3.7　循環(huán)結(jié)構(gòu)

循環(huán)結(jié)構(gòu)是程序中一種很重要的編程構(gòu)造，特點(diǎn)是在給定條件成立時(shí)，反復(fù)執(zhí)行某程序段，直到條件不成立為止。給定的條件稱為循環(huán)條件，反復(fù)執(zhí)行的程序段稱為循環(huán)體。Java語言提供了多種循環(huán)語句，可以組成各種不同形式的循環(huán)結(jié)構(gòu)。

3.7.1　while語句

while語句的一般形式為：

     while(表達(dá)式) 語句

其中，表達(dá)式是循環(huán)條件，語句為循環(huán)體。如果循環(huán)體包含一個(gè)以上的語句，則必須用{}括起來，組成復(fù)合語句。

while語句的執(zhí)行流程是：計(jì)算表達(dá)式的值，當(dāng)值為真時(shí)，執(zhí)行循環(huán)體語句。其執(zhí)行過程如圖3.14所示。

例3.5　擴(kuò)充例3.3分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)程序的功能，使該程序可以計(jì)算并顯示平均分?jǐn)?shù)。

分析：如果還像例3.3一樣為類添加字段，每輸入一個(gè)分?jǐn)?shù)就累加到總分?jǐn)?shù)字段并且分?jǐn)?shù)個(gè)數(shù)也增加1，可以實(shí)現(xiàn)平均分?jǐn)?shù)的計(jì)算功能。但是，如果統(tǒng)計(jì)的指標(biāo)比較多，例如還要計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差等，則類中的字段變得繁多，程序也顯得不夠簡練。事實(shí)上可以采用這樣的思路：用戶輸入的所有合法分?jǐn)?shù)都存放在文本區(qū)域jTextAreaNums中，可以通過該組件的getText()方法將所有分?jǐn)?shù)拼合成的字符串取出來，然后從該字符串中解析出各個(gè)分?jǐn)?shù)，從而實(shí)現(xiàn)平均分?jǐn)?shù)的計(jì)算功能。此分?jǐn)?shù)字符串的格式是“89\n65\n46\n100\n73\n92”，其中的字符’\n’是轉(zhuǎn)義字符——換行符，使用String類的以下兩個(gè)方法可以從中解析出單個(gè)分?jǐn)?shù)。

1. substring(int beginIndex, int endIndex)

此方法返回一個(gè)新字符串，它是此字符串的一個(gè)子字符串。該子字符串是從指定的beginIndex處開始直到索引endIndex?1處的字符。例如，"89\n65\n46\n100\n73\n92".substring(0, 2)返回"89"。

2. indexOf(int ch, int fromIndex)

該方法返回在此字符串中第一次出現(xiàn)指定字符ch的索引，從指定的索引fromIndex處開始搜索。在此String對象表示的字符序列中，如果帶有值ch的字符的索引不小于fromIndex，則返回第一次出現(xiàn)該值的索引。如果此字符串中fromIndex或之后的位置沒有這樣的字符出現(xiàn)，則返回?1。如果fromIndex的值為負(fù)或0，則搜索整個(gè)字符串；如果大于或等于此字符串的長度，則返回?1。被搜索的字符ch是Unicode字符，即可以是漢字或其他語言字符。例如，"89\n65\n46\n100\73\92". indexOf('\n', 0)返回2。

分?jǐn)?shù)字符串可能包含多個(gè)分?jǐn)?shù)，需要反復(fù)提取每一個(gè)分?jǐn)?shù)，因此采用循環(huán)結(jié)構(gòu)。

解：按照以下步驟操作。

（1）右擊chap03項(xiàng)目的“源包”節(jié)點(diǎn)，在快捷菜單中選擇“新建”|“Java包”菜單項(xiàng)，包名輸入“book.loopdemos”，單擊“完成”按鈕。

（2）右擊chap03項(xiàng)目的“源包”|ifdemos包下的IfElseIfDemo.java節(jié)點(diǎn)，在快捷菜單中選擇“復(fù)制”菜單項(xiàng)。

（3）右擊book.loopdemos包名節(jié)點(diǎn)，在快捷菜單中選擇“粘貼”|“重構(gòu)復(fù)制”菜單項(xiàng)，新名稱輸入“WhileDemo”，單擊“重構(gòu)”按鈕。

（4）在WhileDemo窗體中將“清除”按鈕移到文本區(qū)域左側(cè)；在文本區(qū)域下方創(chuàng)建“平均分”按鈕并將其變量名修改為jButtonAvg；在該按鈕右邊創(chuàng)建文本字段組件jTextFieldAvg，并設(shè)置其editable屬性值為False、columns屬性值為12、text屬性值為空。完成后的界面如圖3.15所示。

（5）單擊“平均分”按鈕，在屬性窗口中單擊“事件”標(biāo)簽，單擊actionPerformed行右端的…按鈕，在對話框中單擊“添加”按鈕，新建處理程序的名稱輸入“calcAvg”，單擊“確定”按鈕，再次單擊“確定”按鈕。

（6）自動(dòng)切換到源代碼視圖后，在calcAvg方法體中輸入以下代碼段。

（7）在clearNums方法中添加語句“jTextFieldAvg.setText("");”。

完成上述操步驟作后運(yùn)行程序，可以正確計(jì)算顯示平均分?jǐn)?shù)。

3.7.2　do-while語句

while循環(huán)首先計(jì)算循環(huán)條件，有可能第一次循環(huán)時(shí)循環(huán)條件就是false，則循環(huán)體一次都不執(zhí)行。如例3.5中沒有輸入分?jǐn)?shù)或只輸入一個(gè)分?jǐn)?shù)，則循環(huán)控制變量to的值為?1，循環(huán)條件為false，循環(huán)體不會(huì)執(zhí)行。但是，有時(shí)希望循環(huán)體先執(zhí)行一次，然后判斷是否繼續(xù)下次循環(huán)，此時(shí)就應(yīng)該使用do-while循環(huán)。

此循環(huán)語句的執(zhí)行流程是：它先執(zhí)行循環(huán)中的語句，然后再判斷表達(dá)式是否為真（true），如果為真則繼續(xù)循環(huán)；如果為假（false），則終止循環(huán)。因此，do-while循環(huán)至少要執(zhí)行一次循環(huán)語句。其執(zhí)行過程可用圖3.16表示。

分析例3.5分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)程序中calcAvg方法的源代碼，發(fā)現(xiàn)循環(huán)體中的關(guān)鍵語句之一“to = numStr.indexOf('\n', from);”在while循環(huán)語句之前就執(zhí)行過一次，且to是循環(huán)控制變量。這就是說，無論循環(huán)何時(shí)結(jié)束，此語句必須執(zhí)行一次。因此，在calcAvg方法中采用do-while循環(huán)更合適。修改后calcAvg方法體中的程序段如下。

可見，采用do-while循環(huán)結(jié)構(gòu)后，程序似乎變得簡潔了。

3.7.3　for語句

在Java程序設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到使一組語句迭代執(zhí)行指定次數(shù)的問題，Java語言提供了for語句來完成“計(jì)數(shù)”循環(huán)。for語句使用也最為靈活，完全可以取代while語句。for語句的一般形式為：

     for(表達(dá)式1; 表達(dá)式2; 表達(dá)式3)
         語句

for語句的執(zhí)行流程如圖3.17所示。它的執(zhí)行過程是：①先求解表達(dá)式1；②求解表達(dá)式2，若其值為true（真），則執(zhí)行for語句循環(huán)體內(nèi)的語句，然后轉(zhuǎn)至③執(zhí)行；若其值為false（假），則循環(huán)結(jié)束，轉(zhuǎn)到for語句下面的語句執(zhí)行；③求解表達(dá)式3；④轉(zhuǎn)至②執(zhí)行。

for語句最簡單的應(yīng)用形式是計(jì)數(shù)循環(huán)，也是最容易理解的形式，語句如下：

     for(循環(huán)變量賦初值; 循環(huán)條件; 循環(huán)變量增量)
        語句

循環(huán)變量賦初值是一個(gè)賦值語句，用來給循環(huán)控制變量賦初始值；循環(huán)條件是一個(gè)關(guān)系表達(dá)式，它決定什么時(shí)候退出循環(huán)；循環(huán)變量增量用來定義循環(huán)控制變量每循環(huán)一次后按什么方式變化。這三個(gè)部分之間用“;”分開。例如：

     for(i=1; i<=100; i++)
         sum=sum+i;

先給i賦初值1，判斷i是否小于或等于100，若是則執(zhí)行循環(huán)體語句，之后值增加1。再重新判斷，直到i>100，結(jié)束循環(huán)。顯然，此for語句與下面的while等價(jià)：

事實(shí)上，for語句與while語句的這種等價(jià)關(guān)系具有一般性。

for循環(huán)中的“表達(dá)式1（循環(huán)變量賦初值）”“表達(dá)式2(循環(huán)條件)”和“表達(dá)式3(循環(huán)變量增量) ”都是選擇項(xiàng)，即表達(dá)式可以省略，但“;”不能省略。由此，可以形成for語句的以下靈活運(yùn)用方式。

（1）省略“表達(dá)式1（循環(huán)變量賦初值）”，表示不對循環(huán)控制變量賦初值。

（2）省略“表達(dá)式2(循環(huán)條件)”。但應(yīng)特別注意：若在循環(huán)體內(nèi)不做其他處理，則會(huì)形成死循環(huán)——循環(huán)一直進(jìn)行。例如，“for(i=1; ; i++) sum = sum+1 ;”就是死循環(huán)。

（3）省略“表達(dá)式3(循環(huán)變量增量)”，則不對循環(huán)控制變量進(jìn)行操作。這時(shí)應(yīng)該在語句體中加入修改循環(huán)控制變量的語句，使循環(huán)控制變量向著使循環(huán)結(jié)束的方向靠近。例如：

     for(i=1;i<=100;) {
         sum=sum+i;
         i++;  // 變量i向著101靠近
     }

（4）省略“表達(dá)式1（循環(huán)變量賦初值）”和“表達(dá)式3(循環(huán)變量增量)”。例如：

     for(; i<=100; ) {
         sum = sum + 1;
         i++;
     }

（5）三個(gè)表達(dá)式都可以省略。例如，“for(; ; )語句”，此種結(jié)構(gòu)應(yīng)在“語句”部分創(chuàng)造循環(huán)結(jié)束的條件。

（6）表達(dá)式1可以是設(shè)置循環(huán)變量的初值的賦值表達(dá)式，也可以是其他表達(dá)式。例如，“for(sum=0;i<=100;i++) sum = sum + i;”。

（7）表達(dá)式1和表達(dá)式3既可以是一個(gè)簡單表達(dá)式也可以是逗號表達(dá)式。例如，“for(sum=0,i=1;i<=100;i++)sum=sum+i;”；又如，“for(i=0,j=100;i<=100;i++,j--)k=i+j;”。

逗號運(yùn)算符“，”可以放在多個(gè)表達(dá)式之間形成逗號表達(dá)式，使各個(gè)表達(dá)式依次求值，逗號表達(dá)式的值是其中最后一個(gè)表達(dá)式的值。逗號運(yùn)算符“，”只用于for語句。

如果for語句的循環(huán)控制變量在該語句塊之外不再有用，可以在for語句的第一個(gè)表達(dá)式之處直接聲明其類型，例如：“for(int i=1;i<=100;i++) sum+=i;”。但是，語句“for(int i=1,sum=0;i<=100;i++) sum+=i;”，在之后不能訪問變量sum，如接著執(zhí)行語句“system.out.println("sum="+sum);”會(huì)發(fā)生找不到變量sum的錯(cuò)誤。

for語句盡管有這么多靈活用法，但一般還是應(yīng)該按照其正常形式使用，不應(yīng)人為增加程序的復(fù)雜性。應(yīng)該遵循一條不成文規(guī)矩：for語句的三個(gè)表達(dá)式應(yīng)該對同一個(gè)計(jì)數(shù)變量進(jìn)行初始化、檢測和更新。

還應(yīng)注意，如果for語句的表達(dá)式2檢測浮點(diǎn)數(shù)，盡量不要檢測相等，而是檢測其誤差在一定范圍內(nèi)。例如，“for(double x=0; x!=10; x+=0.1) …”則可能形成死循環(huán)——由于誤差，變量x永遠(yuǎn)不會(huì)等于10。

Java 10可以使用保留字var在for語句的第一個(gè)表達(dá)式中定義循環(huán)控制變量，該變量的類型由Java 10根據(jù)給其所賦值的類型推斷。例如語句“for(var i='a';i<='z';i++)system.out.println(i);”則會(huì)分行輸出26個(gè)英文字母。但此處var一次只能定義一個(gè)推斷類型變量，語句“for(var i=1,sum=0;i<=100;i++) ……”是不允許的。

例3.6　設(shè)計(jì)一個(gè)階乘計(jì)算程序，使程序能夠計(jì)算任意自然數(shù)的階乘。

分析：從階乘的計(jì)算公式n! = 1×2×…×(n?1)×n來看，是一個(gè)迭代相乘的操作，且迭代次數(shù)是n次，可以采用計(jì)數(shù)循環(huán)完成：

     long fact = 1;
     for(int i=1; i<=n; i++)
         fact *= i;

但是，運(yùn)行程序發(fā)現(xiàn)，當(dāng)n取比較大的值時(shí)，計(jì)算結(jié)果超出long類型的范圍，顯然并不能滿足計(jì)算任意自然數(shù)階乘的要求。在3.1.2節(jié)介紹過BigInteger類可以表示和處理不可變的任意精度的整數(shù)，當(dāng)然可以處理大整數(shù)運(yùn)算。查閱該類的API文檔，找到以下兩個(gè)可以用于本例的方法。

valueOf(long val)：返回其值等于指定long類型值的BigInteger對象，且可以使用類名直接調(diào)用。

multiply(BigInteger val)：返回當(dāng)前BigInteger對象與val對象乘積的BigInteger，也就是執(zhí)行大整數(shù)相乘運(yùn)算。

顯然，使用這兩個(gè)方法，采用上述for循環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)任意自然數(shù)階乘的計(jì)算。

解：按以下步驟操作。

（1）右擊book.loopdemos包名節(jié)點(diǎn)，在快捷菜單中選擇“新建”|“JFrame窗體”菜單項(xiàng)，類名輸入“ForDemo1”，單擊“完成”按鈕。

（2）在窗體中設(shè)計(jì)如圖3.18所示GUI界面。其中，文本字段組件jTextFieldFact存放和顯示階乘值，columns屬性值設(shè)置為20，editable屬性值為false。

（3）單擊“=”按鈕，在屬性窗口中單擊“事件”標(biāo)簽，單擊actionPerformed行右端的…按鈕，在對話框中單擊“添加”按鈕，新建處理程序的名稱輸入“calcFact”，單擊“確定”按鈕，再次單擊“確定”按鈕。

（4）自動(dòng)切換到源代碼視圖后，在calcFact方法體中輸入以下代碼段。

（5）使用與步驟（3）相同的操作，為“清除”按鈕添加actionPerformed事件處理方法clearAll，并在該方法體中輸入以下程序代碼。

     jTextFieldNum.setText("");
     jTextFieldFact.setText("");

（6）使用與步驟（3）相同的操作，為“退出”按鈕添加actionPerformed事件處理方法calcExit，并在該方法體中輸入語句“System.exit(0);”。

完成上述步驟后，運(yùn)行程序，輸入45，單擊“=”按鈕，顯示階乘值為119622220865480194561963161495657715064383733760000000000，顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出long類型范圍，程序能夠按照題意運(yùn)行。

循環(huán)語句的使用還有一種常見的情況是在一個(gè)循環(huán)語句內(nèi)包含另外一個(gè)循環(huán)語句，分別稱為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)語句，這種用法稱為循環(huán)的嵌套。甚至在內(nèi)循環(huán)語句中還可能包含一條循環(huán)語句，從而構(gòu)成多重嵌套循環(huán)結(jié)構(gòu)。本書后面章節(jié)將介紹嵌套循環(huán)的例子。

3.7.4　循環(huán)中的跳轉(zhuǎn)

循環(huán)中的跳轉(zhuǎn)是指在循環(huán)條件仍然成立時(shí)強(qiáng)制改變循環(huán)流程的操作，主要包括強(qiáng)制結(jié)束循環(huán)和強(qiáng)制開始下一次循環(huán)兩種情況。

1. break語句

Java語言中break語句除了用于switch語句之外，還可以用于do-while、for、while循環(huán)語句中使程序終止循環(huán)而執(zhí)行循環(huán)后面的語句。通常break語句總是與if語句連在一起，使循環(huán)在滿足特定條件時(shí)跳出循環(huán)。在循環(huán)語句中使用break語句的一般形式如下。

其執(zhí)行流程如圖3.19所示。

對于以下常見的計(jì)算自然數(shù)階乘的程序段，利用break語句可以在階乘值超出long類型范圍時(shí)直接結(jié)束計(jì)算階乘的for循環(huán)。

Java語句還提供了一個(gè)帶標(biāo)號的break語句。Java程序中的標(biāo)號是一個(gè)后面加冒號“:”的標(biāo)識符，一般可以在循環(huán)語句、if語句或任何塊語句前面加標(biāo)號。當(dāng)執(zhí)行“break標(biāo)號;”語句時(shí)，執(zhí)行流程直接跳轉(zhuǎn)到標(biāo)號語句塊之后。例如：

2. continue語句

continue語句的作用是跳過循環(huán)體中剩余的語句而強(qiáng)行執(zhí)行下一次循環(huán)。continue語句只用在for、while、do-while等循環(huán)體中，常與if條件語句一起使用以加速循環(huán)。在循環(huán)語句中使用break語句的一般形式如下。

其執(zhí)行過程如圖3.20所示。

continue語句也可以帶有標(biāo)號，使流程跳轉(zhuǎn)到標(biāo)號標(biāo)記的語句塊首部執(zhí)行。

例3.7　設(shè)計(jì)一個(gè)Java GUI程序，提供文本框讓用戶輸入一個(gè)正整數(shù)n，并將2～n的全部素?cái)?shù)顯示在文本區(qū)域。

分析：如果一個(gè)整數(shù)不能被除了1和它自身之外的任何整數(shù)整除，這個(gè)整數(shù)就是素?cái)?shù)。顯然，所有的偶數(shù)都不是素?cái)?shù)；最小的素?cái)?shù)是2；對一個(gè)奇數(shù)m，如果除以3～m/2的任一整數(shù)的余數(shù)為0即不是素?cái)?shù)，反之m即為素?cái)?shù)。

可以采用for循環(huán)對2～n的奇數(shù)逐一測試。for循環(huán)內(nèi)部嵌套一個(gè)循環(huán)，測試當(dāng)前整數(shù)是否為素?cái)?shù)。

解：按照以下步驟操作。

（1）右擊chap03項(xiàng)目的“源包”|ifdemos包下的IfMaxDemo.java節(jié)點(diǎn)，在快捷菜單中選擇“復(fù)制”菜單項(xiàng)。

（2）右擊book.loopdemos包名節(jié)點(diǎn)，在快捷菜單中選擇“粘貼”|“重構(gòu)復(fù)制”菜單項(xiàng)，新名稱輸入“LoopsDemo”，單擊“重構(gòu)”按鈕。修改窗體LoopsDemo的title屬性值為“素?cái)?shù)查找程序”。

（3）在設(shè)計(jì)視圖下刪除LoopsDemo窗體中的“最大整數(shù)”標(biāo)簽組件及文本字段jTextFieldMax組件；將“確定”和“清除”按鈕移到靠近窗體底邊框位置；修改jLabel1組件的text屬性值為“2——”、jLabel2組件的text屬性值為“所有素?cái)?shù)：”。修改后的程序GUI如圖3.21所示。

（4）切換到“源”視圖，刪除LoopsDemo類中的“int maxNum=Integer.MIN_VALUE;”語句，刪除addNumber方法中的所有語句但保留方法首尾行，在該方法體中輸入以下語句。

（5）刪除clearNums方法中的后兩行語句。

     jTextFieldMax.setText("");
     maxNum = Integer.MIN_VALUE;

完成上述步驟后運(yùn)行程序，可以找出指定范圍內(nèi)的所有素?cái)?shù)（見圖3.22）。程序中對于2～n的偶數(shù)，使用continue語句直接跳過（見程序代碼中的注①）；對于某個(gè)數(shù)m，如果能被3～m/2的任意數(shù)整除，則使用break語句直接退出內(nèi)層循環(huán)體（見程序代碼中的注②）。

3.7.5　遞歸方法

對于階乘計(jì)算問題，除了例3.6給出的迭代相乘方法外，還有遞歸求解方法。即n！可以分解為n×(n?1)!，即變?yōu)榍蠼?n?1)!問題；(n?1)! = (n?1)×(n?2)!，從而變?yōu)榍蠼?n?2)!的問題；以此類推，當(dāng)最終變?yōu)榍蠼?！的問題時(shí)，可以直接得到結(jié)果1（見圖3.23）。然后逆序得到各步結(jié)果，即用1替換1!代入2×1！得到2！結(jié)果2；用2替換2!代入3×2！得到3！結(jié)果6；用6替換3!代入4×3！得到4！結(jié)果24；以此類推，直到用(n?1)!結(jié)果計(jì)算出n?。ㄒ妶D3.24）。

遞歸是一種非常有用的解題方法，其基本思路是：首先尋找一種方法將原問題分解為規(guī)模較小的同類問題，而這種分解方法又可以應(yīng)用于前面分解得到的較小問題上，從而將問題逐步降解為同類較小的問題。當(dāng)問題降解為最小規(guī)模或足夠小的規(guī)模時(shí)，可以直接得到結(jié)果。第二階段，利用足夠小的規(guī)模問題的結(jié)果獲得較大規(guī)模問題的結(jié)果，進(jìn)一步得到更大規(guī)模問題的結(jié)果，直至得到原始問題的結(jié)果。

恰當(dāng)?shù)乩眠f歸方法可以降低某些問題的解決難度，同時(shí)也使解題思路更加清晰，程序邏輯更為簡單。例如，在JShell中可以輸入如圖3.25所示的Java程序片段實(shí)現(xiàn)圖3.23和圖3.24的遞歸算法。

可以采用遞歸方法解決的問題必須符合以下三個(gè)條件。

（1）問題可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)新問題，而新問題解決方法與原問題相同，且新問題為原問題的有規(guī)律遞增或遞減。

（2）可以通過轉(zhuǎn)化過程使問題得到解決。

（3）必須有一個(gè)明確的結(jié)束遞歸的條件，使問題在有限步內(nèi)得到解決。

事實(shí)上，某些問題只有使用遞歸方法才能設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序來解決。此外，Java語言利用遞歸方法解決的問題遞歸層數(shù)不能太多，否則會(huì)造成JVM出錯(cuò)。