if :
При чтении глаза сканируют код по вертикали. Блоки кода, занимающие несколько строк, воспринимаются гораздо легче, чем длинный горизонтальный набор инструкций.
Оператор ветвления
Содержание
Общее описание
Виды условных инструкций
Существует две основные формы условной инструкции, встречающиеся в реальных языках программирования: условный оператор (оператор if) и оператор многозначного выбора (переключатель, case, switch).
Условный оператор
Встречаются следующие формы условного оператора:
Условный оператор с одной ветвью
Реализация в Pascal
Реализация в C++
C и C++ (а вслед за ними и Java, C#, PHP и множество других языков) имеют условный оператор, структурно аналогичный Паскалю. Отличие состоит в том, что условие должно быть записано в круглых скобках, а вместо ключевых слов begin и end используются фигурные скобки <> :
Nemerle
Переключатель
Конструкция переключателя имеет несколько (две или более) ветвей. Переключатель выполняет одну заданную ветвь в зависимости от значения вычисляемого ключевого выражения. Принципиальным отличием этой инструкции от условного оператора является то, что выражение, определяющее выбор исполняемой ветви, возвращает не логическое, а целое значение, либо значение, тип которого может быт приведён к целому. В некоторых языках допускается использовать в переключателе выражения некоторых типов, не приводимых к целому (например, текстовые строки).
Прототипом современной синтаксической конструкции была используемая в старых языках программирования команда перехода по вычисляемой метке. В этой команде указывалось выражение-селектор, возвращающее целое значение, и набор меток. При выполнении команды вычислялось выражение, а его значение использовалось как номер метки (в списке команды), на которую производился переход. Такие конструкции были, например, в языках программирования Фортран и Бейсик. Привлекательной стороной конструкции является её достаточно высокая эффективность: для определения нужной ветви (метки перехода) не требуется последовательно сравнивать результат выражения-селектора со многими занчениями, достаточно записать в память массив команд безусловного перехода с нужными адресами, чтобы при выполнении команды вычислять нужный элемент непосредственно из значения выражения. При этом скорость выполнения команды не зависит от количества меток. В современных языках реализация оператора-переключателя также часто выполняется в виде таблицы перехода, состоящей из команд безусловного перехода на соответствующие фрагменты кода. Вычисляемое выражение преобразовывается в значение сдвига по таблице перехода, определяющее выполняемую команду. В языках, где выражение-селектор может иметь нецелое значение, напрямую вычислить нужную ветвь конструкции переключателя можно далеко не всегда, поэтому в них используются другие методы оптимизации исполнения.
Например, в языке Си синтаксис команды следующий:
Синтаксис команды-переключателя Си унаследован множеством языков, но семантика его не всегда аналогична Си. Например, в Java конструкция имеет точно такой же вид, но любая ветвь, кроме default, обязана заканчиваться на break — отсутствие этого ключевого слова является синтаксической ошибкой. В C# допускается использовать выражение-селектор строкового типа и соответствующие метки.
Особенности вычисления логических выражений
На логику исполнения программы с условными операторами может существенно влиять принятая в языке логика вычисления условных выражений. Если утверждение представляет собой сложное логическое утверждение, к примеру «f(x) > 0 и g(y) > 0», существует две стратегии
Второй вариант является наиболее распространённым для промышленных языков (в частности, для Алгола, Фортрана, С++, С, Java, JavaScript, ECMAScript, JScript, C#). В этих языках действует жёсткое правило: «Логическое выражение всегда вычисляется слева направо и его вычисление останавливается сразу же, как только результат всего выражения становится определённым». Это означает, что если выражение состоит из нескольких подусловий, объединённых оператором «И» (AND), то вычисление выражения прекратится, как только одно из подусловий окажется ложным (так как «ложь AND любое значение» в результате всегда даёт «ложь»), и, наоборот, если несколько подусловий объединены оператором «ИЛИ» (OR), вычисление прекратится после первого же истинного подусловия, поскольку в этом случае всё выражение истинно, независимо от дальнейших вычислений. А вот выражение, содержащее оператор «Исключающее ИЛИ» (XOR) неполному вычислению не поддаётся, поскольку в нём одно из значений не может определить результат вычисления всего выражения.
Выбор именно такой логики исполнения связан с тем, что она позволяет упростить логические выражения, в которых используются зависимые элементы. Классическим примером подобной ситуации является поиск в массиве:
Алгоритм, реализуемый программой, совершенно очевиден, но в реализации есть одна тонкость (см. строку, помеченную восклицательными знаками): условие цикла состоит из двух частей, связанных оператором AND. Первое подусловие проверяет, не вышел ли индекс i за пределы массива, второе — не равен ли текущий элемент массива искомому значению. Если массив не содержит искомого значения, то после проверки последнего элемента значение переменной i увеличится на единицу. Если после этого будут вычисляться ОБА подусловия, то второе приведёт к ошибке — ведь i уже вышло за границы массива. Чтобы избежать этого эффекта, пришлось бы записать gоиск примерно в следующем виде:
Как видим, пришлось искусственно задать порядок вычисления условий выхода и ввести дополнительную переменную. Именно для того, чтобы избежать подобных трюков и введено неполное вычисление логических выражений.
Оператор ветвления
Оператор ветвления (условная инструкция, условный оператор) — оператор, конструкция языка программирования, обеспечивающая выполнение определённой команды (набора команд) только при условии истинности некоторого логического выражения, либо выполнение одной из нескольких команд (наборов команд) в зависимости от значения некоторого выражения.
Содержание
Общее описание
Оператор ветвления применяется в случаях, когда выполнение или невыполнение некоторого набора команд должно зависеть от выполнения или невыполнения некоторого условия. Ветвление — одна из трёх (наряду с последовательным исполнением команд и циклом) базовых конструкций структурного программирования.
Виды условных инструкций
Существует две основные формы условной инструкции, встречающиеся в реальных языках программирования: условный оператор (оператор if) и оператор многозначного выбора (переключатель, case, switch).
Условный оператор
Встречаются следующие формы условного оператора:
Условный оператор с одной ветвью
Реализация
Algol, Pascal
Algol-68, Ada, Modula-2
Необходимость условного оператора в Алголе и Паскале с момента появления была объектом критики. Критики говорили, что многочисленные составные операторы загромождают программу, мешают нормальной расстановке отступов и провоцируют ошибки (если в последней ветви оператора if забыть составной оператор там, где он необходим, то компилятор ничего не заметит, но при выполнении программы из группы операторов, которые должны выполняться в этой ветви, по условию будет выполняться только первый, все остальные — всегда). Следующие поколения языков — потомков Алгола попытались избавиться от этого недостатка. В их числе три широко известных языка: Алгол-68, Модула-2 и Ада. Конструкция оператора if в них практически одинакова, с точностью до отдельных ключевых слов:
Во всех случаях «командыX» — любое число операторов разделённых точкой с запятой. Во всех случаях все ветви условного оператора, кроме первой (ветви «then») необязательны и могут быть пропущены. Если ветвь «else» отсутствует и ни одно из условий не выполняется, то управление передаётся на команду, следующую за ключевым словом завершения условной конструкции (END, FI или END IF).
C, C++ и их потомки
C и C++ (а вслед за ними и Java, C#, PHP и множество других языков) имеют условный оператор, структурно аналогичный Паскалю. Отличие состоит в том, что условие должно быть записано в круглых скобках, а вместо ключевых слов begin и end используются фигурные скобки <> :
Nemerle
Forth
Здесь просто помещает значение на вершину стека, IF анализирует флаг, и если:
При отсутствии ELSE получается селектор с одной ветвью: выражения между IF и THEN выполняются только при ненулевом значении флага.
Fortran
Fortran изначально имел только арифметический IF, в котором в зависимости от знака выражения производился переход на одну из трёх меток. Например, часть кода подпрограммы решения квадратного уравнения:
Затем были добавлены логические (булевские) выражения и логический IF с одним оператором, вычисляемый GOTO, позже — структурный IF (с несколькими условиями), например:
Perl поддерживает структурный if с несколькими условиями, а также модификаторы оператора (statement modifiers), которые записываются после выполняемой части оператора. Например, два следующих примера идентичны по функциональности:
Вместо if можно писать unless, что приводит к инверсии значения условного выражения перед проверкой. То же самое действие через unless:
Для составного оператора (блока) допустима только структурная форма, но не модификатор. Например:
Завершающее ключевое слово не нужно, за счёт требования обязательного оформления операторов под условиями в блоки <…>.
Не существует аналога слова unless для веток elsif.
Erlang
Erlang использует два условных оператора — if и case. Оба имеют результирующее значение, которое равно значению последнего оператора в выполненной ветке и может быть использовано (назначено имени, передано в функцию…), поэтому в нём нет отдельного тернарного условного оператора. В операторе case выполняется Сопоставление с образцом, с возможностью дополнительных условий на значения в сравниваемом, а в операторе if — только проверка условий. В условиях (guard tests) допускается ограниченное множество операций и встроенных функций.
Пример на case (удаление записи о событии из дерева времён):
Переключатель
Конструкция переключателя имеет несколько (две или более) ветвей. Переключатель выполняет одну заданную ветвь в зависимости от значения вычисляемого ключевого выражения. Принципиальным отличием этой инструкции от условного оператора является то, что выражение, определяющее выбор исполняемой ветви, возвращает не логическое, а целое значение, либо значение, тип которого может быть приведён к целому. В некоторых языках допускается использовать в переключателе выражения некоторых типов, не приводимых к целому (например, текстовые строки).
Прототипом современной синтаксической конструкции была используемая в старых языках программирования команда перехода по вычисляемой метке. В этой команде указывалось выражение-селектор, возвращающее целое значение, и набор меток. При выполнении команды вычислялось выражение, а его значение использовалось как номер метки (в списке команды), на которую производился переход. Такие конструкции были, например, в языках программирования Фортран («вычисляемый GOTO») и Бейсик. Привлекательной стороной конструкции является её достаточно высокая эффективность: для определения нужной ветви (метки перехода) не требуется последовательно сравнивать результат выражения-селектора со многими занчениями, достаточно записать в память массив команд безусловного перехода с нужными адресами, чтобы при выполнении команды вычислять нужный элемент непосредственно из значения выражения. При этом скорость выполнения команды не зависит от количества меток. В современных языках реализация оператора-переключателя также часто выполняется в виде таблицы перехода, состоящей из команд безусловного перехода на соответствующие фрагменты кода. Вычисляемое выражение преобразовывается в значение сдвига по таблице перехода, определяющее выполняемую команду. В языках, где выражение-селектор может иметь нецелое значение, напрямую вычислить нужную ветвь конструкции переключателя можно далеко не всегда, поэтому в них используются другие методы оптимизации исполнения.
Например, в языке Си синтаксис команды следующий:
Синтаксис команды-переключателя Си унаследован множеством языков, но семантика его не всегда полностью аналогична Си. Например, в C# допускается использовать выражение-селектор строкового типа и соответствующие метки.
Особенности вычисления логических выражений
На порядок исполнения программы с условными операторами может существенно влиять принятая в языке логика вычисления условных выражений. Когда условие представляет собой сложное логическое выражение, к примеру «f(x) > 0 И g(y) > 0», существует две стратегии вычисления его результата:
Второй вариант является наиболее распространённым для промышленных языков (в частности, для Алгола, Фортрана, С++, С, Java, JavaScript, ECMAScript, JScript, C#, Python). В этих языках действует жёсткое правило: «Логическое выражение всегда вычисляется слева направо и его вычисление останавливается сразу же, как только результат всего выражения становится определённым». Это означает, что если выражение состоит из нескольких подусловий, объединённых оператором «И» (AND), то вычисление выражения прекратится, как только одно из подусловий окажется ложным (так как «ложь AND любое значение» в результате всегда даёт «ложь»), и, наоборот, если несколько подусловий объединены оператором «ИЛИ» (OR), вычисление прекратится после первого же истинного подусловия, поскольку в этом случае всё выражение истинно, независимо от дальнейших вычислений. А вот выражение, содержащее оператор «Исключающее ИЛИ» (XOR) неполному вычислению не поддаётся, поскольку в нём одно из значений не может определить результат вычисления всего выражения.
Языки Ада и Erlang используют разные ключевые слова для этих вариантов: слова and и or означают полное вычисление, а and then, or else (Ада), andalso, orelse (Erlang) — неполное. В Erlang andalso и orelse менее приоритетны, чем операции сравнения, что позволяет избежать скобок вокруг элементарных условий.
Фиксированный порядок вычисления подусловий (логическое выражение всегда вычисляется слева направо) вводится для того, чтобы иметь возможность управлять порядком вычисления выражения и помещать в него сначала те условия, которые должны вычисляться в первую очередь. Этим, кстати, логические выражения отличаются арифметических, для которых, в большинстве языков, порядок вычисления подвыражений (если только он не определён приоритетом и ассоциативностью операций) языком не задаётся и в разных случаях может быть различным.
Выбор именно такой логики исполнения связан с тем, что она позволяет упростить логические выражения, в которых используются зависимые элементы. Классический пример — линейный поиск в массиве:
Алгоритм, реализуемый программой, совершенно очевиден, но в реализации есть одна тонкость (см. строку, помеченную восклицательными знаками): условие цикла состоит из двух частей, связанных оператором AND. Первое подусловие проверяет, не вышел ли индекс i за пределы массива, второе — не равен ли текущий элемент массива искомому значению. Если массив не содержит искомого значения, то после проверки последнего элемента значение переменной i увеличится на единицу; на следующей итерации первое подусловие окажется ложным и цикл завершится без проверки второго подусловия. Если бы логические выражения вычислялись полностью, то при отсутствии искомого элемента в массиве после последней итерации происходила бы ошибка: попытка определить a[i] вызывала бы некорректное обращение к памяти.
Следует обратить внимание, что, кроме неполного вычисления значения выражения, здесь также играет существенную роль фиксированный порядок вычисления подусловий: поскольку проверка выхода за границу массива записана первой, она всегда будет выполняться раньше, чем проверка достижения искомого значения. Если бы порядок вычисления подвыражений был неопределённым, гарантировать правильность приведённого фрагмента программы было бы невозможно.
При полном вычислении логических выражений приведённый алгоритм пришлось бы записать примерно в следующем виде:
Как видим, пришлось искусственно задать порядок вычисления условий выхода и ввести дополнительную переменную. Именно для того, чтобы избежать подобных трюков, и введено неполное вычисление логических выражений.
Примечание: Код изложенный выше, является примером использования оператора IF но не более. Этот код нельзя использовать как правило для написания алгоритмов на языке Паскаль.
Ниже приведен оптимальный алгоритм для поиска числа в массиве:
Конструкция ветвления в C++ и операторы if/else: правильное применение
Любая компьютерная программа подразумевает ветвление. Это ситуация, когда нужно выбрать тот или иной вариант в зависимости от условий. Например, если некий результат вычислений меньше 100 — нужно вывести сообщение «Результат не дотягивает до сотни». Если больше — выводится «Результат превышает сотню и потрясающе выглядит».
Для этого в C++ есть так называемые операторы ветвления — особые команды, которые показывают компилятору, что можно выбирать из тех или иных вариантов. Сегодня мы поговорим о том, какие есть операторы ветвления в C++, как они функционируют, также приведем примеры их использования.
Конструкция ветвления в C++. Операторы условного ветвления if/else
Сфера применения операторов ветвления в C++ и других языках программирования крайне широка. С их помощью реализуется очень много задач, они позволяют изучить логику программирования и понять, как это все работает. Грубо говоря, эти операторы универсальны по своему значению и применяются везде.
Нажали одну кнопку — система выдала определенный результат на основании данных на входе. Нажали другую — система выдала иной результат на основании тех же входных данных. Не нажали, но прошло определенное время по таймеру — будет третий результат.
Само собой, это умозрительный пример ветвления, но, надеюсь, идею вы поняли. Давайте перейдем к практической стороне реализации.
Блок-схема простейшего варианта ветвления выглядит следующим образом:
Скриншот с bookflow.ru
Здесь все просто и понятно: если выражение принимает положительное значение — выполняется одна инструкция. Отрицательное — другая. В качестве наглядного примера возьмем вот такую небольшую программу на С++. В ней надо ввести любое произвольное число, которое может быть меньше 100, или же больше/равно 100.
Здесь, как видим, реализован простейший вариант — проверка идет по принципу больше/меньше. Помимо этого, никаких проверок. Ниже мы рассмотрим вариант, когда программа будет различать более точные вводные данные — меньше, больше или равно.
Само собой, эта простейшая программа не включает проверку корректности символов — туда можно ввести любые данные — цифры, буквы, символы из ASCII и так далее. Однако корректные результаты получить можно будет только на цифрах.
Использование нескольких операций в ветвлениях if/else
Бывает так, что нужно выбрать не из двух, а из большего числа вариантов — трех и так далее. Давайте посмотрим, как это можно сделать:
Мы добавили новое условие, которое позволяет уточнить результат — число строго больше 100 или строго равно ему. Как видите, ничего сложного. Это также называется связыванием стейтментов.
Вложенные ветвления if/else
Еще один способ сломать себе мозг осуществить выбор в программе — вложенные ветвления. Суть понятна из названия — внутри одной пары if/else есть другая или другие пары. Выглядит это логически примерно так:
Скриншот с bookflow.ru
Строго говоря, это ничем не отличается от обычного ветвления, разве что только для выполнения внешнего условия сначала должно выполниться внутреннее (вложенное).
И вот здесь надо быть внимательным, поскольку количество if и else должно быть одинаковым — как и фигурных скобок. Иначе говоря, оператор else всегда относится только к последнему незакрытому оператору if в том же блоке.
Для улучшения читабельности кода желательно использовать те самые фигурные скобки, чтобы не запутаться. Они не окажут влияния на работу программы или компилятора, однако помогут визуально улучшить код сам по себе.
Неявное указание блоков if/else
Таким образом, блок кода…
…превращается в такую конструкцию:
С точки зрения компилятора ничего не поменялось — логика та же самая, только изменилось написание. Это можно сравнить с синонимами в естественном языке — допустимо, но не обязательно, и не влияет на восприятие в целом.
Нулевые стейтменты
Пример неправильного кода:
Здесь мы закрыли оператор if с помощью точки с запятой, то есть фактически дополнили его нулевым стейтментом. В этом случае программа будет выполняться неверно, поскольку проверка, равна ли переменная a нулю, уже не проводится. Тут переменная получит значение 1 в любом случае.
А вот правильный код:
Вывод
В статье мы рассмотрели самые простые варианты ветвления и только для одного языка, хотя алгоритм работает аналогично и в других — разница только в синтаксисе. Конечно, есть и другие операторы ветвления даже в самом C++ — тот же весьма мощный по своим возможностям оператор switch или «переключатель». Его работу можно увидеть в так называемых «радиокнопках» в интерфейсе многих программ. Его специфика: он удобен при обработке множества опций выбора, там можно выбрать только один вариант.
К слову, то же самое, что было в статье, но более подробно, есть в этом тематическом видео:
Структуры управления
7.7. Низкий уровень: операторы перехода
Комбинация наших трех фундаментальных механизмов — последовательности, цикла и условного оператора — дает необходимую основу (будучи дополненной подпрограммами) для построения управляющих структур, необходимых для написания программ.
Условное и безусловное ветвление (переходы)
Для языка ассемблер (примеры приводятся на этом уровне) адреса являются условными. Фактические адреса памяти появляются в процессе загрузки программы.
Рассмотрим составной оператор :
В машинном коде это может выглядеть так
Здесь loc_a и loc_b задают адреса памяти, хранящие значения. Числа слева задают адреса команд, начиная с адреса 100 (просто в качестве примера). Определение точного расположения в памяти машинного кода, связанного с каждым программным элементом, является непростой задачей. Ее решением занимаются разработчики компиляторов, а не прикладные программисты, специализирующиеся на разработке приложений.
По примеру кода для условного оператора вам придется, выполняя упражнение, построить структуру кода, который компилятор строит для цикла.
Оператор goto
Поток управления включает два оператора перехода — две ветви, идущие в разных направлениях.
Блок-схемы
Переход от блок-схем к тщательно отобранным структурам управления противоречит клише «рисунок лучше тысячи слов». В ПО нам необходимы многие тысячи, фактически — миллионы слов, но критически важно, чтобы это были «правильные» слова. Из-за проблем с точностью картинки теряют свою привлекательность.
Корректность программ может зависеть от маленьких деталей, таких как использование условия i вместо i ; лучшие рисунки в мире полностью бесполезны, когда приходится иметь дело с правильным отображением таких аспектов.
7.8. Исключение GOTO и структурное программирование
Блок-схемы — не единственное, что вышло из употребления в программной инженерии с превращением ее в более солидную дисциплину: операторы goto также потеряли свою былую славу.
Goto вредны?
На этот вопрос ответ получен — нет! Теорема, доказанная в 1966 году двумя итальянскими учеными Коррадо Бёмом и Джузеппе Джакопини, говорит, что каждая блок-схема в теории вычислений имеет эквивалентное представление, использующее только последовательности и циклы (нет необходимости даже в условных операторах ).
Жизнь без goto
Почувствуй историю:
В короткой статье Дейкстры, которую следует прочитать каждому программисту, объяснялись те вызовы, с которыми приходится сталкиваться при проектировании программ.
Почувствуй мастера:
Наши интеллектуальные способности довольно хорошо приспособлены для управления статическими отношениями, но наши способности визуализации процессов, протекающих во времени, относительно слабы. По этой причине нам следует (как мудрым программистам, осознающим наши ограничения) сделать все возможное, чтобы сократить концептуальный разрыв между статической программой и динамическим процессом, установить столь простое соответствие между программой (разворачивающейся в пространстве текста) и процессом (разворачивающимся во времени), насколько это возможно.
Edsger W. Dijkstra, 1968
Никто, тогда или позже, не выразил эту мысль лучше. Программа, даже простая, представляет статический взгляд на широкую область возможных динамических вычислений, определенных на широкой области возможных входов. Эта область настолько широка, а во многих случаях потенциально бесконечна, что ее и изобразить невозможно. Тем не менее, чтобы быть уверенными в корректности наших программ, мы должны уметь выводить ее динамические свойства из статического текста.
Структурное программирование
В массовом сознании остались, в первую очередь, две идеи — исключение goto и ограничение управляющих структур тремя видами, рассмотренными в этой лекции: последовательностью, циклом и альтернативой, часто называемых «управляющими структурами структурного программирования»
В отличие от этого, произвольные структуры управления (смотри блоки в блюде спагетти) могут иметь произвольное число входов и выходов. Ограничив себя строительными блоками с одним входом и одним выходом, мы получаем возможность построения произвольных алгоритмов любой сложности с помощью трех простых и надежных механизмов.
Теорема Бёма — Джакопини говорит нам, что мы не потеряли никакой выразительной силы, ограничив себя этими механизмами. Мы получаем существенные преимущества в простоте программы и ее читабельности, а, следовательно, в гарантировании ее корректности, возможности расширения и повторного использования.