計算機程序的思惟邏輯 (9) - 條件執行的本質

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條件執行

前面幾節咱們介紹瞭如何定義數據和進行基本運算，爲了對數據有透徹的理解，咱們介紹了各類類型數據的二進制表示。

如今，讓咱們回顧程序自己，只進行基本操做是不夠的，爲了進行有現實意義的操做，咱們須要對操做的過程進行流程控制。流程控制中最基本的就是條件執行，也就 是說，某些操做只能在某些條件知足的狀況下才執行，在一些條件下執行某種操做，在另一些條件下執行另外某種操做。這與交通控制中的紅燈停、綠燈行條件執行是相似的。

Java中表達這種流程控制的基本語法是If語句。

if

if的語法爲:

if(條件語句){
  代碼塊
}
複製代碼

或

if(條件語句) 代碼; 
複製代碼

它表達的含義也很是簡單，只在條件語句爲真的狀況下，才執行後面的代碼，爲假就不作了。具體來講，條件語句必須爲布爾值，能夠是一個直接的布爾變量，也能夠是變量運算後的結果，咱們在第3節介紹過，比較運算和邏輯運算的結果都是布爾值，因此可做爲條件語句。條件語句爲true，則執行括號{}中的代碼，若是後面沒有括號，則執行後面第一個分號(;)前的代碼。

如，只在變量爲偶數的狀況下輸出：

int a=10;
if(a%2==0){
   System.out.println("偶數");
}
複製代碼

或

int a=10;
if(a%2==0) System.out.println("偶數");
複製代碼

if的陷阱

初學者有時會忘記在if後面的代碼塊中加括號，有時但願執行多條語句而沒有加括號，結果只會執行第一條語句。建議全部if後面都跟括號。

if/else

if實現的是條件知足的時候作什麼操做，若是須要根據條件作分支，即知足的時候執行某種邏輯，而不知足的時候執行另外一種邏輯，則能夠用if/else。

if/else的語法是:

if(判斷條件){
   代碼塊1
}else{
   代碼塊2
}
複製代碼

if/else也很是簡單，判斷條件是一個布爾值，爲true的時候執行代碼塊1，爲假的時候執行代碼塊2。

三元運算符

咱們以前介紹了各類基本運算，這裏介紹一個條件運算，和if/else很像，叫三元運算符，語法爲：

判斷條件 ? 表達式 1 ： 表達式2
複製代碼

三元運算符會獲得一個結果，判斷條件爲真的時候就返回表達式1的值，不然就返回表達式2的值。三元運算符常常用於對某個變量賦值，例如求兩個數的最大值：

int max = x > y ? x : y;
複製代碼

三元運算符徹底能夠用if/else代替，但在某些場景下書寫更簡潔。

if/else if/else

若是有多個判斷條件，並且須要根據這些判斷條件的組合執行某些操做，則可使用if/else if/else。

語法是

if(條件1){
  代碼塊1
}else if(條件2){
  代碼塊2
}...
else if(條件n){
   代碼塊n
}else{
   代碼塊n+1
} 
複製代碼

if/else if/else也比較簡單，但能夠表達複雜的條件執行邏輯，它逐個檢查條件，條件1知足則執行代碼塊1，不知足則檢查條件2，...，最後若是沒有條件滿 足，且有else語句，則執行else裏面的代碼。最後的else語句不是必須的，沒有就什麼都不執行。

if/else if/else陷阱

須要注意的是，在if/else if/else中，判斷的順序是很重要的，後面的判斷只有在前面的條件爲false的時候纔會執行。初學者有時會搞錯這個順序，以下面的代碼：

if(score>60){
  return "及格";
}else if(score>80){
  return "良好";
}else{
  return "優秀"
}
複製代碼

看出問題了吧？若是score是90，可能指望返回"優秀"，但實際只會返回"及格".

switch

在if/else if/else中，若是判斷的條件基於的是同一個變量，只是根據變量值的不一樣而有不一樣的分支，若是值比較多，好比根據星期幾進行判斷，有7種可能性，或者根據英文字母進行判斷，有26種可能性，使用if/else if/else顯的比較囉嗦，這種狀況可使用switch，switch的語法是：

switch(表達式){
   case 值1：
           代碼1; break;
   case 值2:
           代碼2; break;
           ...
    case 值n:
          代碼n; break;
    default: 代碼n+1
}
複製代碼

switch也比較簡單，根據表達式的值執行不一樣的分支，具體來講，根據表達式的值找匹配的case，找到後，執行後面的代碼，碰到break時結束，若是沒有找到匹配的值則執行default中的語句。

表達式值的數據類型只能是 byte, short, int, char, 枚舉, 和String (Java 1.7之後)。枚舉和String咱們在後續文章介紹。

switch會簡化一些代碼的編寫，但break和case語法會對初學者形成一些困惑。

容易忽略的break

break是指跳出switch語句，執行switch後面的語句。每條case語句後面都應該跟break語句，不然的話它會繼續執行後面case中的代碼直到碰到break語句或switch結束，例如：下面的代碼會輸出全部數字而不僅是1.

int a = 1;
switch(a){
case 1:
    System.out.println("1");
case 2:
    System.out.println("2");
default:
    System.out.println("3");
}
複製代碼

case堆疊

case語句後面能夠沒有要執行的代碼，以下所示：

char c = 'x';//某字符
switch(c){
   case 'A':
   case 'B':
   case 'C':
        System.out.println("A-Z");break;
   case 'D':
       ....
}
複製代碼

case 'A'/'B'後都沒有緊跟要執行的代碼，他們實際會執行第一塊碰到的代碼，即case 'C'匹配的代碼

條件小結

條件執行整體上是比較簡單的，單一條件知足時執行某操做使用if，根據一個條件是否知足執行不一樣分支使用if/else，表達複雜的條件使用if/else if/elese，條件賦值使用三元運算符，根據某一個表達式的值不一樣執行不一樣的分支使用switch。

從邏輯上講，if/else, if/else if/else，三元運算符，switch均可以只用if代替，但使用不一樣的語法表達更簡潔，在條件比較多的時候，switch從性能上也更高（立刻解釋爲何）。

條件本質

正如咱們探討數據類型的時候，研究數據的二進制表示同樣，咱們也來看下這些條件執行具體是怎麼實現的。

程序最終都是一條條的指令，CPU有一個指令指示器，指向下一條要執行的指令，CPU根據指示器的指示加載指令而且執行。指令大部分是具體的操做和運算，在執行這些操做時，執行完一個操做後，指令指示器會自動指向挨着的下一個指令。

但有一些特殊的指令，稱爲跳轉指令，這些指令會修改指令指示器的值，讓CPU跳到一個指定的地方執行。跳轉有兩種，一種是條件跳轉，另外一種是無條件跳轉。條件跳轉檢查某個條件，知足則進行跳轉，無條件跳轉則是直接進行跳轉。

if, else實際上會轉換爲這些跳轉指令，好比說下面的代碼：

1 int a=10;
2 if(a%2==0)
3 {
4    System.out.println("偶數");
5 }
6 //其餘代碼
複製代碼

轉換到的轉移指令多是：

1 int a=10;
2 條件跳轉: 若是a%2==0,跳轉到第4行
3 無條件跳轉：跳轉到第7行
4 {
5    System.out.println("偶數");
6 }
7 //其餘代碼
複製代碼

你可能會奇怪其中的無條件跳轉指令，沒有它不行嗎？不行，沒有這條指令，無論什麼條件，括號中的代碼都會執行。

不過，對應的跳轉指令也多是：

1 int a=10;
2 條件跳轉: 若是a%2!=0,跳轉到第6行
3 {
4    System.out.println("偶數");
5 }
6 //其餘代碼
複製代碼

這個就沒有無條件跳轉指令，具體怎麼對應和編譯器實現有關。在單一if的狀況下可能不用無條件跳轉指令，但稍微複雜一些的狀況都須要。if, if/else, if/else if/else, 三元運算符都會轉換爲條件跳轉和無條件跳轉。但switch不太同樣。

switch的轉換和具體系統實現有關，若是分支比較少，可能會轉換爲跳轉指令。但若是分支比較多，使用條件跳轉會進行不少次的比較運算，效率比較低，可能會使用一種更爲高效的方式，叫跳轉表。跳轉表是一個映射表，存儲了可能的值以及要跳轉到的地址，形如：

值	跳轉地址
值1	代碼塊1的地址
值2	代碼塊2的地址
...
值n	代碼塊n的地址

跳轉表爲何會更爲高效呢？由於，其中的值必須爲整數，且按大小順序排序。按大小排序的整數可使用高效的二分查找，即先與中間的值比，若是小於中間的值則在開始和中間值之間找，不然在中間值和末尾值之間找，每找一次縮小一倍查找範圍。若是值是連續的，則跳轉表還會進行特殊優化，優化爲一個數組，連找都不用找了，值就是數組的下標索引，直接根據值就能夠找到跳轉的地址。即便值不是連續的，但數字比較密集，差的很少，編譯器也可能會優化爲一個數組型的跳轉表，沒有的值指向default分支。

程序源代碼中的case值排列不要求是排序的，編譯器會自動排序。以前說switch值的類型能夠是byte, short, int, char, 枚舉和String。其中byte/short/int原本就是整數，在上節咱們也說過，char本質上也是整數，而枚舉類型也有對應的整數，String用於switch時也會轉換爲整數(經過hashCode方法，後文介紹），爲何不可使用long呢？跳轉表值的存儲空間通常爲32位，容納不下long。

總結

條件執行的語法是比較天然和容易理解的，須要注意的是其中的一些語法細節和陷阱。它執行的本質依賴於條件跳轉、無條件跳轉和跳轉表。

條件執行中的跳轉只會跳轉到跳轉語句之後的指令，能不能跳轉到以前的指令呢？

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