Kontrollstrukturen -- Schleifen und Wiederholungen

Transkript

1 Kontrollstrukturen -- Schleifen und Wiederholungen Informatik für Elektrotechnik und Informationstechnik Benedict Reuschling Hochschule Darmstadt Fachbereich Informatik WS 2013/14 Zuletzt aktualisiert: , 14:07 Uhr

2 Motivation In diesem Teil des Kapitels Kontrollstrukturen befassen wir uns damit, Code unter bestimmten Voraussetzungen erneut auszuführen. Oft müssen Aktionen erneut ausgeführt werden. Zwar lassen sich diese wiederholt im Code verwenden, jedoch ist manchmal nicht klar, wie oft dies passieren soll. Zum Beispiel muss abhängig von einer ungültigen Eingabe diese wiederholt dem Benutzer gezeigt werden. Je nachdem, was eingegeben wurde, muss dann geprüft werden, ob die Eingabe korrekt ist oder nicht. Falls nicht, muss die Eingabe so lange erneut getätigt werden, bis die Eingabe dem entspricht, was das Programm erwartet. Ein weiteres Beispiel für Wiederholungen ist die Berechnung von Variablenwerten (z.b. Summen). Wiederholungen können also eine Menge Code einsparen. Jedoch muss bei der Programmierung darauf geachtet werden, dass dabei keine endlosen Wiederholungen entstehen. 2 / 20

3 Begriffe zu Schleifen Wiederholungskonstrukte werden in Programmiersprachen auch Schleifen (engl. loop) genannt. Bei der Verwendung von Schleifen sind die folgenden Begriffe gebräuchlich: Körper/Rumpf Der Teil der Schleife, der beim Eintreffen der Bedingung wiederholt werden soll Kopf/Fuss Gibt die Position innerhalb der Schleife an, in der die Bedingung geprüft wird. Bei kopfgesteuerten Schleifen werden die Bedingungen zuerst geprüft und dann die Anweisungen im Rumpf ausgeführt. Bei fussgesteuerten Schleifen ist dies umgekehrt. Iteration Bezeichnet die Wiederholung eines Prozesses oder Ablaufs. Wird der Code einer Schleife erneut ausgeführt, spricht man von einer erneuten Iteration. Endlosschleife eine spezielle Art von Schleife, die nie terminiert und dadurch unendlich lange läuft. Dies kann beabsichtigt sein oder ein Hinweis auf einen Programmierfehler sein. 3 / 20

4 while-schleife Überblick 1 while-schleife 2 do while-schleife 3 for-schleife 4 Besondere Schleifenanweisungen 4 / 20

5 while-schleife Syntax der while-schleife Die erste Schleife die wir kennenlernen werden ist die while-schleife. Sie führt eine bestimmte Aktion so oft aus, wie eine Bedingung mit true bewertet wird und zählt als kopfgesteuerte Schleife. while (Bedingung(en)) { Anweisung(en); } Wird die Bedingung im Kopf der Schleife einmal false, dann wird auch der Schleifenrumpf nicht mehr ausgeführt. Es kann also sein, dass die Schleife überhaupt nicht ausgeführt wird (genauer, deren Code), wenn schon zu Beginn der Schleife die Bedingung mit false evaluiert wird. Läuft die Schleife, muss im Schleifenkörper dafür gesorgt werden, dass die Bedingung auch geändert wird, sonst kann die Schleife nicht terminieren. 5 / 20

6 while-schleife Beispiel zur while-schleife Das folgende Beispiel gibt eine Multiplikationstabelle von 1 bis 10 aus. 1 # include <iostream > 2 using namespace std; 3 4 int main () { 5 int zahl = 1; 6 while ( zahl <= 10) { 7 cout << zahl << "*" << zahl << " = " << zahl * zahl << endl ; 8 zahl ++; 9 } 10 return 0; 11 } Dazu wird eine Variable zahl schrittweise um eins erhöht, bis die Bedingung in Zeile 6 nicht mehr erfüllt ist. Bei jeder Iteration der Schleife erfolgt eine Ausgabe mit dem aktuellen Wert der Variablen zahl. 6 / 20

7 while-schleife Struktogramm der while-schleife Eine while-schleife lässt sich im Struktogramm so darstellen: Beispiel An diesem Diagramm lässt sich erkennen, dass es sich um eine kopfgesteuerte Schleife handelt. 7 / 20

8 do while-schleife Überblick 1 while-schleife 2 do while-schleife 3 for-schleife 4 Besondere Schleifenanweisungen 8 / 20

9 do while-schleife Die do while-schleife Eine Schleife mit etwas anderem Verhalten ist die do while-schleife. Diese fussgesteuerte Schleife führt zuerst den im Schleifenkörper vorhandenen Code aus und prüft dann erst die Bedingung. Aus diesem Grund läuft der Code in dieser Schleife mindestens einmal, bevor dann darüber entschieden wird, ob die nächste Iteration begonnen werden soll oder nicht. Die allgemeine Form lautet wie folgt: do { Anweisung(en); } while (Bedingung); Diese Schleife eignet sich besonders gut, um Eingaben abzuprüfen und ggfs. erneut einlesen zu lassen. Die Eingabe muss auf jeden Fall erfolgen, deshalb ist diese Schleife besser für diesen Anwendungsfall geeignet als die while-schleife. 9 / 20

10 do while-schleife Beispiel zur do wile-schleife 1 # include <iostream > 2 using namespace std; 3 4 int main () { 5 int zahl ; 6 do { 7 cout << " Geben Sie eine Zahl zwischen 0 und 10 ein : "; 8 cin >> zahl ; 9 } while (( zahl < 0) ( zahl > 10)); 10 cout << " Eingebene Zahl : " << zahl << endl ; 11 return 0; 12 } 10 / 20

11 do while-schleife Struktogramm der do while-schleife Eine do while-schleife wird als Struktogramm so dargestellt: Beispiel Der fussgesteuerte Charakter dieser Schleife ist bei dem Diagramm berücksichtigt. 11 / 20

12 for-schleife Überblick 1 while-schleife 2 do while-schleife 3 for-schleife 4 Besondere Schleifenanweisungen 12 / 20

13 for-schleife Die for-schleife Oft werden in Programmen Schleifen benötigt, die von einem Startwert bis zu einem Zielwert laufen und dann beendet werden. Ein häufiges Beispiel sind Zähler, welche ihren Wert jeweils um eins erhöhen oder verringern. Zu diesem Zweck bietet sich die kopfgesteuerte for-schleife an. Die Syntax lautet folgendermassen: for (Initialisierung;Abbruchbedingung;Ausdruck zur Schrittweise) { Anweisung(en); } 13 / 20

14 for-schleife Beispiel zur for-schleife Anhand dieses einfachen Zählers lässt sich die Funktionsweise der for-schleife darstellen. 1 # include <iostream > 2 using namespace std; 3 4 int main () { 5 for ( int i=1;i <=10; i++) { 6 cout << i << ". Durchlauf der Schleife \n"; 7 } 8 return 0; 9 } Zu Beginn der Schleife wird die Variable i mit dem Wert 1 initialisiert. Danach wird geprüft, ob die Schleifenbedingung i<=10 den booleschen Wert true ergibt. Falls dies der Fall ist, wird der Schleifenkörper ausgeführt. Danach wird der Schleifenzähler i um eins erhöht (i++) und erneut die Abbruchbedingung geprüft. 14 / 20

15 for-schleife Abwandlungen der for-schleife Alle Angaben im Kopf der for-schleife sind optional, d.h. können bei Bedarf auch weggelassen werden, bis auf die beiden Semikolons (;). So lässt sich eine Endlosschleife wie folgt konstruieren: 1 for (;;) { 2 // Code in der Endlosschleife 3 } 15 / 20

16 for-schleife Abwandlungen der for-schleife Alle Angaben im Kopf der for-schleife sind optional, d.h. können bei Bedarf auch weggelassen werden, bis auf die beiden Semikolons (;). So lässt sich eine Endlosschleife wie folgt konstruieren: 1 for (;;) { 2 // Code in der Endlosschleife 3 } Es kann vorkommen, dass z.b. die Initialisierung der Laufvariable bereits vor Beginn der for-schleife geschehen ist, deshalb wird diese oft nicht noch einmal angegeben. 1 int zaehler = 0; 2 for (; zaehler <10; zaehler ++) {} 15 / 20

17 for-schleife Abwandlungen der for-schleife Alle Angaben im Kopf der for-schleife sind optional, d.h. können bei Bedarf auch weggelassen werden, bis auf die beiden Semikolons (;). So lässt sich eine Endlosschleife wie folgt konstruieren: 1 for (;;) { 2 // Code in der Endlosschleife 3 } Es kann vorkommen, dass z.b. die Initialisierung der Laufvariable bereits vor Beginn der for-schleife geschehen ist, deshalb wird diese oft nicht noch einmal angegeben. 1 int zaehler = 0; 2 for (; zaehler <10; zaehler ++) {} Es lassen sich genauso gut auch mehrere Variablen initialisieren. Dazu werden diese mit Komma getrennt aufgeführt: 1 for ( int x=0, y = 1;x<y;x++) {} Das gleiche gilt für die Abschnitte zur Abbruchbedingung bzw. den Ausdruck zur Schrittweise, in denen auch mehrere Anweisungen durch Komma getrennt möglich sind. 15 / 20

18 for-schleife Struktogramm für die for-schleife Die for-schleife besitzt folgende Darstellung im Struktogramm: Beispiel 16 / 20

19 for-schleife Ähnlichkeit von while und for Schleife Da sowohl die for als auch die while-schleife kopfgesteuert sind, kann an jeder Stelle im Code, in der die while-schleife benutzt wird, auch die for-schleife benutzt werden und umgekehrt. 1 for ( int i = 100; i >0;i --) { 2 cout << "i: " << i << endl ; 3 } 1 int i = 100; 2 while (i >0) { 3 cout << "i: " << i << endl ; 4 i --; 5 } 17 / 20

20 Besondere Schleifenanweisungen Überblick 1 while-schleife 2 do while-schleife 3 for-schleife 4 Besondere Schleifenanweisungen 18 / 20

21 Besondere Schleifenanweisungen Hier macht es nach der Eingabe einer negativen Zahl keinen Sinn mehr, mit der Schleife nach Zeile 9 noch weiter fortzufahren. Mit break wird in die nächsthöhere Blockebene (bei verschachtelten Schleifen) gesprungen. 19 / 20 Vorzeitiger Abbruch der Schleife mit break Jede Schleife kann mit break vorzeitig abgebrochen werden. Dies kann manchmal hilfreich sein, wenn die weitere Ausführung der noch verbleibenden Anweisungen in der Schleife keinen Sinn mehr macht. 1 # include <iostream > 2 using namespace std; 3 4 int main () { 5 while ( anzahl!= 3) { 6 cout << " Bitte eine positive Zahl eingeben : "; 7 cin >> zahl ; 8 if ( zahl < 0) 9 break ; 10 summe = summe + zahl ; 11 cout << " Aktuelle Summe : " << summe << endl ; 12 anzahl ++; 13 } 14 cout << " Endsumme : " << summe << endl ; 15 return 0; 16 }

22 Besondere Schleifenanweisungen Nächste Schleifeniteration mit continue beginnen Durch die Anweisung continue wird die nächste Schleifeniteration begonnen und die dazugehörige Bedingung erneut ausgewertet. Als Beispiel wird hier die for-schleife verwendet, um nur die ungeraden Zahlen einer Folge auszugeben. 1 int main () { 2 for ( int i=1;i <=20; i++) { 3 if (i%2 == 0) 4 continue ; 5 cout << "i: " << i << endl ; 6 } 7 return 0; 8 } 20 / 20