2.6 Schleifen

Schleifen dienen dazu, bestimmte Anweisungen immer wieder abzuarbeiten. Zu einer Schleife gehören die Schleifenbedingung und der Rumpf. Die Schleifenbedingung, ein Boolescher Ausdruck, entscheidet darüber, unter welcher Bedingung die Wiederholung ausgeführt wird. In Abhängigkeit von der Schleifenbedingung kann der Rumpf mehrmals ausgeführt werden. Dazu wird bei jedem Schleifendurchgang die Schleifenbedingung geprüft. Das Ergebnis entscheidet, ob der Rumpf ein weiteres Mal durchlaufen (true) oder die Schleife beendet wird (false). Java bietet vier Typen von Schleifen:

• while-Schleife

• do-while-Schleife

• Einfache for-Schleife

• Erweiterte for-Schleife

2.6.1 Die while-Schleife

Die while-Schleife ist eine abweisende Schleife, die vor jedem Schleifeneintritt die Schleifenbedingung prüft. Ist die Bedingung wahr, führt sie den Rumpf aus, andernfalls beendet sie die Schleife. Wie bei if muss auch bei den Schleifen der Typ der Bedingungen boolean sein.

int cnt = 12; 
while ( cnt > 0 ) 
{ 
  System.out.println( cnt ); 
  cnt--; 
}

Vor jedem Schleifendurchgang wird der Ausdruck neu ausgewertet, und ist das Ergebnis true, so wird der Rumpf ausgeführt. Die Schleife ist beendet, wenn das Ergebnis false ist. Ist die Bedingung schon vor dem ersten Eintritt in den Rumpf nicht wahr, so wird der Rumpf erst gar nicht durchlaufen. Der Typ der Bedingung muss boolean sein. [Damit sehen Bedingungen in Java im Gegensatz zu C(++) etwas präziser aus: Statt einfach nur while ( i ) wie in C(++) heißt es in Java: while ( i != 0 ). ]

while ( leseWeiterBisZumEnde() ) 
  ;                              // Rumpf ist leer

Endlosschleifen

while ( true ) 
{ 
  // immer wieder und immer wieder 
}

In Eclipse lassen sich Programme von außen beenden. Dazu bietet die Ansicht Console eine rote Schaltfläche in Form eines Quadrats, das nach der Aktivierung im Fall eines laufenden Programms die JVM mit den laufenden Programmen beendet.

Endlosschleifen bedeuten normalerweise das Aus für jedes Programm. Doch es gibt Hilfe! Aus dieser Endlosschleife können wir mittels break entkommen. Genau genommen beenden aber auch nicht aufgefangene Exceptions oder auch System.exit() die Programme.

2.6.2 Schleifenbedingungen und Vergleiche mit ==

Eine Schleifenabbruchbedingung kann ganz unterschiedlich aussehen. Beim Zählen ist es häufig der Vergleich auf einen Endwert. Oft steckt an dieser Stelle ein absoluter Vergleich mit ==, der aus zwei Gründen problematisch werden kann.

Sehen wir uns das erste Problem anhand einiger Programmzeilen an:

int i = ...; 
while ( i != 9 ) 
  i++;

Ist der Wert der Variablen i kleiner als 9, so haben wir beim Zählen kein Problem, denn dann ist anschließend spätestens bei 9 Schluss. Ist der Wert allerdings echt größer als 9, so ist die Bedingung ebenso wahr, und der Schleifenrumpf wird ziemlich lange durchlaufen – genau genommen so weit, bis wir durch einen Überlauf wieder bei 0 beginnen und dann auch bei 9 landen. Die Absicht ist sicherlich eine andere gewesen. Die Schleife sollte nur so lange zählen, wie i kleiner 9 ist, und sonst nicht. Daher passt Folgendes besser:

int i = ...; 
while ( i < 9 ) 
  i++;

Jetzt rennt der Interpreter bei Zahlen größer 9 nicht endlos weiter, sondern stoppt die Schleife sofort.

Rechenungenauigkeiten

Das zweite Problem ergibt sich bei Gleitkommazahlen. Es ist sehr problematisch, echte Vergleiche zu fordern.

double d = 0.0; 
while ( d != 1.0 ) 
{ 
  d += 0.1; 
  System.out.println( d ); 
}

Lassen wir das Programmsegment laufen, so sehen wir, dass die Schleife hurtig über das Ziel hinausschießt:

0.1 
0.2 
0.30000000000000004 
0.4 
0.5 
0.6 
0.7 
0.7999999999999999 
0.8999999999999999 
0.9999999999999999 
1.0999999999999999 
1.2 
1.3

– bis das Auge müde wird ...

Bei Fließkommawerten bietet es sich daher immer an, mit den relationalen Operatoren < oder > zu arbeiten.

Eine zweite Möglichkeit neben dem echten Kleiner/Größer-Vergleich ist, eine erlaubte Abweichung (Delta) zu definieren. Mathematiker bezeichnen die Abweichung von zwei Werten mit dem griechischen Kleinbuchstaben Epsilon. Wenn wir einen Vergleich von zwei Fließkommazahlen anstreben und bei einem Gleichheitsvergleich eine Toleranz mit betrachten wollen, so schreiben wir einfach:

if ( Math.abs(x – y) <= epsilon ) 
  ...

Epsilon ist die erlaubte Abweichung. Math.abs(x) berechnet von einer Zahl x den Absolutwert.

2.6.3 Die do-while-Schleife

Dieser Schleifentyp ist eine annehmende Schleife, da do-while die Schleifenbedingung erst nach jedem Schleifendurchgang prüft. Bevor es zum ersten Test kommt, ist der Rumpf also schon einmal durchlaufen worden:

int pos = 1; 
do 
{ 
  System.out.println( pos ); 
  pos++; 
} while ( pos <= 10 );                // Bemerke das Semikolon

Es ist wichtig, auf das Semikolon hinter der while-Anweisung zu achten. Liefert die Bedingung ein true, so wird der Rumpf erneut ausgeführt. [Das ist in Pascal anders! Hier läuft eine repeat/until-Schleife so lange, bis die Bedingung erfüllt ist, und bricht dann ab. ] Andernfalls wird die Schleife beendet, und das Programm wird mit der nächsten Anweisung nach der Schleife fortgesetzt.

Äquivalenz einer while- und einer do-while-Schleife

Die do-Schleife wird seltener gebraucht als die while-Schleife. Dennoch lassen sich beide ineinander überführen. Zunächst der erste Fall: Wir ersetzen eine while-Schleife durch eine do-while-Schleife:

while ( Ausdruck ) 
  Anweisung

Führen wir uns noch einmal vor Augen, was hier passiert. In Abhängigkeit vom Ausdruck wird der Rumpf ausgeführt. Da zunächst ein Test kommt, wäre die do-while-Schleife schon eine Blockausführung weiter. So fragen wir in einem ersten Schritt mit einer if-Anweisung ab, ob die Bedingung wahr ist oder nicht. Wenn ja, dann lassen wir den Programmcode in einer do-while-Schleife abarbeiten.

Die äquivalente do-while-Schleife sieht also wie folgt aus:

if ( Ausdruck ) 
  do 
    Anweisung 
  while ( Ausdruck ) ;

Nun der zweite Fall: Wir ersetzen die do-while-Schleife durch eine while-Schleife:

do 
  Anweisung 
while ( Ausdruck ) ;

Da zunächst die Anweisungen ausgeführt werden und anschließend der Test, schreiben wir für die while-Variante die Ausdrücke einfach vor den Test. So ist sichergestellt, dass diese zumindest einmal abgearbeitet werden.

Anweisung 
while ( Ausdruck ) 
  Anweisung

2.6.4 Die for-Schleife

Die for-Schleife ist eine spezielle Variante einer while-Schleife und wird typischerweise zum Zählen benutzt. Genauso wie while-Schleifen sind for-Schleifen abweisend, der Rumpf wird also erst dann ausgeführt, wenn die Bedingung wahr ist.

for ( int i = 1; i <= 10; i++ )            // i ist Schleifenzähler 
  System.out.println( i );

Eine genauere Betrachtung der Schleife zeigt die unterschiedlichen Segmente:

• Initialisierung der Schleife. Der erste Teil der for-Schleife ist ein Ausdruck wie i = 1, der vor der Durchführung der Schleife genau einmal ausgeführt wird. Dann wird das Ergebnis verworfen. Tritt in der Auswertung ein Fehler auf, so wird die Abarbeitung unterbrochen und die Schleife kann nicht vollständig ausgeführt werden. Der erste Teil kann lokale Variablen deklarieren und initialisieren. Diese Zählvariable ist dann außerhalb des Blocks nicht mehr gültig. [Im Gegensatz zu C++ ist das Verhalten klar definiert, und es gibt kein Hin und Her. In C++ implementierten Compilerbauer die Variante einmal so, dass die Variable nur im Block gilt, andere interpretierten die Sprachspezifikation so, dass diese auch außerhalb gültig blieb. Die aktuelle C++-Definition schreibt nun vor, dass die Variable außerhalb des Blocks nicht mehr gültig ist. Da es jedoch noch alten Programmcode gibt, haben viele Compilerbauer eine Option eingebaut, mit der das Verhalten der lokalen Variablen bestimmt werden kann. ] Es darf noch keine lokale Variable mit dem gleichen Namen geben.

• Schleifentest/Schleifenbedingung. Der mittlere Teil, wie i <= 10, wird vor dem Durchlaufen des Schleifenrumpfs – also vor jedem Schleifeneintritt – getestet. Ergibt der Ausdruck false, wird die Schleife nicht durchlaufen und beendet. Das Ergebnis muss, wie bei einer while-Schleife, vom Typ boolean sein. Ist kein Test angegeben, so ist das Ergebnis automatisch true.

• Schleifen-Inkrement durch einen Fortschaltausdruck. Der letzte Teil, wie i++, wird immer am Ende jedes Schleifendurchlaufs, aber noch vor dem nächsten Schleifeneintritt ausgeführt. Das Ergebnis wird nicht weiter verwendet. Ergibt die Bedingung des Tests true, dann befindet sich beim nächsten Betreten des Rumpfs der veränderte Wert im Rumpf.

Betrachten wir das Beispiel, so ist die Auswertungsreihenfolge folgender Art:

Schleifenzähler

Wird die for-Schleife zum Durchlaufen einer Variable genutzt, so heißt der Schleifenzähler entweder Zählvariable oder Laufvariable.

Wichtig ist die Initialisierung und die korrekte Abfrage am Ende. Schnell läuft die Schleife einmal zu oft durch und führt so zu falschen Ergebnissen. Die Fehler bei der Abfrage werden auch »off-by-one error« genannt, wenn zum Beispiel statt <= der Operator < steht. Dann nämlich läuft die Schleife nur bis 9. Ein anderer Name für den Schleifenfehler heißt »fencepost error«. Es geht um die Frage, wie viele Pfähle nötig sind, um 100 m einzuzäunen, sodass alle Pfähle einen Abstand von 10 m haben: 9, 10, 11?

Wann for und wann while?

Da sich die while- und for-Schleife sehr ähnlich sind, besteht die berechtigte Frage, wann die eine und wann die andere zu nutzen ist. Leider verführt die kompakte for-Schleife sehr schnell zu einer Überladung. Manche Programmierer packen gerne alles in den Schleifenkopf hinein, und der Rumpf besteht nur aus einer leeren Anweisung. Dies ist ein schlechter Stil und muss vermieden werden.

for-Schleifen sollten immer dann benutzt werden, wenn eine Variable um eine konstante Größe erhöht wird. Tritt in der Schleife keine Schleifenvariable auf, die inkrementiert oder dekrementiert wird, sollte eine while-Schleife genutzt werden. Eine do-while-Schleife sollte dann ihren Einsatz finden, wenn die Abbruchbedingung erst am Ende eines Schleifendurchlaufs ausgewertet werden kann. Auch sollte die for-Schleife dort eingesetzt werden, wo sich alle drei Ausdrücke im Schleifenkopf auf dieselbe Variable beziehen. Vermieden werden sollten unzusammenhängende Ausdrücke im Schleifenkopf. Der Zugriff auf die Schleifenvariable im Rumpf ist eine schlechte Idee, wenn sie auch gleichzeitig im Kopf modifiziert wird – das ist schwer zu durchschauen.

Wie Bereichsangaben schreiben?

Für Bereichsangaben der Form a >= 23 && a <= 42 empfiehlt es sich, den unteren Wert mit in den Vergleich einzubeziehen, den Wert für die obere Grenze jedoch nicht (inklusive untere Grenzen und exklusive obere Grenzen). Für unser Beispiel, in dem a im Intervall bleiben soll, ist Folgendes besser: a >= 23 && a < 43. Die Begründung dafür ist einleuchtend:

• Die Größe des Intervalls ist die Differenz aus den Grenzen.

• Ist das Intervall leer, so sind die Intervallgrenzen gleich.

• Die untere Grenze ist nie größer als die obere Grenze.

Die Vorschläge können für normale Schleifen mit Vergleichen übernommen werden. So ist eine Schleife mit zehn Durchgängen besser in der Form

for ( i = 0; i < 10; i++ )

formuliert als in der semantisch äquivalenten Form

for ( i = 0; i <= 9; i++ )

Eine Endlosschleife mit for

Da alle drei Ausdrücke im Kopf der Schleife optional sind, können sie weggelassen werden, und es ergibt sich eine Endlosschleife. Diese Schreibweise ist somit semantisch äquivalent mit while(true):

for ( ; ; ) 
  ;

Die trennenden Semikolons dürfen nicht verschwinden. Falls demnach keine Schleifenbedingung angegeben ist, ist der Ausdruck immer wahr. Es folgt keine Initialisierung und keine Auswertung des Fortschaltausdrucks.

Geschachtelte Schleifen

Schleifen, und das gilt insbesondere für for-Schleifen, können geschachtelt werden. Syntaktisch ist das auch logisch, da sich innerhalb des Schleifenrumpfs beliebige Anweisungen aufhalten dürfen. Um fünf Zeilen von Sternchen auszugeben, wobei in jeder Zeile immer ein Stern mehr erscheinen soll, schreiben wir:

for ( int i = 1; i <= 5; i++ ) 
{ 
  for ( int j = 1; j <= i; j++ ) 
    System.out.print( "*" ); 
  System.out.println(); 
}

Als besonderes Element ist die Abhängigkeit des Schleifenzählers j von i zu werten. Es folgt die Ausgabe:

* 
** 
*** 
**** 
*****

Die übergeordnete Schleife nennt sich äußere Schleife, die untergeordnete innere Schleife. In unserem Beispiel wird die äußere Schleife die Zeilen zählen und die innere die Sternchen in eine Zeile ausgeben, also für die Spalte verantwortlich sein.

Da Schleifen beliebig tief geschachtelt werden können, muss besonderes Augenmerk auf die Laufzeit gelegt werden. Die inneren Schleifen werden immer so oft ausgeführt, wie die äußere Schleife durchlaufen wird.

for-Schleifen und ihr Komma-Operator

Im ersten und letzten Teil einer for-Schleife lässt sich ein Komma einsetzen. Damit lassen sich entweder mehrere Variablen gleichen Typs deklarieren – wie wir es schon kennen – oder mehrere Ausdrücke nebeneinander schreiben. [Wenn Java eine ausdrucksorientierte Sprache wäre, könnten wir hier beliebige Programme hineinlegen. ] Mit den Variablen i und j können wir so eine kleine Multiplikationstabelle aufbauen:

for ( int i = 1, j = 9; i <= j; i++, j-- ) 
  System.out.printf( "%d * %d = %d%n", i, j, i*j );

Dann ist die Ausgabe:

1 * 9 = 9 
2 * 8 = 16 
3 * 7 = 21 
4 * 6 = 24 
5 * 5 = 25

Ein weiteres Beispiel mit komplexerer Bedingung wäre das folgende, das vor dem Schleifendurchlauf den Startwert für die Variablen x und y initialisiert, dann x und y heraufsetzt und die Schleife so lange ausführt, bis x und y beide 10 sind.

int x, y; 
for ( x = initX(), y = initY(), x++, y++; 
      x == 10 && y == 10; 
      x += xinc(), y += yinc() ) 
{ 
  // ... 
}

2.6.5 Ausbruch planen mit break und Wiedereinstieg mit continue

Wird innerhalb einer for-, while- oder do-while-Schleife eine break-Anweisung eingesetzt, so wird der Schleifendurchlauf beendet und die Abarbeitung bei der ersten Anweisung nach der Schleife fortgeführt.

int i = 10; 
 
while ( true ) 
  if ( i-- == 0 ) 
    break;

Die Anweisung ist nützlich, um im Programmblock festzustellen, ob die Schleife noch einmal durchlaufen werden soll. Sie entlastet den Schleifenkopf, der sonst die Bedingung testen würde. Da ein kleines break jedoch im Programmtext verschwinden könnte, die Bedeutung aber groß ist, sollte ein kleiner Hinweis auf diese Anweisung gesetzt werden.

break lässt sich gut benutzen, um aus einer Schleife vorzeitig auszubrechen, ohne Flags zu benutzen. Dazu ein Beispiel, was vermieden werden sollte:

boolean endFlag = false; 
do 
{ 
  if ( Bedingung ) 
  { 
    // Code ohne Ende 
    endFlag = true; 
  } 
} while ( weitereBedingung && !endFlag );

Stattdessen schreiben wir:

do 
{ 
  if ( Bedingung ) 
  { 
    // Code wieder ohne Ende 
    break; 
  } 
} while ( weitereBedingung );

Die alternative Lösung stellt natürlich einen Unterschied dar, wenn nach dem if noch Anweisungen in der Schleife stehen.

Innerhalb einer for-, while- oder do-while-Schleife lässt sich eine continue-Anweisung einsetzen, die nicht wie break die Schleife beendet, sondern zum Schleifenkopf zurückgeht. Nach dem Auswerten den Fortschaltausdrucks wird im nächsten Schritt erneut geprüft, ob die Schleife weiter durchlaufen werden soll. Ein häufiges Einsatzfeld sind Schleifen, die im Rumpf immer wieder Werte so lange holen und testen, bis sie für die Weiterverarbeitung geeignet sind.

for ( int i = 0; i <= 10; i++ ) 
{ 
  if ( i % 2 == 1 ) 
    continue; 
 
  System.out.println( i + " ist eine gerade Zahl" ); 
}

Manche Programmstücke sind aber ohne continue lesbarer. Ein continue am Ende einer if-Abfrage kann durch einen else-Teil bedeutend klarer gefasst werden. Zunächst das schlechte Beispiel:

while ( Bedingung )       // Durch continue verzuckert 
{ 
  if ( NochNeBedingung ) 
  { 
    // Code,Code,Code 
    continue; 
  } 
  // Weiterer schöner Code 
}

Viel deutlicher ist:

while ( Bedingung ) 
{ 
  if ( NochNeBedingung ) 
  { 
    // Code, Code, Code 
  } 
  else 
  { 
    // Weiterer schöner Code 
  } 
}

2.6.6 break und continue mit Sprungmarken

Obwohl das Schlüsselwort goto in der Liste der reservierten Wörter auftaucht, ist diese Operation nicht erlaubt. Programmieren mit goto sollte vermieden werden. Mit dem Konzept von break lässt sich gut leben, und es kann auch noch ruhigen Gewissens eingesetzt werden. Doch zum Schrecken vieler kann break noch schmutziger eingesetzt werden, nämlich mit einer Sprungmarke. Das bringt Java verdächtig nahe in die goto-Welt der unstrukturierten Programmiersprachen, was die Entwickler eigentlich vermeiden wollten. Da jedoch Abbruchbedingungen – der häufigste Einsatzort eines goto – vereinzelt auftreten, wurden in Java break und continue mit Sprungmarken eingeführt.

Betrachten wir ein erstes Beispiel, in dem wir mit break bewusst nicht nur aus der inneren Schleife ausbrechen, sondern aus der zweiten gleich mit.

Listing 2.15 BreakAndContinueWithLabels.java, main()

one: 
while ( true ) 
{ 
  two: 
  while ( true ) 
  { 
    break /* continue */ one; 
  } 
  // System.out.println( "two" ); 
} 
System.out.println( "one" );

Ein einfaches break in der zweiten while-Schleife beendet die innere Schleife, und ein continue würde zur Fortführung führen. Unser Beispiel zeigt jedoch Sprungmarken hinter den Schlüsselwörtern break und continue.

In unserem ersten Beispiel ist die Sprungmarke two nicht benutzt und Eclipse markiert diese Tatsache. Zweitens ist die Zeile mit der Ausgabe »two« bewusst ausgeklammert, denn sie ist nicht erreichbar und würde andernfalls zu einem Compilerfehler führen. Dass die Anweisung nicht erreichbar ist, ist klar, denn mit einem break one kommt die Laufzeitumgebung nie hinter die innere Schleife und somit ist die folgende Ausgabe nicht erreichbar. Setzten wir jedoch statt break one ein break two in die innere Schleife, ändert sich dies:

one: 
while ( true ) 
{ 
  two: 
  while ( true ) 
  { 
    break /* continue */ two; 
  } 
  System.out.println( "two" ); 
} 
// System.out.println( "one" );

In diesem Szenario ist die Ausgabe »one« nicht erreichbar und muss auskommentiert werden. Das break two in der innere Schleife wirkt wie ein einfaches break ohne Sprungmarke, und das ablaufende Programm führt laufend zu Bildschirmausgaben »two«.

class WithoutComplain 
{ 
  static void main( String[] args ) 
  { 
    http://www.tutego.com/ 
    System.out.print( "Da gibt's Java-Tipps und Tricks." ); 
  } 
}

Ihr Kommentar