Cykly

Při programování se běžně dostaneme do situace, kdy je třeba nějakou činnost vykonat opakovaně. Standardním nástrojem pro tento případ jsou v téměř všech programovacích jazykách cykly. Céčko nabízí hned tři typy cyklů.

• while
• do - while
• for

while cyklus

Cyklus while má následující strukturu:

while (logická hodnota)
  příkaz nebo blok

Do češtiny by se to dalo přeložit asi jako "Dokud platí logická hodnota, vykonávej příkaz/blok". Nejprve se vyhodnotí logická hodnota a není-li pravdivá, vykonávání cyklu se ukončí. V opačném případě se provede následující příkaz nebo blok, potom se znovu vyhodnotí podmínka. Je-li i tentokrát pravdivá, pokračuje se ve vykonávání cyklu podle již známého schématu, jinak se cyklus opustí.

V praxi se while cyklus obvykle používá, pokud neznáme předem počet iterací cyklu, například při čtení ze souboru (dokud nejsi na konci souboru, čti) nebo jako hlavní smyčka programů s grafickým uživatelským rozhraním (dokud má pro nás systém událost, zpracuj ji). Nic nám však nebrání vypsat pomocí while cyklu třeba čísla od jedničky do desítky.

int i = 1;

while (i <= 10) {
  printf("%i\n", i);
  i++;
}

Podobně jako u if a else se i zde se jako součást těla cyklu bere pouze bezprostředně následující příkaz. Pokud chceme opakovaně vykonávat více příkazů, je třeba je uzavřít do bloku. Navíc pokud těsně za podmínku umístíte středník, jde o cyklus s prázdným tělem a opakovaně se vykonává pouze podmínka.

int i = 1000000000;

while (i--);

Výše uvedený příklad může sloužit jako jednoduchý test rychlosti procesoru, samozřejmě jen pokud překladač cyklus "nevyoptimalizuje" tj. neodstraní. V akademické sféře kolují historky o podobných cyklech v prvních verzích komerčního software, aby se pak dobře prodávala i druhá a rychlejší verze programu, nicméně moje programátorská praxe ve dvou firmách tyto domněnky nepotvrzuje.

do - while cyklus

Cyklus do - while se od while cyklu liší jen mírně.

do
  příkaz nebo blok
while (logická hodnota);

Rozdíl oproti while cyklu je jen v tom, že se nejprve vykoná tělo cyklu a teprve potom se zkontroluje podmínka. To znamená, že tělo se vždy alespoň jednou provede. Řada programátorů považuje tento cyklus za nepřehledný a systematicky se mu vyhýbá. Pokud uvidíme v cizím kódu klíčové slovo while, opravdu nemusí být na první pohled jasné, o který typ cyklu se jedná. Cyklus do - while se nejčastěji používá pro opakované vykonávání nějaké akce tak dlouho, dokud neselže (někdy naopak dokud neuspěje). Může jít opět o čtení ze souboru nebo třeba pokus o získání nějakých systémových prostředků, kdy se snažíme tak dlouho, než uspějeme. I tento cyklus jde samozřejmě použít i na výpis čísel od jedničky do desítky. Následující příklad jsem schválně napsal špatně. Dokážete říci, jaká čísla program vypíše, aniž byste jej přeložili a spustili?

int i = 1;
do {
  i++;
  printf("%i\n", i);
} while (i <= 10);

for cyklus

Pokud chceme provádět nějakou akci pro celá čísla z nějakého předem známého intervalu, je while cyklus zbytečně obecný a těžkopádný. Většina jazyků proto nabízí ještě for cyklus. V Céčku je sice i tento cyklus navržen dost obecně, ale přesto jej v těchto případech drtivá většina programátorů použije.

for (inicializace; podmínka; krok)
  příkaz nebo blok

(1) Nejprve se provede inicializace, potom (2) se ověří podmínka. Není-li splněna, cyklus se ukončí. V opačném případě se (3) provede příkaz/blok, (4) provede krok a pokračuje se zpět k podmínce (2) a dál už to známe. Náš příklad s výpisem deseti čísel by skoro každý C programátor napsal asi takhle:

int i;

for (i = 1; i <= 10; i++)
  printf("%i\n", i);

Podobně jako podmínky, i cykly lze do sebe zanořovat. Pokud chceme vypsat matici, jejíž prvky jsou souřadnice, vnoříme dva for cykly do sebe.

int i, j;

for (i = 1; i <= 5; i++)
  for (j = 1; j <= 5; j++)
    printf("[%i, %i]%s", i, j, j == 5 ? "\n" : " ");

Pro ty, kteří již zapomněli podrobnosti o printf, podmíněném výrazu nebo řetězcových konstantách, připomínám, pomocí %s a posledního parametru printf vkládám za poslední prvek každého řádku matice znak '\n' - oddělovač řádku a v ostatních případech " " - mezeru.

break, continue a goto

Jednoduché příklady jdou poměrně přirozeně naprogramovat jen s pomocí základní syntaxe některého z cyklů. Ve složitějších případech se ovšem stává, že v těle cyklu zjistíme, že vlastně chceme skončit nebo přeskočit zbytek těla a rovnou pokračovat další iterací. Pomocí if a else v těle cyklu a někdy i pomocných logických proměnných lze vždy podobnou situaci vyřešit, ale program je potom zbytečně nepřehledný. Lepší je použít break nebo continue. Klíčové slovo break způsobí, že se přeruší vykonávání celého cyklu, zatímco continue pouze ukončí aktuální iteraci a zajistí přechod na iteraci následující. Díky break lze vytvářet cykly, kde je ukončovací podmínka vždy splněna a přesto se nejedná o nekonečný cyklus. Pokud chceme vypsat všechna lichá čísla od jedničky do devatenácti, můžeme místo standardního

int i;
for (i = 1; i < 20; i += 2)
  printf("%i ", i);

napsat třeba

int i = 0;

while (1) {
  i++;
  if (i % 2 == 0) continue;
  if (i >= 20) break;
  printf("%i ", i);
}

Je vidět, že kód s break a continue je delší a méně přehledný. Skutečné praktické příklady problémů, kde nová klíčová slova naopak výrazně pomůžou, by byly složitější.

Příkazy break a continue se váží vždy k nejvnitřnější struktuře, která je podporuje (v našem případě je to vždy nějaký cyklus). Pokud tedy máme například dva vnořené for cykly, break v těle vnitřního cyklu ukončí jen vnitřní cyklus, nikoli vnější.

Někdy ani break a continue nepomohou. Při psaní komplikovaných algoritmů (z vlastní praxe mohu uvést například šachy nebo parsování textu) se někdy hodí nástroj nejtěžšího kalibru - příkaz goto. Pomocí návěstí a goto můžeme při vykonání programu skočit v rámci jedné funkce téměř odkudkoli kamkoli. Pomocí identifikátoru a dvojtečky vytvoříme návěstí a příkazem goto na označené místo prostě skočíme. Můžeme tak vstoupit do cyklu nebo jej opustit. Pomocí podmínky a goto lze i cykly vytvářet. Náš známý příklad s výpisem čísel může vypadat i takhle:

int i = 1;

zacatek_cyklu:
printf("%i\n", i);
i++;
if (i <= 10) goto zacatek_cyklu;

Výše uvedený příklad berte jako příklad odstrašující, mnohem lepší je použít jednoduše for cyklus. Pomocí několika goto a návěstí v jedné funkci lze snadno napsat kód, ve kterém se nevyzná ani jeho autor. Právě proto působí goto na strážce syntaktické čistoty kódu, puristy počítačových jazyků a většinu učitelů programování stejně jako rudý hadr na býka. Pravdou je, že asi 90% algoritmů lze velmi přirozeným způsobem popsat jen pomocí běžných řídících struktur jako jsou podmínky a cykly. V 9% nám pomůže break a continue. Jen v 1% případů je i poté kód zbytečně komplikovaný a goto vede ke zjednodušení. Jako nejčastější rozumné příklady použití goto bych jmenoval opuštění vnějšího cyklu nebo skok na kód, který čistí paměť po detekci chyby a opouští funkci.

Pokračování příště

Známe už tři druhy cyklů, ale příklady na jejich použití, které jsem uváděl, byly přece jen trochu umělé a vykonstruované. Ve praxi se zejména for cyklus velmi často používá v souvislosti s "hromadnou proměnnou" - polem a právě pole probereme v příštím dílu.