Виды циклов в программировании: Циклы C# | For, While, Foreach и операции break, continue

Содержание

Цикл (программирование) — Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Цикл. Пример цикла While.

Цикл — разновидность управляющей конструкции в высокоуровневых языках программирования, предназначенная для организации многократного исполнения набора инструкций. Также циклом может называться любая многократно исполняемая последовательность инструкций, организованная любым способом (например, с помощью условного перехода).

Определения

Последовательность инструкций, предназначенная для многократного исполнения, называется телом цикла. Единичное выполнение тела цикла называется итерацией. Выражение, определяющее, будет в очередной раз выполняться итерация или цикл завершится, называется условием выхода или условием окончания цикла (либо условием продолжения в зависимости от того, как интерпретируется его истинность — как признак необходимости завершения или продолжения цикла). Переменная, хранящая текущий номер итерации, называется счётчиком итераций цикла или просто счётчиком цикла. Цикл не обязательно содержит счётчик, счётчик не обязан быть один — условие выхода из цикла может зависеть от нескольких изменяемых в цикле переменных, а может определяться внешними условиями (например, наступлением определённого времени), в последнем случае счётчик может вообще не понадобиться.

Исполнение любого цикла включает первоначальную инициализацию переменных цикла, проверку условия выхода, исполнение тела цикла и обновление переменной цикла на каждой итерации. Кроме того, большинство языков программирования предоставляет средства для досрочного управления циклом, например, операторы завершения цикла, то есть выхода из цикла независимо от истинности условия выхода (в языке Си — break) и операторы пропуска итерации (в языке Си — continue).

Виды циклов

Безусловные циклы

Иногда в программах используются циклы, выход из которых не предусмотрен логикой программы. Такие циклы называются безусловными, или бесконечными. Специальных синтаксических средств для создания бесконечных циклов, ввиду их нетипичности, языки программирования не предусматривают, поэтому такие циклы создаются с помощью конструкций, предназначенных для создания обычных (или

условных) циклов. Для обеспечения бесконечного повторения проверка условия в таком цикле либо отсутствует (если позволяет синтаксис, как, например, в цикле LOOP ... END LOOP языка Ада), либо заменяется константным значением (while true do ... в Паскале). В языке С используется цикл for(;;) с незаполненными секциями или цикл while (1).

Цикл с предусловием

Цикл с предусловием — цикл, который выполняется, пока истинно некоторое условие, указанное перед его началом. Это условие проверяется до выполнения тела цикла, поэтому тело может быть не выполнено ни разу (если условие с самого начала ложно). В большинстве процедурных языков программирования реализуется оператором

while, отсюда его второе название — while-цикл. На языке Pascal цикл с предусловием имеет следующий вид:

while <условие> do
begin   
  <тело цикла> 
end;

На языке Си:

while (<условие>) {
   <тело цикла>
}

Цикл с постусловием

Цикл с постусловием — цикл, в котором условие проверяется после выполнения тела цикла. Отсюда следует, что тело всегда выполняется хотя бы один раз. В языке Паскаль этот цикл реализует оператор repeat..until; в Си — do…while.

На языке Pascal цикл с постусловием имеет следующий вид::

repeat
    <тело цикла>
until <условие выхода>

На языке Си:

do {
    <тело цикла>
} while (<условие продолжения цикла>)

В трактовке условия цикла с постусловием в разных языках есть различия. В Паскале и языках, произошедших от него, условие такого цикла трактуется как

условие выхода (цикл завершается, когда условие истинно, в русской терминологии такие циклы называют ещё «цикл до»), а в Си и его потомках — как условие продолжения (цикл завершается, когда условие ложно, такие циклы иногда называют «цикл пока»).

Цикл с выходом из середины

Цикл с выходом из середины — наиболее общая форма условного цикла. Синтаксически такой цикл оформляется с помощью трёх конструкций: начала цикла, конца цикла и команды выхода из цикла. Конструкция начала маркирует точку программы, в которой начинается тело цикла, конструкция конца — точку, где тело заканчивается. Внутри тела должна присутствовать команда выхода из цикла, при выполнении которой цикл заканчивается и управление передаётся на оператор, следующий за конструкцией конца цикла. Естественно, чтобы цикл выполнился более одного раза, команда выхода должна вызываться не безусловно, а только при выполнении условия выхода из цикла.

Принципиальным отличием такого вида цикла от рассмотренных выше является то, что часть тела цикла, расположенная после начала цикла и до команды выхода, выполняется всегда (даже если условие выхода из цикла истинно при первой итерации), а часть тела цикла, находящаяся после команды выхода, не выполняется при последней итерации.

Легко видеть, что с помощью цикла с выходом из середины можно легко смоделировать и цикл с предусловием (разместив команду выхода в начале тела цикла), и цикл с постусловием (разместив команду выхода в конце тела цикла).

Часть языков программирования содержат специальные конструкции для организации цикла с выходом из середины. Так, в языке Ада для этого используется конструкция LOOP ... END LOOP

и команда выхода EXIT или EXIT WHEN:

LOOP
  ... Часть тела цикла
  EXIT WHEN <условие выхода>;
  ... Часть тела цикла
  IF <условие выхода> THEN 
    EXIT; 
  END;
  ... Часть тела цикла
END LOOP:

Здесь внутри цикла может быть любое количество команд выхода обоих типов. Сами команды выхода принципиально не различаются, обычно EXIT WHEN применяют, когда проверяется только условие выхода, а просто EXIT — когда выход из цикла производится в одном из вариантов сложного условного оператора.

В тех языках, где подобных конструкций не предусмотрено, цикл с выходом из середины может быть смоделирован с помощью любого условного цикла и оператора досрочного выхода из цикла (такого, как break в Си, exit в Турбо Паскале и т. п.), либо оператора безусловного перехода goto.

Цикл со счётчиком (или цикл для)

Цикл со счётчиком — цикл, в котором некоторая переменная изменяет своё значение от заданного начального значения до конечного значения с некоторым шагом, и для каждого значения этой переменной тело цикла выполняется один раз. В большинстве процедурных языков программирования реализуется оператором for, в котором указывается счётчик (так называемая «переменная цикла»), требуемое количество проходов (или граничное значение счётчика) и, возможно, шаг, с которым изменяется счётчик. Например, в языке Оберон-2 такой цикл имеет вид:

 FOR v := b TO e BY s DO
   ... тело цикла
 END 

здесь v — счётчик, b — начальное значение счётчика, e — граничное значение счётчика, s — шаг).

Неоднозначен вопрос о значении переменной по завершении цикла, в котором эта переменная использовалась как счётчик. Например, если в программе на языке Паскаль встретится конструкция вида:

i := 100;
for i := 0 to 9 do
begin
  ... тело цикла
end;
k := i;

возникает вопрос: какое значение будет в итоге присвоено переменной k: 9, 10, 100, может быть, какое-то другое? А если цикл завершится досрочно? Ответы зависят от того, увеличивается ли значение счётчика после последней итерации и не изменяет ли транслятор это значение дополнительно. Ещё один вопрос: что будет, если внутри цикла счётчику будет явно присвоено новое значение? Различные языки программирования решают данные вопросы по-разному. В некоторых поведение счётчика чётко регламентировано. В других, например, в том же Паскале, стандарт языка не определяет ни конечного значения счётчика, ни последствий его явного изменения в цикле, но не рекомендует изменять счётчик явно и использовать его по завершении цикла без повторной инициализации. Программа на Паскале, игнорирующая эту рекомендацию, может давать разные результаты при выполнении на разных системах и использовании разных трансляторов.

Радикально решён вопрос в языке Ада: счётчик считается описанным в заголовке цикла, и вне его просто не существует. Даже если имя счётчика в программе уже используется, внутри цикла в качестве счётчика используется отдельная переменная. Счётчику запрещено явно присваивать какие бы то ни было значения, он может меняться только внутренним механизмом оператора цикла. В результате конструкция

i := 100;
for i in (0..9) loop
  ... тело цикла
end loop;
k := i;

внешне аналогичная вышеприведённому циклу на Паскале, трактуется однозначно: переменной k будет присвоено значение 100, поскольку переменная i, используемая вне данного цикла, не имеет никакого отношения к счётчику i, который создаётся и изменяется

внутри цикла. Подобное обособление счётчика удобно и безопасно: не требуется отдельное описание для него и минимальна вероятность случайных ошибок, связанных со случайным разрушением внешних по отношению к циклу переменных. Если программисту требуется включить в готовый код цикл со счётчиком, то он может не проверять, существует ли переменная с именем, которое он выбрал в качестве счётчика, не добавлять описание нового счётчика в заголовок соответствующей процедуры, не пытаться использовать один из имеющихся, но в данный момент «свободных» счётчиков. Он просто пишет цикл с переменной-счётчиком, имя которой ему удобно, и может быть уверен, что никакой коллизии имён не произойдёт.

Цикл со счётчиком всегда можно записать как условный цикл, перед началом которого счётчику присваивается начальное значение, а условием выхода является достижение счётчиком конечного значения; к телу цикла при этом добавляется оператор изменения счётчика на заданный шаг. Однако специальные операторы цикла со счётчиком могут эффективнее транслироваться, так как формализованный вид такого цикла позволяет использовать специальные процессорные команды организации циклов.

Никлаус Вирт одно время называл цикл со счётчиком «маргинальным», утверждая, что такая конструкция является излишней и должна быть исключена из синтаксиса языков программирования как несистемная. В соответствии с этим представлением в языке программирования Оберон цикла со счётчиком не было. Однако в языке Оберон-2, созданном Виртом и Мёссенбёком в развитие Оберона, цикл со счётчиком FOR появился снова в интересах практического удобства использования[1].

В некоторых языках, например, Си и других, произошедших от него, цикл for, несмотря на синтаксическую форму цикла со счётчиком, в действительности является циклом с предусловием. То есть в Си конструкция цикла:

for (i = 0; i < 10; ++i)
{
  ... тело цикла 
}

фактически представляет собой другую форму записи конструкции[2]:

i = 0;
while (i < 10)
{
  ... тело цикла 
  ++i;
}

То есть в конструкции for сначала пишется произвольное предложение инициализации цикла, затем — условие продолжения и, наконец, выполняемая после каждого тела цикла некоторая операция (это не обязательно должно быть изменение счётчика; это может быть правка указателя или какая-нибудь совершенно посторонняя операция). Для языков такого вида вышеописанная проблема решается очень просто: переменная-счётчик ведёт себя совершенно предсказуемо и по завершении цикла сохраняет своё последнее значение.

Совместный цикл

Ещё одним вариантом цикла является цикл, задающий выполнение некоторой операции для объектов из заданного множества, без явного указания порядка перечисления этих объектов. Такие циклы называются

совместными (а также циклами по коллекции, циклами просмотра) и представляют собой формальную запись инструкции вида: «Выполнить операцию X для всех элементов, входящих во множество M». Совместный цикл, теоретически, никак не определяет, в каком порядке операция будет применяться к элементам множества, хотя конкретные языки программирования, разумеется, могут задавать конкретный порядок перебора элементов. Произвольность даёт возможность оптимизации исполнения цикла за счёт организации доступа не в заданном программистом, а в наиболее выгодном порядке. При наличии возможности параллельного выполнения нескольких операций возможно даже распараллеливание выполнения совместного цикла, когда одна и та же операция одновременно выполняется на разных вычислительных модулях для разных объектов, при том, что логически программа остаётся последовательной.

Совместные циклы имеются в некоторых языках программирования (C#, Eiffel, Java, JavaScript, Perl, Python, PHP, LISP, Tcl и др.) — они позволяют выполнять цикл по всем элементам заданной коллекции объектов. В определении такого цикла требуется указать только коллекцию объектов и переменную, которой в теле цикла будет присвоено значение обрабатываемого в данный момент объекта (или ссылка на него). В различных языках программирования синтаксис оператора различен:

C++:

for (type &item : set) //поддерживается, начиная со стандарта C++11
{
    //использование item
}

C#:

foreach (type item in set) 
{
    //использование item
}

Delphi:

for item in [1..100] do
begin
  //Использование item (Работоспособность кода проверялась в Delphi 2010) 
end;

Perl (строгий порядок «от первого до последнего»):

foreach (@set) 
{
    #использование $_
}
# или
for (@set) 
{
    #использование $_
}
# или
foreach $item (@set) 
{
    #использование $item
}

Eiffel:

across set as cursor loop
    -- использование cursor.item
end

Java:

for (type item : set) 
{
    //использование item
}

JavaScript:

for (txtProperty in objObject)
  {
  /*
  использование:
  objObject [txtProperty]
  */
  }

PHP:

foreach ($arr as $item) {
    /* использование $item*/
}
//или
foreach ($arr as $key=>$value) {
    /* использование значений индекса $key и его значения $value*/
}

Visual Basic.NET:

For Each item As type In set
    'использование item
Next item

Windows PowerShell:

foreach ($item in $set) {
  # операции с $item
} 

или

$set | ForEach-Object {
  # операции с $_
}

Python

for item in iterator_instance:
    # использование item

Досрочный выход и пропуск итерации

Многие языки программирования, имеющие в своём синтаксисе циклические конструкции, имеют также специфические команды, позволяющие нарушить порядок работы этих конструкций: команду досрочного выхода из цикла и команду пропуска итерации.

Досрочный выход из цикла

Команда досрочного выхода применяется, когда необходимо прервать выполнение цикла, в котором условие выхода ещё не достигнуто. Такое бывает, например, когда при выполнении тела цикла обнаруживается ошибка, после которой дальнейшая работа цикла не имеет смысла.

Команда досрочного выхода обычно называется EXIT или break, а её действие аналогично действию команды безусловного перехода (goto) на команду, непосредственно следующую за циклом, внутри которого эта команда находится. Так, в языке Си два нижеприведённых цикла работают совершенно одинаково:

// Применение оператора break
while(<условие>) {
  ... операторы
  if (<ошибка>) break;
  ... операторы
}
... продолжение программы

// Аналогичный фрагмент без break
while(<условие>) {
  ... операторы
  if (<ошибка>) goto break_label;
  ... операторы 
}
break_label:
... продолжение программы

В обоих случаях, если в теле цикла выполнится условие <ошибка>, будет произведён переход на операторы, обозначенные как «продолжение программы». Таким образом, оператор досрочного выхода из цикла, по сути, просто маскирует безусловный переход, однако использование break предпочтительнее, чем goto, поскольку поведение break чётко задано языком, потенциально менее опасно (нет, например, вероятности ошибиться с положением или названием метки). Кроме того, явный досрочный выход из цикла не нарушает принципов структурного программирования.

Обычный оператор досрочного выхода прерывает работу того цикла, в котором он непосредственно находится. В ряде языков программирования функциональность этого оператора расширена, он позволяет выходить из нескольких вложенных циклов (см. ниже). В таких случаях цикл, из которого требуется выйти, помечается меткой, а в операторе досрочного выхода указывается эта метка.

Пропуск итерации

Данный оператор применяется, когда в текущей итерации цикла необходимо пропустить все команды до конца тела цикла. При этом сам цикл прерываться не должен, условия продолжения или выхода должны вычисляться обычным образом.

В языке Си и его языках-потомках в качестве команды пропуска итерации используется оператор continue в конструкции цикла. Действие этого оператора аналогично безусловному переходу на строку внутри тела цикла, следующую за последней его командой. Например, код на Си, находящий сумму элементов массива и сумму всех положительных элементов массива, может иметь следующий вид:

int arr[ARRSIZE];
...
// Суммирование отдельно всех и только положительных
// элементов массива arr с применением continue.
int sum_all = 0;
int sum_pos = 0;
for (int i = 0 ; i < ARRSIZE; ++i)
{
    sum_all += arr[i];
    if (arr[i] <= 0) continue;
    sum_pos += arr[i];
}

// Аналогичный код c goto
int sum_all = 0;
int sum_pos = 0;
for (int i = 0 ; i < ARRSIZE; ++i)
{
    sum_all += arr[i];
    if (arr[i] <= 0) goto cont_label;
    sum_pos += arr[i];
cont_label:
}

Из второго фрагмента ясно видно, как работает continue: он просто передаёт управление за последнюю команду тела цикла, пропуская выполнение команды суммирования, если очередной элемент массива не удовлетворяет условию. Таким образом, в sum_pos накапливается сумма лишь положительных элементов массива.

Необходимость

С точки зрения структурного программирования команды досрочного выхода из цикла и продолжения итерации являются избыточными, поскольку их действие может быть легко смоделировано чисто структурными средствами. Более того, по мнению ряда теоретиков программирования (в частности, Эдсгера Дейкстры), сам факт использования в программе неструктурных средств, будь то классический безусловный переход или любая из его специализированных форм, таких как break или continue, является свидетельством недостаточно проработанного алгоритма решения задачи.

Однако на практике код программы часто является записью уже имеющегося, ранее сформулированного алгоритма, перерабатывать который нецелесообразно по чисто техническим причинам. Попытка заменить в таком коде команду досрочного выхода на структурные конструкции часто оказывается неэффективной или громоздкой. Например, вышеприведённый фрагмент кода с командой break может быть записан так:

// Досрочный выход из цикла без break
bool flag = false; // флаг досрочного завершения
while(<условие> && !flag) {
  ... операторы
  if (<ошибка>) {
    flag = true;
  } else {
    ... операторы
  }
}
... продолжение программы

Легко убедиться, что фрагмент будет работать аналогично предшествующим, разница лишь в том, что в месте проверки на ошибку вместо непосредственного выхода из цикла устанавливается флаг досрочного выхода, который проверяется позже в штатном условии продолжения цикла. Однако для отказа от команды досрочного выхода пришлось добавить в программу описание флага и вторую ветвь условного оператора, к тому же произошло «размытие» логики программы (решение о досрочном выходе принимается в одном месте, а выполняется в другом). В результате программа не стала ни проще, ни короче, ни понятнее.

Несколько иначе обстоит дело с командой пропуска итерации. Она, как правило, очень легко и естественно заменяется на условный оператор. Например, приведённый выше фрагмент суммирования массива можно записать так:

int arr[ARRSIZE];
...
// Суммирование отдельно всех и только положительных
// элементов массива arr с заменой continue
int sum_all = 0;
int sum_pos = 0;
for (int i = 0 ; i < ARRSIZE; ++i)
{
    sum_all += arr[i];
    if (arr[i] > 0) // Условие заменено на противоположное!
    {
      sum_pos += arr[i];
    }
}

Как видим, достаточно было заменить проверяемое условие на противоположное и поместить заключительную часть тела цикла в условный оператор. Можно заметить, что программа стала короче (за счёт удаления команды пропуска итерации) и одновременно логичнее (из кода непосредственно видно, что суммируются положительные элементы).

Кроме того, использование команды пропуска итерации в цикле с условием (while-цикле) может также спровоцировать неочевидную ошибку: если тело цикла, как это часто бывает, завершается командами изменения переменной (переменных) цикла, то команда пропуска итерации пропустит и эти команды тоже, в результате чего (в зависимости от условия, по которому происходит пропуск) может произойти зацикливание или не соответствующий алгоритму повтор итерации. Так, если заменить в вышеприведённом примере цикл for на while, получится следующее:

int arr[ARRSIZE];
...
int sum_all = 0;
int sum_pos = 0;
int i = 0;
while (i < ARRSIZE) // Цикл внешне аналогичен предыдущему for ...
{
    sum_all += arr[i];
    if (arr[i] <= 0) continue;
    sum_pos += arr[i];
    ++i; // ... но эта команда будет пропущена при выполнении continue 
         // и программа зациклится
}

Несмотря на свою ограниченную полезность и возможность замены на другие языковые конструкции, команды пропуска итерации и, особенно, досрочного выхода из цикла в отдельных случаях оказываются крайне полезны, именно поэтому они сохраняются в современных языках программирования.

Вложенные циклы

Существует возможность организовать цикл внутри тела другого цикла. Такой цикл будет называться вложенным циклом. Вложенный цикл по отношению к циклу, в тело которого он вложен, будет именоваться внутренним циклом, и наоборот, цикл, в теле которого существует вложенный цикл, будет именоваться внешним по отношению к вложенному. Внутри вложенного цикла, в свою очередь, может быть вложен ещё один цикл, образуя следующий уровень вложенности и так далее. Количество уровней вложенности, как правило, не ограничивается.

Полное число исполнений тела внутреннего цикла не превышает произведения числа итераций внутреннего и всех внешних циклов. Например, взяв три вложенных друг в друга цикла, каждый по 10 итераций, получим 10 исполнений тела для внешнего цикла, 100 для цикла второго уровня и 1000 в самом внутреннем цикле.

Одна из проблем, связанных с вложенными циклами — организация досрочного выхода из них. Во многих языках программирования есть оператор досрочного завершения цикла (break в Си, exit в Турбо Паскале, last в Perl и т. п.), но он, как правило, обеспечивает выход только из цикла того уровня, откуда вызван. Вызов его из вложенного цикла приведёт к завершению только этого внутреннего цикла, внешний же цикл продолжит выполняться. Проблема может показаться надуманной, но она действительно иногда возникает при программировании сложной обработки данных, когда алгоритм требует немедленного прерывания в определённых условиях, наличие которых можно проверить только в глубоко вложенном цикле.

Решений проблемы выхода из вложенных циклов несколько.

  • Простейший — использовать оператор безусловного перехода goto для выхода в точку программы, непосредственно следующую за вложенным циклом. Этот вариант критикуется сторонниками структурного программирования, как и все конструкции, требующие использования goto. Некоторые языки программирования, например, Модула-2, просто не имеют оператора безусловного перехода, и в них подобная конструкция невозможна.
  • Альтернатива — использовать штатные средства завершения циклов, в случае необходимости устанавливая специальные флаги, требующие немедленного завершения обработки. Недостаток — усложнение кода, снижение производительности.
  • Размещение вложенного цикла в процедуре. Идея состоит в том, чтобы всё действие, которое может потребоваться прервать досрочно, оформить в виде отдельной процедуры, и для досрочного завершения использовать оператор выхода из процедуры (если такой есть в языке программирования). В языке Си, например, можно построить функцию с вложенным циклом, а выход из неё организовать с помощью оператора return. Недостаток — выделение фрагмента кода в процедуру не всегда логически обосновано, и не все языки имеют штатные средства досрочного завершения процедур.
  • Воспользоваться механизмом генерации и обработки исключений (исключительных ситуаций), который имеется сейчас в большинстве языков высокого уровня. В этом случае в нештатной ситуации код во вложенном цикле возбуждает исключение, а блок обработки исключений, в который помещён весь вложенный цикл, перехватывает и обрабатывает его. Недостаток — реализация механизма обработки исключений в большинстве случаев такова, что скорость работы программы уменьшается. Правда, в современных условиях это не особенно важно: практически потеря производительности столь мала, что имеет значение лишь для очень немногих приложений.
  • Наконец, существуют специальные языковые средства для выхода из вложенных циклов. Так, в языке Ада программист может пометить цикл (верхний уровень вложенного цикла) меткой, и в команде досрочного завершения цикла указать эту метку. Выход произойдёт не из текущего цикла, а из всех вложенных циклов до помеченного, включительно[3]. Язык PHP предоставляет возможность указать число прерываемых циклов после команды break — так break 2 прервёт сам цикл и вышестоящий над ним, а break 1 эквивалентно простой записи команды break[4].

Циклы с несколькими охраняемыми ветвями

Цикл Дейкстры

В теории программирования известна ещё одна, принципиально отличающаяся от «классических», форма циклической конструкции, получившая название «цикл Дейкстры», по имени Эдсгера Дейкстры, впервые её описавшего. В классическом дейкстровском описании такой цикл выглядит следующим образом:

 do
   P1 → S1,
     …
   Pn → Sn
 od

Здесь do — маркер начала конструкции цикла, od — маркер завершения конструкции цикла, Pi — iохраняющее условие (логическое выражение, которое может иметь значение «истинно» или «ложно»), Si — iохраняемая команда. Цикл состоит из одной или нескольких ветвей (охраняемых выражений), каждая из которых представляет собой пару из охраняющего условия (или, коротко, «охраны») и охраняемой команды (понятно, что в реальности команда может быть сложной).

При выполнении цикла Дейкстры в каждой итерации происходит вычисление охраняющих условий. Если хотя бы одно из них истинно, выполняется соответствующая охраняемая команда, после чего начинается новая итерация (если истинны несколько охраняющих условий, выполняется только одна охраняемая команда). Если все охраняющие условия ложны, цикл завершается. Нетрудно заметить, что цикл Дейкстры с одним охраняющим условием и одной охраняемой командой представляет собой, по сути, обычный цикл с предусловием (цикл «пока»).

Хотя цикл Дейкстры был изобретён ещё в 1970-х годах, специальных конструкций для его создания в языках программирования не содержится. Единственным исключением стал недавно созданный Оберон-07 — первый реальный язык программирования, явно поддерживающий цикл с несколькими охраняемыми ветвями. Впрочем, цикл Дейкстры может быть без больших затруднений смоделирован с помощью традиционных конструкций структурных языков программирования. Вот пример его реализации одним из возможных способов на языке Ада:

loop
  if P1 then 
    S1;
    ...
  elsif Pn then 
    Sn;
  else
    exit;
  end if;
end loop;

Здесь P1—Pn — охраняющие условия, а S1—Sn — соответствующие охраняемые команды.

Цикл Дейкстры удобен при реализации некоторых специфических повторяющихся вычислений, которые неудобно описывать с помощью более традиционных циклических конструкций. Например, этим циклом естественно представляется конечный автомат — каждая ветвь соответствует одному состоянию автомата, охраняемые условия строятся так, чтобы в текущей итерации выбиралась ветвь, соответствующая текущему состоянию автомата, а код охраняемой команды обеспечивает выполнение вычислений в текущем состоянии и переход в следующее (то есть такое изменение переменных, после которого на следующей итерации будет истинным охраняющее условие нужной ветви).

Цикл «паук»

Легко видеть, что цикл Дейкстры не содержит явного условия продолжения или выхода, что не всеми теоретиками программирования рассматривается как благо. Поэтому была предложена усложнённая конструкция цикла Дейкстры, получившая название «цикл-‘паук’». В той же нотации она выглядит следующим образом:

 do
   P1→S1,
     …
   Pn→Sn
 out
   Q1→T1,
     …
   Qn→Tn
 else
   E
 od

Здесь после маркера out добавлены ветви завершения, состоящие из условий выхода Qi и команд завершения Ti. Кроме того, добавлена ветвь альтернативного завершения else с командой E.

Цикл-‘паук’ выполняется так:

  • Вычисляются охраняющие условия. Если существует истинное охраняющее условие, выполняется соответствующая охраняемая команда.
  • Вычисляются условия выхода. Если существует истинное условие выхода, выполняется соответствующая команда завершения, после чего выполнение цикла заканчивается. Если все условия выхода ложны, начинается следующая итерация, но только в том случае, если в текущей итерации было истинным хотя бы одно из охраняющих условий.
  • Если в данной итерации оказались ложными и все охраняющие условия, и все условия выхода, выполняется команда альтернативного завершения E, после чего выполнение цикла прерывается.

Структура цикла-‘паука’ позволяет предельно строго описать условия выполнения цикла. Согласно теоретическим положениям, ветвь альтернативного завершения не должна использоваться в качестве одного из вариантов корректного прекращения работы цикла (все такие варианты должны быть оформлены в виде соответствующих ветвей завершения с явным условием), она служит только для того, чтобы отследить ситуацию, когда по каким-то причинам цикл начал выполняться нештатно. То есть команда альтернативного завершения может лишь анализировать причины ошибки и представлять результаты анализа.

Хотя явной поддержки на уровне синтаксиса для этого цикла не существует ни в одном языке программирования, цикл-‘паук’, как и цикл Дейкстры, может быть смоделирован с помощью традиционных структурных конструкций.

Методы оптимизации циклов

эквивалентными преобразованиями исходного кода
компилятором

См. также

Примечания

Ссылки

Цикл (программирование) — Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Цикл. Пример цикла While.

Цикл — разновидность управляющей конструкции в высокоуровневых языках программирования, предназначенная для организации многократного исполнения набора инструкций. Также циклом может называться любая многократно исполняемая последовательность инструкций, организованная любым способом (например, с помощью условного перехода).

Определения

Последовательность инструкций, предназначенная для многократного исполнения, называется телом цикла. Единичное выполнение тела цикла называется итерацией. Выражение, определяющее, будет в очередной раз выполняться итерация или цикл завершится, называется условием выхода или условием окончания цикла (либо условием продолжения в зависимости от того, как интерпретируется его истинность — как признак необходимости завершения или продолжения цикла). Переменная, хранящая текущий номер итерации, называется счётчиком итераций цикла или просто счётчиком цикла. Цикл не обязательно содержит счётчик, счётчик не обязан быть один — условие выхода из цикла может зависеть от нескольких изменяемых в цикле переменных, а может определяться внешними условиями (например, наступлением определённого времени), в последнем случае счётчик может вообще не понадобиться.

Исполнение любого цикла включает первоначальную инициализацию переменных цикла, проверку условия выхода, исполнение тела цикла и обновление переменной цикла на каждой итерации. Кроме того, большинство языков программирования предоставляет средства для досрочного управления циклом, например, операторы завершения цикла, то есть выхода из цикла независимо от истинности условия выхода (в языке Си — break) и операторы пропуска итерации (в языке Си — continue).

Виды циклов

Безусловные циклы

Иногда в программах используются циклы, выход из которых не предусмотрен логикой программы. Такие циклы называются безусловными, или бесконечными. Специальных синтаксических средств для создания бесконечных циклов, ввиду их нетипичности, языки программирования не предусматривают, поэтому такие циклы создаются с помощью конструкций, предназначенных для создания обычных (или условных) циклов. Для обеспечения бесконечного повторения проверка условия в таком цикле либо отсутствует (если позволяет синтаксис, как, например, в цикле LOOP ... END LOOP языка Ада), либо заменяется константным значением (while true do ... в Паскале). В языке С используется цикл for(;;) с незаполненными секциями или цикл while (1).

Цикл с предусловием

Цикл с предусловием — цикл, который выполняется, пока истинно некоторое условие, указанное перед его началом. Это условие проверяется до выполнения тела цикла, поэтому тело может быть не выполнено ни разу (если условие с самого начала ложно). В большинстве процедурных языков программирования реализуется оператором while, отсюда его второе название — while-цикл. На языке Pascal цикл с предусловием имеет следующий вид:

while <условие> do
begin   
  <тело цикла> 
end;

На языке Си:

while (<условие>) {
   <тело цикла>
}

Цикл с постусловием

Цикл с постусловием — цикл, в котором условие проверяется после выполнения тела цикла. Отсюда следует, что тело всегда выполняется хотя бы один раз. В языке Паскаль этот цикл реализует оператор repeat..until; в Си — do…while.

На языке Pascal цикл с постусловием имеет следующий вид::

repeat
    <тело цикла>
until <условие выхода>

На языке Си:

do {
    <тело цикла>
} while (<условие продолжения цикла>)

В трактовке условия цикла с постусловием в разных языках есть различия. В Паскале и языках, произошедших от него, условие такого цикла трактуется как условие выхода (цикл завершается, когда условие истинно, в русской терминологии такие циклы называют ещё «цикл до»), а в Си и его потомках — как условие продолжения (цикл завершается, когда условие ложно, такие циклы иногда называют «цикл пока»).

Цикл с выходом из середины

Цикл с выходом из середины — наиболее общая форма условного цикла. Синтаксически такой цикл оформляется с помощью трёх конструкций: начала цикла, конца цикла и команды выхода из цикла. Конструкция начала маркирует точку программы, в которой начинается тело цикла, конструкция конца — точку, где тело заканчивается. Внутри тела должна присутствовать команда выхода из цикла, при выполнении которой цикл заканчивается и управление передаётся на оператор, следующий за конструкцией конца цикла. Естественно, чтобы цикл выполнился более одного раза, команда выхода должна вызываться не безусловно, а только при выполнении условия выхода из цикла.

Принципиальным отличием такого вида цикла от рассмотренных выше является то, что часть тела цикла, расположенная после начала цикла и до команды выхода, выполняется всегда (даже если условие выхода из цикла истинно при первой итерации), а часть тела цикла, находящаяся после команды выхода, не выполняется при последней итерации.

Легко видеть, что с помощью цикла с выходом из середины можно легко смоделировать и цикл с предусловием (разместив команду выхода в начале тела цикла), и цикл с постусловием (разместив команду выхода в конце тела цикла).

Часть языков программирования содержат специальные конструкции для организации цикла с выходом из середины. Так, в языке Ада для этого используется конструкция LOOP ... END LOOP и команда выхода EXIT или EXIT WHEN:

LOOP
  ... Часть тела цикла
  EXIT WHEN <условие выхода>;
  ... Часть тела цикла
  IF <условие выхода> THEN 
    EXIT; 
  END;
  ... Часть тела цикла
END LOOP:

Здесь внутри цикла может быть любое количество команд выхода обоих типов. Сами команды выхода принципиально не различаются, обычно EXIT WHEN применяют, когда проверяется только условие выхода, а просто EXIT — когда выход из цикла производится в одном из вариантов сложного условного оператора.

В тех языках, где подобных конструкций не предусмотрено, цикл с выходом из середины может быть смоделирован с помощью любого условного цикла и оператора досрочного выхода из цикла (такого, как break в Си, exit в Турбо Паскале и т. п.), либо оператора безусловного перехода goto.

Цикл со счётчиком (или цикл для)

Цикл со счётчиком — цикл, в котором некоторая переменная изменяет своё значение от заданного начального значения до конечного значения с некоторым шагом, и для каждого значения этой переменной тело цикла выполняется один раз. В большинстве процедурных языков программирования реализуется оператором for, в котором указывается счётчик (так называемая «переменная цикла»), требуемое количество проходов (или граничное значение счётчика) и, возможно, шаг, с которым изменяется счётчик. Например, в языке Оберон-2 такой цикл имеет вид:

 FOR v := b TO e BY s DO
   ... тело цикла
 END 

здесь v — счётчик, b — начальное значение счётчика, e — граничное значение счётчика, s — шаг).

Неоднозначен вопрос о значении переменной по завершении цикла, в котором эта переменная использовалась как счётчик. Например, если в программе на языке Паскаль встретится конструкция вида:

i := 100;
for i := 0 to 9 do
begin
  ... тело цикла
end;
k := i;

возникает вопрос: какое значение будет в итоге присвоено переменной k: 9, 10, 100, может быть, какое-то другое? А если цикл завершится досрочно? Ответы зависят от того, увеличивается ли значение счётчика после последней итерации и не изменяет ли транслятор это значение дополнительно. Ещё один вопрос: что будет, если внутри цикла счётчику будет явно присвоено новое значение? Различные языки программирования решают данные вопросы по-разному. В некоторых поведение счётчика чётко регламентировано. В других, например, в том же Паскале, стандарт языка не определяет ни конечного значения счётчика, ни последствий его явного изменения в цикле, но не рекомендует изменять счётчик явно и использовать его по завершении цикла без повторной инициализации. Программа на Паскале, игнорирующая эту рекомендацию, может давать разные результаты при выполнении на разных системах и использовании разных трансляторов.

Радикально решён вопрос в языке Ада: счётчик считается описанным в заголовке цикла, и вне его просто не существует. Даже если имя счётчика в программе уже используется, внутри цикла в качестве счётчика используется отдельная переменная. Счётчику запрещено явно присваивать какие бы то ни было значения, он может меняться только внутренним механизмом оператора цикла. В результате конструкция

i := 100;
for i in (0..9) loop
  ... тело цикла
end loop;
k := i;

внешне аналогичная вышеприведённому циклу на Паскале, трактуется однозначно: переменной k будет присвоено значение 100, поскольку переменная i, используемая вне данного цикла, не имеет никакого отношения к счётчику i, который создаётся и изменяется внутри цикла. Подобное обособление счётчика удобно и безопасно: не требуется отдельное описание для него и минимальна вероятность случайных ошибок, связанных со случайным разрушением внешних по отношению к циклу переменных. Если программисту требуется включить в готовый код цикл со счётчиком, то он может не проверять, существует ли переменная с именем, которое он выбрал в качестве счётчика, не добавлять описание нового счётчика в заголовок соответствующей процедуры, не пытаться использовать один из имеющихся, но в данный момент «свободных» счётчиков. Он просто пишет цикл с переменной-счётчиком, имя которой ему удобно, и может быть уверен, что никакой коллизии имён не произойдёт.

Цикл со счётчиком всегда можно записать как условный цикл, перед началом которого счётчику присваивается начальное значение, а условием выхода является достижение счётчиком конечного значения; к телу цикла при этом добавляется оператор изменения счётчика на заданный шаг. Однако специальные операторы цикла со счётчиком могут эффективнее транслироваться, так как формализованный вид такого цикла позволяет использовать специальные процессорные команды организации циклов.

Никлаус Вирт одно время называл цикл со счётчиком «маргинальным», утверждая, что такая конструкция является излишней и должна быть исключена из синтаксиса языков программирования как несистемная. В соответствии с этим представлением в языке программирования Оберон цикла со счётчиком не было. Однако в языке Оберон-2, созданном Виртом и Мёссенбёком в развитие Оберона, цикл со счётчиком FOR появился снова в интересах практического удобства использования[1].

В некоторых языках, например, Си и других, произошедших от него, цикл for, несмотря на синтаксическую форму цикла со счётчиком, в действительности является циклом с предусловием. То есть в Си конструкция цикла:

for (i = 0; i < 10; ++i)
{
  ... тело цикла 
}

фактически представляет собой другую форму записи конструкции[2]:

i = 0;
while (i < 10)
{
  ... тело цикла 
  ++i;
}

То есть в конструкции for сначала пишется произвольное предложение инициализации цикла, затем — условие продолжения и, наконец, выполняемая после каждого тела цикла некоторая операция (это не обязательно должно быть изменение счётчика; это может быть правка указателя или какая-нибудь совершенно посторонняя операция). Для языков такого вида вышеописанная проблема решается очень просто: переменная-счётчик ведёт себя совершенно предсказуемо и по завершении цикла сохраняет своё последнее значение.

Совместный цикл

Ещё одним вариантом цикла является цикл, задающий выполнение некоторой операции для объектов из заданного множества, без явного указания порядка перечисления этих объектов. Такие циклы называются совместными (а также циклами по коллекции, циклами просмотра) и представляют собой формальную запись инструкции вида: «Выполнить операцию X для всех элементов, входящих во множество M». Совместный цикл, теоретически, никак не определяет, в каком порядке операция будет применяться к элементам множества, хотя конкретные языки программирования, разумеется, могут задавать конкретный порядок перебора элементов. Произвольность даёт возможность оптимизации исполнения цикла за счёт организации доступа не в заданном программистом, а в наиболее выгодном порядке. При наличии возможности параллельного выполнения нескольких операций возможно даже распараллеливание выполнения совместного цикла, когда одна и та же операция одновременно выполняется на разных вычислительных модулях для разных объектов, при том, что логически программа остаётся последовательной.

Совместные циклы имеются в некоторых языках программирования (C#, Eiffel, Java, JavaScript, Perl, Python, PHP, LISP, Tcl и др.) — они позволяют выполнять цикл по всем элементам заданной коллекции объектов. В определении такого цикла требуется указать только коллекцию объектов и переменную, которой в теле цикла будет присвоено значение обрабатываемого в данный момент объекта (или ссылка на него). В различных языках программирования синтаксис оператора различен:

C++:

for (type &item : set) //поддерживается, начиная со стандарта C++11
{
    //использование item
}

C#:

foreach (type item in set) 
{
    //использование item
}

Delphi:

for item in [1..100] do
begin
  //Использование item (Работоспособность кода проверялась в Delphi 2010) 
end;

Perl (строгий порядок «от первого до последнего»):

foreach (@set) 
{
    #использование $_
}
# или
for (@set) 
{
    #использование $_
}
# или
foreach $item (@set) 
{
    #использование $item
}

Eiffel:

across set as cursor loop
    -- использование cursor.item
end

Java:

for (type item : set) 
{
    //использование item
}

JavaScript:

for (txtProperty in objObject)
  {
  /*
  использование:
  objObject [txtProperty]
  */
  }

PHP:

foreach ($arr as $item) {
    /* использование $item*/
}
//или
foreach ($arr as $key=>$value) {
    /* использование значений индекса $key и его значения $value*/
}

Visual Basic.NET:

For Each item As type In set
    'использование item
Next item

Windows PowerShell:

foreach ($item in $set) {
  # операции с $item
} 

или

$set | ForEach-Object {
  # операции с $_
}

Python

for item in iterator_instance:
    # использование item

Досрочный выход и пропуск итерации

Многие языки программирования, имеющие в своём синтаксисе циклические конструкции, имеют также специфические команды, позволяющие нарушить порядок работы этих конструкций: команду досрочного выхода из цикла и команду пропуска итерации.

Досрочный выход из цикла

Команда досрочного выхода применяется, когда необходимо прервать выполнение цикла, в котором условие выхода ещё не достигнуто. Такое бывает, например, когда при выполнении тела цикла обнаруживается ошибка, после которой дальнейшая работа цикла не имеет смысла.

Команда досрочного выхода обычно называется EXIT или break, а её действие аналогично действию команды безусловного перехода (goto) на команду, непосредственно следующую за циклом, внутри которого эта команда находится. Так, в языке Си два нижеприведённых цикла работают совершенно одинаково:

// Применение оператора break
while(<условие>) {
  ... операторы
  if (<ошибка>) break;
  ... операторы
}
... продолжение программы

// Аналогичный фрагмент без break
while(<условие>) {
  ... операторы
  if (<ошибка>) goto break_label;
  ... операторы 
}
break_label:
... продолжение программы

В обоих случаях, если в теле цикла выполнится условие <ошибка>, будет произведён переход на операторы, обозначенные как «продолжение программы». Таким образом, оператор досрочного выхода из цикла, по сути, просто маскирует безусловный переход, однако использование break предпочтительнее, чем goto, поскольку поведение break чётко задано языком, потенциально менее опасно (нет, например, вероятности ошибиться с положением или названием метки). Кроме того, явный досрочный выход из цикла не нарушает принципов структурного программирования.

Обычный оператор досрочного выхода прерывает работу того цикла, в котором он непосредственно находится. В ряде языков программирования функциональность этого оператора расширена, он позволяет выходить из нескольких вложенных циклов (см. ниже). В таких случаях цикл, из которого требуется выйти, помечается меткой, а в операторе досрочного выхода указывается эта метка.

Пропуск итерации

Данный оператор применяется, когда в текущей итерации цикла необходимо пропустить все команды до конца тела цикла. При этом сам цикл прерываться не должен, условия продолжения или выхода должны вычисляться обычным образом.

В языке Си и его языках-потомках в качестве команды пропуска итерации используется оператор continue в конструкции цикла. Действие этого оператора аналогично безусловному переходу на строку внутри тела цикла, следующую за последней его командой. Например, код на Си, находящий сумму элементов массива и сумму всех положительных элементов массива, может иметь следующий вид:

int arr[ARRSIZE];
...
// Суммирование отдельно всех и только положительных
// элементов массива arr с применением continue.
int sum_all = 0;
int sum_pos = 0;
for (int i = 0 ; i < ARRSIZE; ++i)
{
    sum_all += arr[i];
    if (arr[i] <= 0) continue;
    sum_pos += arr[i];
}

// Аналогичный код c goto
int sum_all = 0;
int sum_pos = 0;
for (int i = 0 ; i < ARRSIZE; ++i)
{
    sum_all += arr[i];
    if (arr[i] <= 0) goto cont_label;
    sum_pos += arr[i];
cont_label:
}

Из второго фрагмента ясно видно, как работает continue: он просто передаёт управление за последнюю команду тела цикла, пропуская выполнение команды суммирования, если очередной элемент массива не удовлетворяет условию. Таким образом, в sum_pos накапливается сумма лишь положительных элементов массива.

Необходимость

С точки зрения структурного программирования команды досрочного выхода из цикла и продолжения итерации являются избыточными, поскольку их действие может быть легко смоделировано чисто структурными средствами. Более того, по мнению ряда теоретиков программирования (в частности, Эдсгера Дейкстры), сам факт использования в программе неструктурных средств, будь то классический безусловный переход или любая из его специализированных форм, таких как break или continue, является свидетельством недостаточно проработанного алгоритма решения задачи.

Однако на практике код программы часто является записью уже имеющегося, ранее сформулированного алгоритма, перерабатывать который нецелесообразно по чисто техническим причинам. Попытка заменить в таком коде команду досрочного выхода на структурные конструкции часто оказывается неэффективной или громоздкой. Например, вышеприведённый фрагмент кода с командой break может быть записан так:

// Досрочный выход из цикла без break
bool flag = false; // флаг досрочного завершения
while(<условие> && !flag) {
  ... операторы
  if (<ошибка>) {
    flag = true;
  } else {
    ... операторы
  }
}
... продолжение программы

Легко убедиться, что фрагмент будет работать аналогично предшествующим, разница лишь в том, что в месте проверки на ошибку вместо непосредственного выхода из цикла устанавливается флаг досрочного выхода, который проверяется позже в штатном условии продолжения цикла. Однако для отказа от команды досрочного выхода пришлось добавить в программу описание флага и вторую ветвь условного оператора, к тому же произошло «размытие» логики программы (решение о досрочном выходе принимается в одном месте, а выполняется в другом). В результате программа не стала ни проще, ни короче, ни понятнее.

Несколько иначе обстоит дело с командой пропуска итерации. Она, как правило, очень легко и естественно заменяется на условный оператор. Например, приведённый выше фрагмент суммирования массива можно записать так:

int arr[ARRSIZE];
...
// Суммирование отдельно всех и только положительных
// элементов массива arr с заменой continue
int sum_all = 0;
int sum_pos = 0;
for (int i = 0 ; i < ARRSIZE; ++i)
{
    sum_all += arr[i];
    if (arr[i] > 0) // Условие заменено на противоположное!
    {
      sum_pos += arr[i];
    }
}

Как видим, достаточно было заменить проверяемое условие на противоположное и поместить заключительную часть тела цикла в условный оператор. Можно заметить, что программа стала короче (за счёт удаления команды пропуска итерации) и одновременно логичнее (из кода непосредственно видно, что суммируются положительные элементы).

Кроме того, использование команды пропуска итерации в цикле с условием (while-цикле) может также спровоцировать неочевидную ошибку: если тело цикла, как это часто бывает, завершается командами изменения переменной (переменных) цикла, то команда пропуска итерации пропустит и эти команды тоже, в результате чего (в зависимости от условия, по которому происходит пропуск) может произойти зацикливание или не соответствующий алгоритму повтор итерации. Так, если заменить в вышеприведённом примере цикл for на while, получится следующее:

int arr[ARRSIZE];
...
int sum_all = 0;
int sum_pos = 0;
int i = 0;
while (i < ARRSIZE) // Цикл внешне аналогичен предыдущему for ...
{
    sum_all += arr[i];
    if (arr[i] <= 0) continue;
    sum_pos += arr[i];
    ++i; // ... но эта команда будет пропущена при выполнении continue 
         // и программа зациклится
}

Несмотря на свою ограниченную полезность и возможность замены на другие языковые конструкции, команды пропуска итерации и, особенно, досрочного выхода из цикла в отдельных случаях оказываются крайне полезны, именно поэтому они сохраняются в современных языках программирования.

Вложенные циклы

Существует возможность организовать цикл внутри тела другого цикла. Такой цикл будет называться вложенным циклом. Вложенный цикл по отношению к циклу, в тело которого он вложен, будет именоваться внутренним циклом, и наоборот, цикл, в теле которого существует вложенный цикл, будет именоваться внешним по отношению к вложенному. Внутри вложенного цикла, в свою очередь, может быть вложен ещё один цикл, образуя следующий уровень вложенности и так далее. Количество уровней вложенности, как правило, не ограничивается.

Полное число исполнений тела внутреннего цикла не превышает произведения числа итераций внутреннего и всех внешних циклов. Например, взяв три вложенных друг в друга цикла, каждый по 10 итераций, получим 10 исполнений тела для внешнего цикла, 100 для цикла второго уровня и 1000 в самом внутреннем цикле.

Одна из проблем, связанных с вложенными циклами — организация досрочного выхода из них. Во многих языках программирования есть оператор досрочного завершения цикла (break в Си, exit в Турбо Паскале, last в Perl и т. п.), но он, как правило, обеспечивает выход только из цикла того уровня, откуда вызван. Вызов его из вложенного цикла приведёт к завершению только этого внутреннего цикла, внешний же цикл продолжит выполняться. Проблема может показаться надуманной, но она действительно иногда возникает при программировании сложной обработки данных, когда алгоритм требует немедленного прерывания в определённых условиях, наличие которых можно проверить только в глубоко вложенном цикле.

Решений проблемы выхода из вложенных циклов несколько.

  • Простейший — использовать оператор безусловного перехода goto для выхода в точку программы, непосредственно следующую за вложенным циклом. Этот вариант критикуется сторонниками структурного программирования, как и все конструкции, требующие использования goto. Некоторые языки программирования, например, Модула-2, просто не имеют оператора безусловного перехода, и в них подобная конструкция невозможна.
  • Альтернатива — использовать штатные средства завершения циклов, в случае необходимости устанавливая специальные флаги, требующие немедленного завершения обработки. Недостаток — усложнение кода, снижение производительности.
  • Размещение вложенного цикла в процедуре. Идея состоит в том, чтобы всё действие, которое может потребоваться прервать досрочно, оформить в виде отдельной процедуры, и для досрочного завершения использовать оператор выхода из процедуры (если такой есть в языке программирования). В языке Си, например, можно построить функцию с вложенным циклом, а выход из неё организовать с помощью оператора return. Недостаток — выделение фрагмента кода в процедуру не всегда логически обосновано, и не все языки имеют штатные средства досрочного завершения процедур.
  • Воспользоваться механизмом генерации и обработки исключений (исключительных ситуаций), который имеется сейчас в большинстве языков высокого уровня. В этом случае в нештатной ситуации код во вложенном цикле возбуждает исключение, а блок обработки исключений, в который помещён весь вложенный цикл, перехватывает и обрабатывает его. Недостаток — реализация механизма обработки исключений в большинстве случаев такова, что скорость работы программы уменьшается. Правда, в современных условиях это не особенно важно: практически потеря производительности столь мала, что имеет значение лишь для очень немногих приложений.
  • Наконец, существуют специальные языковые средства для выхода из вложенных циклов. Так, в языке Ада программист может пометить цикл (верхний уровень вложенного цикла) меткой, и в команде досрочного завершения цикла указать эту метку. Выход произойдёт не из текущего цикла, а из всех вложенных циклов до помеченного, включительно[3]. Язык PHP предоставляет возможность указать число прерываемых циклов после команды break — так break 2 прервёт сам цикл и вышестоящий над ним, а break 1 эквивалентно простой записи команды break[4].

Циклы с несколькими охраняемыми ветвями

Цикл Дейкстры

В теории программирования известна ещё одна, принципиально отличающаяся от «классических», форма циклической конструкции, получившая название «цикл Дейкстры», по имени Эдсгера Дейкстры, впервые её описавшего. В классическом дейкстровском описании такой цикл выглядит следующим образом:

 do
   P1 → S1,
     …
   Pn → Sn
 od

Здесь do — маркер начала конструкции цикла, od — маркер завершения конструкции цикла, Pi — iохраняющее условие (логическое выражение, которое может иметь значение «истинно» или «ложно»), Si — iохраняемая команда. Цикл состоит из одной или нескольких ветвей (охраняемых выражений), каждая из которых представляет собой пару из охраняющего условия (или, коротко, «охраны») и охраняемой команды (понятно, что в реальности команда может быть сложной).

При выполнении цикла Дейкстры в каждой итерации происходит вычисление охраняющих условий. Если хотя бы одно из них истинно, выполняется соответствующая охраняемая команда, после чего начинается новая итерация (если истинны несколько охраняющих условий, выполняется только одна охраняемая команда). Если все охраняющие условия ложны, цикл завершается. Нетрудно заметить, что цикл Дейкстры с одним охраняющим условием и одной охраняемой командой представляет собой, по сути, обычный цикл с предусловием (цикл «пока»).

Хотя цикл Дейкстры был изобретён ещё в 1970-х годах, специальных конструкций для его создания в языках программирования не содержится. Единственным исключением стал недавно созданный Оберон-07 — первый реальный язык программирования, явно поддерживающий цикл с несколькими охраняемыми ветвями. Впрочем, цикл Дейкстры может быть без больших затруднений смоделирован с помощью традиционных конструкций структурных языков программирования. Вот пример его реализации одним из возможных способов на языке Ада:

loop
  if P1 then 
    S1;
    ...
  elsif Pn then 
    Sn;
  else
    exit;
  end if;
end loop;

Здесь P1—Pn — охраняющие условия, а S1—Sn — соответствующие охраняемые команды.

Цикл Дейкстры удобен при реализации некоторых специфических повторяющихся вычислений, которые неудобно описывать с помощью более традиционных циклических конструкций. Например, этим циклом естественно представляется конечный автомат — каждая ветвь соответствует одному состоянию автомата, охраняемые условия строятся так, чтобы в текущей итерации выбиралась ветвь, соответствующая текущему состоянию автомата, а код охраняемой команды обеспечивает выполнение вычислений в текущем состоянии и переход в следующее (то есть такое изменение переменных, после которого на следующей итерации будет истинным охраняющее условие нужной ветви).

Цикл «паук»

Легко видеть, что цикл Дейкстры не содержит явного условия продолжения или выхода, что не всеми теоретиками программирования рассматривается как благо. Поэтому была предложена усложнённая конструкция цикла Дейкстры, получившая название «цикл-‘паук’». В той же нотации она выглядит следующим образом:

 do
   P1→S1,
     …
   Pn→Sn
 out
   Q1→T1,
     …
   Qn→Tn
 else
   E
 od

Здесь после маркера out добавлены ветви завершения, состоящие из условий выхода Qi и команд завершения Ti. Кроме того, добавлена ветвь альтернативного завершения else с командой E.

Цикл-‘паук’ выполняется так:

  • Вычисляются охраняющие условия. Если существует истинное охраняющее условие, выполняется соответствующая охраняемая команда.
  • Вычисляются условия выхода. Если существует истинное условие выхода, выполняется соответствующая команда завершения, после чего выполнение цикла заканчивается. Если все условия выхода ложны, начинается следующая итерация, но только в том случае, если в текущей итерации было истинным хотя бы одно из охраняющих условий.
  • Если в данной итерации оказались ложными и все охраняющие условия, и все условия выхода, выполняется команда альтернативного завершения E, после чего выполнение цикла прерывается.

Структура цикла-‘паука’ позволяет предельно строго описать условия выполнения цикла. Согласно теоретическим положениям, ветвь альтернативного завершения не должна использоваться в качестве одного из вариантов корректного прекращения работы цикла (все такие варианты должны быть оформлены в виде соответствующих ветвей завершения с явным условием), она служит только для того, чтобы отследить ситуацию, когда по каким-то причинам цикл начал выполняться нештатно. То есть команда альтернативного завершения может лишь анализировать причины ошибки и представлять результаты анализа.

Хотя явной поддержки на уровне синтаксиса для этого цикла не существует ни в одном языке программирования, цикл-‘паук’, как и цикл Дейкстры, может быть смоделирован с помощью традиционных структурных конструкций.

Методы оптимизации циклов

эквивалентными преобразованиями исходного кода
компилятором

См. также

Примечания

Ссылки

Цикл (программирование)

Материал из Seo Wiki — Поисковая Оптимизация и Программирование

У этого термина существуют и другие значения, см. цикл.

Цикл — разновидность управляющей конструкции в высокоуровневых языках программирования, предназначенная для организации многократного исполнения набора инструкций. Также циклом может называться любая многократно исполняемая последовательность инструкций, организованная любым способом (например, с помощью условного перехода).

Определения

Последовательность инструкций, предназначенная для многократного исполнения, называется телом цикла. Единичное выполнение тела цикла называется итерацией. Выражение определяющее, будет в очередной раз выполняться итерация, или цикл завершится, называется условием выхода или условием окончания цикла (либо условием продолжения в зависимости от того, как интерпретируется его истинность — как признак необходимости завершения или продолжения цикла). Переменная, хранящая текущий номер итерации, называется счётчиком итераций цикла или просто счётчиком цикла. Цикл не обязательно содержит счётчик, счётчик не обязан быть один — условие выхода из цикла может зависеть от нескольких изменяемых в цикле переменных, а может определяться внешними условиями (например, наступлением определённого времени), в последнем случае счётчик может вообще не понадобиться.

Исполнение любого цикла включает первоначальную инициализацию переменных цикла, проверку условия выхода, исполнение тела цикла и обновление переменной цикла на каждой итерации. Кроме того большинство языков программирования предоставляют средства для досрочного завершения цикла, то есть выхода из цикла независимо от истинности условия выхода.

Виды циклов

Безусловные циклы

Иногда в программах используются циклы, выход из которых не предусмотрен логикой программы. Такие циклы называются безусловными, или бесконечными. Специальных синтаксических средств для создания бесконечных циклов, ввиду их нетипичности, языки программирования не предусматривают, поэтому такие циклы создаются с помощью конструкций, предназначенных для создания обычных (или условных) циклов. Для обеспечения бесконечного повторения проверка условия в таком цикле либо отсутствует (если позволяет синтаксис, как, например, в цикле LOOP…END LOOP языка Ада), либо заменяется константным значением (while true do … в Паскале).

Цикл с предусловием

Цикл с предусловием — цикл, который выполняется пока истинно некоторое условие, указанное перед его началом. Это условие проверяется до выполнения тела цикла, поэтому тело может быть не выполнено ни разу (если условие с самого начала ложно). В большинстве процедурных языков программирования реализуется оператором while, отсюда его второе название — while-цикл. На языке Pascal цикл с предусловием имеет следующий вид:

while <условие> do begin   
  <тело программы> 
end;

На Си:

while(<условие>)
{
   <тело программы>
}

Цикл с постусловием

Цикл с постусловием — цикл, в котором условие проверяется после выполнения тела цикла. Отсюда следует, что тело всегда выполняется хотя бы один раз. В языке Паскаль этот цикл реализует оператор repeat..until; в Си — do…while.
Pascal:

repeat
    <тело цикла>
until <условие>

Си:

do
{
    <тело цикла>
}
while(<условие>)


В трактовке условия цикла с постусловием в разных языках есть различия. В Паскале и языках, произошедших от него, условие такого цикла трактуется как условие выхода (цикл завершается, когда условие истинно, в русской терминологии такие циклы называют ещё «цикл до»), а в Си и его потомках — как условие продолжения (цикл завершается, когда условие ложно, такие циклы иногда называют «цикл пока»)…..

Цикл с выходом из середины

Цикл с выходом из середины — наиболее общая форма условного цикла. Синтаксически такой цикл оформляется с помощью трёх конструкций: начала цикла, конца цикла и команды выхода из цикла. Конструкция начала маркирует точку программы, в которой начинается тело цикла, конструкция конца — точку, где тело заканчивается. Внутри тела должна присутствовать команда выхода из цикла, при выполнении которой цикл заканчивается и управление передаётся на оператор, следующий за конструкцией конца цикла. Естественно, чтобы цикл выполнился более одного раза, команда выхода должна вызываться не безусловно, а только при выполнении условия выхода из цикла.

Принципиальным отличием такого вида цикла от рассмотренных выше является то, что часть тела цикла, расположенная после начала цикла и до команды выхода, выполняется всегда (даже если условие выхода из цикла истинно при первой итерации), а часть тела цикла, находящаяся после команды выхода, не выполняется при последней итерации.

Легко видеть, что с помощью цикла с выходом из середины можно легко смоделировать и цикл с предусловием (разместив команду выхода в начале тела цикла), и цикл с постусловием (разместив команду выхода в конце тела цикла).

Часть языков программирования содержат специальные конструкции для организации цикла с выходом из середины. Так, в языке Ада для этого используется конструкция LOOP…END LOOP и команда выхода EXIT или EXIT WHEN:

LOOP
  ... Часть тела цикла
  EXIT WHEN <условие выхода>;
  ... Часть тела цикла
  IF <условие выхода> THEN 
    EXIT; 
  END;
  ... Часть тела цикла
END LOOP:

Здесь внутри цикла может быть любое количество команд выхода обоих типов. Сами команды выхода принципиально не различаются, обычно EXIT WHEN применяют, когда проверяется только условие выхода, а просто EXIT — когда выход из цикла производится в одном из вариантов сложного условного оператора.

В тех языках, где подобных конструкций не предусмотрено, цикл с выходом из середины может быть смоделирован с помощью любого условного цикла и оператора досрочного выхода из цикла (такого, как break в Си), либо оператора безусловного перехода goto.

Цикл cо счётчиком

Цикл со счётчиком — цикл, в котором некоторая переменная изменяет своё значение от заданного начального значения до конечного значения с некоторым шагом, и для каждого значения этой переменной тело цикла выполняется один раз. В большинстве процедурных языков программирования реализуется оператором for, в котором указывается счётчик (так называемая «переменная цикла»), требуемое количество проходов (или граничное значение счётчика) и, возможно, шаг, с которым изменяется счётчик. Например, в языке Оберон-2 такой цикл имеет вид:

 FOR v := b TO e BY s DO
   ... тело цикла
 END

(здесь v — счётчик, b — начальное значение счётчика, e — граничное значение счётчика, s — шаг).

Неоднозначен вопрос о значении переменной по завершении цикла, в котором эта переменная использовалась как счётчик. Например, если в программе на языке Паскаль встретится конструкция вида:

i := 100;
for i := 0 to 9 do begin
  ... тело цикла
end;
k := i;

возникает вопрос: какое значение будет в итоге присвоено переменной k: 9, 10, 100, может быть, какое-то другое? А если цикл завершится досрочно? Ответы зависят от того, увеличивается ли значение счётчика после последней итерации и не изменяет ли транслятор это значение дополнительно. Ещё один вопрос: что будет, если внутри цикла счётчику будет явно присвоено новое значение? Различные языки программирования решают данные вопросы по-разному. В некоторых поведение счётчика чётко регламентировано. В других, например, в том же Паскале, стандарт языка не определяет ни конечного значения счётчика, ни последствий его явного изменения в цикле, но не рекомендует изменять счётчик явно и использовать его по завершении цикла без повторной инициализации. Программа на Паскале, игнорирующая эту рекомендацию, может давать разные результаты при выполнении на разных системах и использовании разных трансляторов.

Радикально решён вопрос в языке Ада: счётчик считается описанным в заголовке цикла, и вне его просто не существует. Даже если имя счётчика в программе уже используется, внутри цикла в качестве счётчика используется отдельная переменная. Счётчику запрещено явно присваивать какие бы то ни было значения, он может меняться только внутренним механизмом оператора цикла. В результате конструкция

i := 100;
for i in (0..9) loop
  ... тело цикла
end loop;
k := i;

внешне аналогичная вышеприведённому циклу на Паскале, трактуется однозначно: переменной k будет присвоено значение 100, поскольку переменная i, используемая вне данного цикла, не имеет никакого отношения к счётчику i, который создаётся и изменяется внутри цикла. Считается, что подобное обособление счётчика наиболее удобно и безопасно: не требуется отдельное описание для него и минимальна вероятность случайных ошибок, связанных со случайным разрушением внешних по отношению к циклу переменных. Если программисту требуется включить в готовый код цикл со счётчиком, то он может не проверять, существует ли переменная с именем, которое он выбрал в качестве счётчика, не добавлять описание нового счётчика в заголовок соответствующей процедуры, не пытаться использовать один из имеющихся, но в данный момент «свободных» счётчиков. Он просто пишет цикл с переменной-счётчиком, имя которой ему удобно, и может быть уверен, что никакой коллизии имён не произойдёт.

Цикл со счётчиком всегда можно записать как условный цикл, перед началом которого счётчику присваивается начальное значение, а условием выхода является достижение счётчиком конечного значения; к телу цикла при этом добавляется оператор изменения счётчика на заданный шаг. Однако специальные операторы цикла со счётчиком могут эффективнее транслироваться, так как формализованный вид такого цикла позволяет использовать специальные процессорные команды организации циклов.

В некоторых языках, например, Си и других, произошедших от него, цикл for, несмотря на синтаксическую форму цикла со счётчиком, в действительности является циклом с предусловием. То есть в Си конструкция цикла:

for (i = 0; i < 10; ++i)
{
  ... тело цикла 
}

фактически представляет собой другую форму записи конструкции:

i = 0;
while (i < 10)
{
  ... тело цикла 
  ++i;
}

То есть в конструкции for сначала пишется произвольное предложение инициализации цикла, затем — условие продолжения и, наконец, выполняемая после каждого тела цикла некоторая операция (это не обязательно должно быть изменение счётчика; это может быть правка указателя или какая-нибудь совершенно посторонняя операция). Для языков такого вида вышеописанная проблема решается очень просто: переменная-счётчик ведёт себя совершенно предсказуемо и по завершении цикла сохраняет своё последнее значение.

Вложенные циклы

Существует возможность организовать цикл внутри тела другого цикла. Такой цикл будет называться вложенным циклом. Вложенный цикл по отношению к циклу в тело которого он вложен будет именоваться внутренним циклом, и наоборот цикл в теле которого существует вложенный цикл будет именоваться внешним по отношению к вложенному. Внутри вложенного цикла в свою очередь может быть вложен еще один цикл, образуя следующий уровень вложенности и так далее. Количество уровней вложенности как правило не ограничивается.

Полное число исполнений тела внутреннего цикла не превышает произведения числа итераций внутреннего и всех внешних циклов. Например взяв три вложенных друг в друга цикла, каждый по 10 итераций, получим 10 исполнений тела для внешнего цикла, 100 для цикла второго уровня и 1000 в самом внутреннем цикле.

Одна из проблем, связанных с вложенными циклами — организация досрочного выхода из них. Во многих языках программирования есть оператор досрочного завершения цикла (break в Си, exit в Турбо Паскале, last в Perl и т. п.), но он, как правило, обеспечивает выход только из цикла того уровня, откуда вызван. Вызов его из вложенного цикла приведёт к завершению только этого внутреннего цикла, объемлющий же цикл продолжит выполняться. Проблема может показаться надуманной, но она действительно иногда возникает при программировании сложной обработки данных, когда алгоритм требует немедленного прерывания в определённых условиях, наличие которых можно проверить только в глубоко вложенном цикле.

Решений проблемы выхода из вложенных циклов несколько.

  • Простейший — использовать оператор безусловного перехода goto для выхода в точку программы, непосредственно следующую за вложенным циклом. Этот вариант критикуется сторонниками структурного программирования, как и все конструкции, требующие использования goto. Некоторые языки программирования, например Modula-2, просто не имеют оператора безусловного перехода, и в них подобная конструкция невозможна.
  • Альтернатива — использовать штатные средства завершения циклов, в случае необходимости устанавливая специальные флаги, требующие немедленного завершения обработки. Недостаток — усложнение кода, снижение производительности без каких-либо преимуществ, кроме теоретической «правильности» из-за отказа от goto.
  • Размещение вложенного цикла в процедуре. Идея состоит в том, чтобы всё действие, которое может потребоваться прервать досрочно, оформить в виде отдельной процедуры, и для досрочного завершения использовать оператор выхода из процедуры (если такой есть в языке программирования). В Си, например, можно построить функцию с вложенным циклом, а выход из неё организовать с помощью оператора return. Недостаток — выделение фрагмента кода в процедуру не всегда логически обосновано, и не все языки имеют штатные средства досрочного завершения процедур.
  • Воспользоваться механизмом генерации и обработки исключений (исключительных ситуаций), который имеется сейчас в большинстве ЯВУ. В этом случае в нештатной ситуации код во вложенном цикле возбуждает исключение, а блок обработки исключений, в который помещён весь вложенный цикл, перехватывает и обрабатывает его. Недостаток — реализация механизма обработки исключений в большинстве случаев такова, что скорость работы программы уменьшается. Правда, в современных условиях это не особенно важно: практически потеря производительности столь мала, что имеет значение лишь для очень немногих приложений.
  • Наконец, существуют специальные языковые средства для выхода из вложенных циклов. Так, в языке Ада программист может пометить цикл (верхний уровень вложенного цикла) меткой, и в команде досрочного завершения цикла указать эту метку. Выход произойдёт не из текущего цикла, а из всех вложенных циклов до помеченного, включительно.

<span />

Совместный цикл

Ещё одним вариантом цикла является цикл, задающий выполнение некоторой операции для объектов из заданного множества, без явного указания порядка перечисления этих объектов. Такие циклы называются совместными (а также циклами по коллекции, циклами просмотра) и представляют собой формальную запись инструкции вида: «Выполнить операцию X для всех элементов, входящих в множество M». Совместный цикл, теоретически, никак не определяет, в каком порядке операция будет применяться к элементам множества, хотя конкретные языки программирования, разумеется, могут задавать конкретный порядок перебора элементов. Произвольность даёт возможность оптимизации исполнения цикла за счёт организации доступа не в заданном программистом, а в наиболее выгодном порядке. При наличии возможности параллельного выполнения нескольких операций возможно даже распараллеливание выполнения совместного цикла, когда одна и та же операция одновременно выполняется на разных вычислительных модулях для разных объектов, при том что логически программа остаётся последовательной.

Совместные циклы имеются в некоторых языках программирования (C#, Java, JavaScript, Perl, Python, PHP, LISP, Tcl и др.) — они позволяют выполнять цикл по всем элементам заданной коллекции объектов. В определении такого цикла требуется указать только коллекцию объектов и переменную, которой в теле цикла будет присвоено значение обрабатываемого в данный момент объекта (или ссылка на него). В различных языках программирования синтаксис оператора различен:

C#:
foreach (type item in set) 
{
    //использование item
}
Perl:
foreach (@set) 
{
    #использование $_
}

или

for(@set) 
{
    #использование $_
}

или

foreach $item(@set) 
{
    #использование $item
}
Java:
for (type item : set) 
{
    //использование item
}
JavaScript:
for (txtProperty in objObject)
  {
  /*
  использование:
  objObject [txtProperty]
  */
  }
PHP:
foreach ($arr as $item) {
    /* использование $item*/
}
Visual Basic.NET:
For Each item As type In set
    'использование item
Next item


Windows PowerShell:

foreach ($item in $set) {
  # операции с $item
}

или

$set | ForEach-Object {
  # операции с $_
}

Python

for item in iterator_instance:
    # использование item

<span />

Циклы с несколькими охраняемыми ветвями

Цикл Дейкстры

В теории программирования известна ещё одна, принципиально отличающаяся от «классических», форма циклической конструкции, получившая название «цикл Дейкстры», по имени Эдсгера Дейкстры, впервые её описавшего. В классическом дейкстровском описании такой цикл выглядит следующим образом:

 do
   P1 → S1,
     …
   Pn → Sn
 od

Здесь do — маркер начала конструкции цикла, od — маркер завершения конструкции цикла, Pi — i-тое охраняющее условие (логическое выражение, которое может иметь значение «истинно» или «ложно»), Si — i-я охраняемая команда. Цикл состоит из одной или нескольких ветвей, каждая из которых представляет собой пару из охраняющего условия (или, коротко, «охраны»), и охраняемой команды (понятно, что в реальности команда может быть сложной).

При выполнении цикла Дейкстры в каждой итерации происходит вычисление охраняемых условий. Если хотя бы одно из них истинно, выполняется соответствующая охраняемая команда, после чего начинается новая итерация (если истинны несколько охраняемых условий, выполняется только одна охраняемая команда). Если все охраняемые условия ложны, цикл завершается.

Хотя цикл Дейкстры был изобретён ещё в 1970-х годах, специальных конструкций для его создания в языках программирования не содержится. Единственным исключением стал недавно созданный Oberon-07 — первый реальный язык программирования, явно поддерживающий цикл с несколькими охраняемыми ветвями. Впрочем, цикл Дейкстры может быть без больших затруднений смоделирован с помощью традиционных конструкций структурных языков программирования. Вот пример его реализации одним из возможных способов на языке Ада:

loop
  if P1 then 
    S1;
    ...
  elsif Pn then 
    Sn;
  else
    exit;
  end if;
end loop;

Здесь P1-Pn — охраняющие условия, а S1-Sn — соответствующие охраняемые команды.

Цикл Дейкстры удобен при реализации некоторых специфических повторяющихся вычислений, которые неудобно описывать с помощью более традиционных циклических конструкций. Например, этим циклом естественно представляется конечный автомат — каждая ветвь соответствует одному состоянию автомата, охраняемые условия строятся так, чтобы в текущей итерации выбиралась ветвь, соответствующая текущему состоянию автомата, а код охраняемой команды обеспечивает выполнение вычислений в текущем состоянии и переход в следующее (то есть такое изменение переменных, после которого на следующей итерации будет истинным охраняющее условие нужной ветви).

Цикл-‘паук’

Легко видеть, что цикл Дейкстры не содержит явного условия продолжения или выхода, что не всеми теоретиками программирования рассматривается как благо. Поэтому была предложена усложнённая конструкция цикла Дейкстры, получившая название «цикл-‘паук’». В той же нотации она выглядит следующим образом:

 do
   P1→S1,
     …
   Pn→Sn
 out
   Q1→T1,
     …
   Qn→Tn
 else
   E
 od

Здесь после маркера out добавлены ветви завершения, состоящие из условий выхода Qi и команд завершения Ti. Кроме того, добавлена ветвь альтернативного завершения else с командой E.

Цикл-‘паук’ выполняется так:

  • Вычисляются охраняющие условия. Если существует истинное охраняющее условие, выполняется соответствующая охраняемая команда.
  • Вычисляются условия выхода. Если существует истинное условие выхода, выполняется соответствующая команда завершения, после чего выполнение цикла заканчивается. Если все условия выхода ложны, начинается следующая итерация, но только в том случае, если в текущей итерации было истинным хотя бы одно из охраняющих условий.
  • Если в данной итерации оказались ложными и все охраняющие условия, и все условия выхода, выполняется команда альтернативного завершения E, после чего выполнение цикла прерывается.

Структура цикла-‘паука’ позволяет предельно строго описать условия выполнения цикла. Согласно теоретическим положения, ветвь альтернативного завершения не должна использоваться в качестве одного из вариантов корректного прекращения работы цикла (все такие варианты должны быть оформлены в виде соответствующих ветвей завершения с явным условием), она служит только для того, чтобы отследить ситуацию, когда по каким-то причинам цикл начал выполняться нештатно. То есть команда альтернативного завершения может лишь анализировать причины ошибки и представлять результаты анализа.

Хотя явной поддержки на уровне синтаксиса для этого цикла не существует ни в одном языке программирования, цикл-‘паук’, как и цикл Дейкстры, может быть смоделирован с помощью традиционных структурных конструкций.

Интересные факты

  • Никлаус Вирт одно время называл цикл со счётчиком «маргинальным» и утверждал, что такая конструкция в действительности не нужна и должна быть исключена из синтаксиса языков программирования. В соответствии с этим представлением, в языке программирования Оберон цикла со счётчиком не было. Однако в языке Оберон-2, созданном Виртом и Мёссенбёком в развитие Оберона, цикл со счётчиком FOR появился снова[1].

См. также

Методы оптимизации циклов

Ссылки


Цикл (программирование) — это… Что такое Цикл (программирование)?

У этого термина существуют и другие значения, см. цикл. Пример цикла While.

Цикл — разновидность управляющей конструкции в высокоуровневых языках программирования, предназначенная для организации многократного исполнения набора инструкций. Также циклом может называться любая многократно исполняемая последовательность инструкций, организованная любым способом (например, с помощью условного перехода).

Определения

Последовательность инструкций, предназначенная для многократного исполнения, называется телом цикла. Единичное выполнение тела цикла называется итерацией. Выражение определяющее, будет в очередной раз выполняться итерация, или цикл завершится, называется условием выхода или условием окончания цикла (либо условием продолжения в зависимости от того, как интерпретируется его истинность — как признак необходимости завершения или продолжения цикла). Переменная, хранящая текущий номер итерации, называется счётчиком итераций цикла или просто счётчиком цикла. Цикл не обязательно содержит счётчик, счётчик не обязан быть один — условие выхода из цикла может зависеть от нескольких изменяемых в цикле переменных, а может определяться внешними условиями (например, наступлением определённого времени), в последнем случае счётчик может вообще не понадобиться.

Исполнение любого цикла включает первоначальную инициализацию переменных цикла, проверку условия выхода, исполнение тела цикла и обновление переменной цикла на каждой итерации. Кроме того, большинство языков программирования предоставляют средства для досрочного управления циклом, например, операторы завершения цикла, то есть выхода из цикла независимо от истинности условия выхода (в языке Си — break) и операторы пропуска итерации (в языке Си — continue).

Виды циклов

Безусловные циклы

Иногда в программах используются циклы, выход из которых не предусмотрен логикой программы. Такие циклы называются безусловными, или бесконечными. Специальных синтаксических средств для создания бесконечных циклов, ввиду их нетипичности, языки программирования не предусматривают, поэтому такие циклы создаются с помощью конструкций, предназначенных для создания обычных (или условных) циклов. Для обеспечения бесконечного повторения проверка условия в таком цикле либо отсутствует (если позволяет синтаксис, как, например, в цикле LOOP…END LOOP языка Ада), либо заменяется константным значением (while true do … в Паскале). В языке С используется цикл for(;;) с незаполненными секциями.

Цикл с предусловием

Цикл с предусловием — цикл, который выполняется пока истинно некоторое условие, указанное перед его началом. Это условие проверяется до выполнения тела цикла, поэтому тело может быть не выполнено ни разу (если условие с самого начала ложно). В большинстве процедурных языков программирования реализуется оператором while, отсюда его второе название — while-цикл. На языке Pascal цикл с предусловием имеет следующий вид:

while <условие> do
begin   
  <тело цикла> 
end;

На языке Си:

while(<условие>)
{
   <тело цикла>
}

Цикл с постусловием

Цикл с постусловием — цикл, в котором условие проверяется после выполнения тела цикла. Отсюда следует, что тело всегда выполняется хотя бы один раз. В языке Паскаль этот цикл реализует оператор repeat..until; в Си — do…while.
На языке Pascal цикл с постусловием имеет следующий вид::

repeat
    <тело цикла>
until <условие выхода>

На языке Си:

do
{
    <тело цикла>
}
while(<условие продолжения цикла>)


В трактовке условия цикла с постусловием в разных языках есть различия. В Паскале и языках, произошедших от него, условие такого цикла трактуется как условие выхода (цикл завершается, когда условие истинно, в русской терминологии такие циклы называют ещё «цикл до»), а в Си и его потомках — как условие продолжения (цикл завершается, когда условие ложно, такие циклы иногда называют «цикл пока»).

Цикл с выходом из середины

Цикл с выходом из середины — наиболее общая форма условного цикла. Синтаксически такой цикл оформляется с помощью трёх конструкций: начала цикла, конца цикла и команды выхода из цикла. Конструкция начала маркирует точку программы, в которой начинается тело цикла, конструкция конца — точку, где тело заканчивается. Внутри тела должна присутствовать команда выхода из цикла, при выполнении которой цикл заканчивается и управление передаётся на оператор, следующий за конструкцией конца цикла. Естественно, чтобы цикл выполнился более одного раза, команда выхода должна вызываться не безусловно, а только при выполнении условия выхода из цикла.

Принципиальным отличием такого вида цикла от рассмотренных выше является то, что часть тела цикла, расположенная после начала цикла и до команды выхода, выполняется всегда (даже если условие выхода из цикла истинно при первой итерации), а часть тела цикла, находящаяся после команды выхода, не выполняется при последней итерации.

Легко видеть, что с помощью цикла с выходом из середины можно легко смоделировать и цикл с предусловием (разместив команду выхода в начале тела цикла), и цикл с постусловием (разместив команду выхода в конце тела цикла).

Часть языков программирования содержат специальные конструкции для организации цикла с выходом из середины. Так, в языке Ада для этого используется конструкция LOOP…END LOOP и команда выхода EXIT или EXIT WHEN:

LOOP
  ... Часть тела цикла
  EXIT WHEN <условие выхода>;
  ... Часть тела цикла
  IF <условие выхода> THEN 
    EXIT; 
  END;
  ... Часть тела цикла
END LOOP:

Здесь внутри цикла может быть любое количество команд выхода обоих типов. Сами команды выхода принципиально не различаются, обычно EXIT WHEN применяют, когда проверяется только условие выхода, а просто EXIT — когда выход из цикла производится в одном из вариантов сложного условного оператора.

В тех языках, где подобных конструкций не предусмотрено, цикл с выходом из середины может быть смоделирован с помощью любого условного цикла и оператора досрочного выхода из цикла (такого, как break в Си, exit в Турбо Паскале т. п.), либо оператора безусловного перехода goto.

Цикл со счётчиком

Цикл со счётчиком — цикл, в котором некоторая переменная изменяет своё значение от заданного начального значения до конечного значения с некоторым шагом, и для каждого значения этой переменной тело цикла выполняется один раз. В большинстве процедурных языков программирования реализуется оператором for, в котором указывается счётчик (так называемая «переменная цикла»), требуемое количество проходов (или граничное значение счётчика) и, возможно, шаг, с которым изменяется счётчик. Например, в языке Оберон-2 такой цикл имеет вид:

 FOR v := b TO e BY s DO
   ... тело цикла
 END

(здесь v — счётчик, b — начальное значение счётчика, e — граничное значение счётчика, s — шаг).

Неоднозначен вопрос о значении переменной по завершении цикла, в котором эта переменная использовалась как счётчик. Например, если в программе на языке Паскаль встретится конструкция вида:

i := 100;
for i := 0 to 9 do
begin
  ... тело цикла
end;
k := i;

возникает вопрос: какое значение будет в итоге присвоено переменной k: 9, 10, 100, может быть, какое-то другое? А если цикл завершится досрочно? Ответы зависят от того, увеличивается ли значение счётчика после последней итерации и не изменяет ли транслятор это значение дополнительно. Ещё один вопрос: что будет, если внутри цикла счётчику будет явно присвоено новое значение? Различные языки программирования решают данные вопросы по-разному. В некоторых поведение счётчика чётко регламентировано. В других, например, в том же Паскале, стандарт языка не определяет ни конечного значения счётчика, ни последствий его явного изменения в цикле, но не рекомендует изменять счётчик явно и использовать его по завершении цикла без повторной инициализации. Программа на Паскале, игнорирующая эту рекомендацию, может давать разные результаты при выполнении на разных системах и использовании разных трансляторов.

Радикально решён вопрос в языке Ада: счётчик считается описанным в заголовке цикла, и вне его просто не существует. Даже если имя счётчика в программе уже используется, внутри цикла в качестве счётчика используется отдельная переменная. Счётчику запрещено явно присваивать какие бы то ни было значения, он может меняться только внутренним механизмом оператора цикла. В результате конструкция

i := 100;
for i in (0..9) loop
  ... тело цикла
end loop;
k := i;

внешне аналогичная вышеприведённому циклу на Паскале, трактуется однозначно: переменной k будет присвоено значение 100, поскольку переменная i, используемая вне данного цикла, не имеет никакого отношения к счётчику i, который создаётся и изменяется внутри цикла. Подобное обособление счётчика удобно и безопасно: не требуется отдельное описание для него и минимальна вероятность случайных ошибок, связанных со случайным разрушением внешних по отношению к циклу переменных. Если программисту требуется включить в готовый код цикл со счётчиком, то он может не проверять, существует ли переменная с именем, которое он выбрал в качестве счётчика, не добавлять описание нового счётчика в заголовок соответствующей процедуры, не пытаться использовать один из имеющихся, но в данный момент «свободных» счётчиков. Он просто пишет цикл с переменной-счётчиком, имя которой ему удобно, и может быть уверен, что никакой коллизии имён не произойдёт.

Цикл со счётчиком всегда можно записать как условный цикл, перед началом которого счётчику присваивается начальное значение, а условием выхода является достижение счётчиком конечного значения; к телу цикла при этом добавляется оператор изменения счётчика на заданный шаг. Однако специальные операторы цикла со счётчиком могут эффективнее транслироваться, так как формализованный вид такого цикла позволяет использовать специальные процессорные команды организации циклов.

В некоторых языках, например, Си и других, произошедших от него, цикл for, несмотря на синтаксическую форму цикла со счётчиком, в действительности является циклом с предусловием. То есть в Си конструкция цикла:

for (i = 0; i < 10; ++i)
{
  ... тело цикла 
}

фактически представляет собой другую форму записи конструкции[1]:

i = 0;
while (i < 10)
{
  ... тело цикла 
  ++i;
}

То есть в конструкции for сначала пишется произвольное предложение инициализации цикла, затем — условие продолжения и, наконец, выполняемая после каждого тела цикла некоторая операция (это не обязательно должно быть изменение счётчика; это может быть правка указателя или какая-нибудь совершенно посторонняя операция). Для языков такого вида вышеописанная проблема решается очень просто: переменная-счётчик ведёт себя совершенно предсказуемо и по завершении цикла сохраняет своё последнее значение.

Совместный цикл

Ещё одним вариантом цикла является цикл, задающий выполнение некоторой операции для объектов из заданного множества, без явного указания порядка перечисления этих объектов. Такие циклы называются совместными (а также циклами по коллекции, циклами просмотра) и представляют собой формальную запись инструкции вида: «Выполнить операцию X для всех элементов, входящих во множество M». Совместный цикл, теоретически, никак не определяет, в каком порядке операция будет применяться к элементам множества, хотя конкретные языки программирования, разумеется, могут задавать конкретный порядок перебора элементов. Произвольность даёт возможность оптимизации исполнения цикла за счёт организации доступа не в заданном программистом, а в наиболее выгодном порядке. При наличии возможности параллельного выполнения нескольких операций возможно даже распараллеливание выполнения совместного цикла, когда одна и та же операция одновременно выполняется на разных вычислительных модулях для разных объектов, при том что логически программа остаётся последовательной.

Совместные циклы имеются в некоторых языках программирования (C#, Eiffel, Java, JavaScript, Perl, Python, PHP, LISP, Tcl и др.) — они позволяют выполнять цикл по всем элементам заданной коллекции объектов. В определении такого цикла требуется указать только коллекцию объектов и переменную, которой в теле цикла будет присвоено значение обрабатываемого в данный момент объекта (или ссылка на него). В различных языках программирования синтаксис оператора различен:

C++:

for (type &item : set) //поддерживается, начиная со стандарта C++11
{
    //использование item
}

C#:

foreach (type item in set) 
{
    //использование item
}

Delphi:

for item in [1..100] do
begin
  //Использование item (Работоспособность кода проверялась в Delphi 2010) 
end;

Perl (строгий порядок «от первого до последнего»):

foreach (@set) 
{
    #использование $_
}
# или
for (@set) 
{
    #использование $_
}
# или
foreach $item (@set) 
{
    #использование $item
}

Eiffel:

across set as cursor loop
    -- использование cursor.item
end

Java:

for (type item : set) 
{
    //использование item
}

JavaScript:

for (txtProperty in objObject)
  {
  /*
  использование:
  objObject [txtProperty]
  */
  }

PHP:

foreach ($arr as $item) {
    /* использование $item*/
}
//или
foreach ($arr as $key=>$value) {
    /* использование значений индекса $key и его значения $value*/
}

Visual Basic.NET:

For Each item As type In set
    'использование item
Next item


Windows PowerShell:

foreach ($item in $set) {
  # операции с $item
}

или

$set | ForEach-Object {
  # операции с $_
}

Python

for item in iterator_instance:
    # использование item

Досрочный выход и пропуск итерации

Многие языки программирования, имеющие в своём синтаксисе циклические конструкции, имеют также специфические команды, позволяющие нарушить порядок работы этих конструкций: команду досрочного выхода из цикла и команду пропуска итерации.

Досрочный выход из цикла

Команда досрочного выхода применяется, когда необходимо прервать выполнение цикла, в котором условие выхода ещё не достигнуто. Такое бывает, например, когда при выполнении тела цикла обнаруживается ошибка, после которой дальнейшая работа цикла не имеет смысла.

Команда досрочного выхода обычно называется EXIT или break, а её действие аналогично действию команды безусловного перехода (goto) на команду, непосредственно следующую за циклом, внутри которого эта команда находится. Так, в языке Си два нижеприведённых цикла работают совершенно одинаково:

// Применение оператора break
while(<условие>) {
  ... операторы
  if (<ошибка>) break;
  ... операторы
}
... продолжение программы
 
// Аналогичный фрагмент без break
while(<условие>) {
  ... операторы
  if (<ошибка>) goto break_label;
  ... операторы 
}
break_label:
... продолжение программы

В обоих случаях, если в теле цикла выполнится условие <ошибка>, будет произведён переход на операторы, обозначенные как «продолжение программы». Таким образом, оператор досрочного выхода из цикла, по сути, просто маскирует безусловный переход, однако использование break предпочтительнее, чем goto, поскольку поведение break чётко задано языком, потенциально менее опасно (нет, например, вероятности ошибиться с положением или названием метки). Кроме того, явный досрочный выход из цикла не нарушает принципов структурного программирования.

Обычный оператор досрочного выхода прерывает работу того цикла, в котором он непосредственно находится. В ряде языков программирования функциональность этого оператора расширена, он позволяет выходить из нескольких вложенных циклов (см. ниже). В таких случаях цикл, из которого требуется выйти, помечается меткой, а в операторе досрочного выхода указывается эта метка.

Пропуск итерации

Данный оператор применяется, когда в текущей итерации цикла необходимо пропустить все команды до конца тела цикла. При этом сам цикл прерываться не должен, условия продолжения или выхода должны вычисляться обычным образом.

В языке Си и его языках-потомках в качестве команды пропуска итерации используется оператор continue в конструкции цикла. Действие этого оператора аналогично безусловному переходу на строку внутри тела цикла, следующую за последней его командой. Например, код на Си, находящий сумму элементов массива и сумму всех положительных элементов массива, может иметь следующий вид:

int arr[ARRSIZE];
...
// Суммирование отдельно всех и только положительных
// элементов массива arr с применением continue.
int sum_all = 0;
int sum_pos = 0;
for (int i = 0 ; i < ARRSIZE; ++i)
{
    sum_all += arr[i];
    if (arr[i] <= 0) continue;
    sum_pos += arr[i];
}
 
// Аналогичный код c goto
int sum_all = 0;
int sum_pos = 0;
for (int i = 0 ; i < ARRSIZE; ++i)
{
    sum_all += arr[i];
    if (arr[i] <= 0) goto cont_label;
    sum_pos += arr[i];
cont_label:
}

Из второго фрагмента ясно видно, как работает continue: он просто передаёт управление за последнюю команду тела цикла, пропуская выполнение команды суммирования, если очередной элемент массива не удовлетворяет условию. Таким образом, в sum_pos накапливается сумма лишь положительных элементов массива.

Необходимость

С точки зрения структурного программирования команды досрочного выхода из цикла и продолжения итерации являются избыточными, поскольку их действие может быть легко смоделировано чисто структурными средствами. Более того, по мнению ряда теоретиков программирования (в частности, Эдсгера Дейкстры), сам факт использования в программе неструктурных средств, будь то классический безусловный переход или любая из его специализированных форм, таких как break или continue, является свидетельством недостаточно проработанного алгоритма решения задачи.

Однако на практике код программы часто является записью уже имеющегося, ранее сформулированного алгоритма, перерабатывать который нецелесообразно по чисто техническим причинам. Попытка заменить в таком коде команду досрочного выхода на структурные конструкции часто оказывается неэффективной или громоздкой. Например, вышеприведённый фрагмент кода с командой break может быть записан так:

// Досрочный выход из цикла без break
bool flag = false; // флаг досрочного завершения
while(<условие> && !flag) {
  ... операторы
  if (<ошибка>) {
    flag = true;
  } else {
    ... операторы
  }
}
... продолжение программы

Легко убедиться, что фрагмент будет работать аналогично предшествующим, разница лишь в том, что в месте проверки на ошибку вместо непосредственного выхода из цикла устанавливается флаг досрочного выхода, который проверяется позже в штатном условии продолжения цикла. Однако для отказа от команды досрочного выхода пришлось добавить в программу описание флага и вторую ветвь условного оператора, к тому же произошло «размытие» логики программы (решение о досрочном выходе принимается в одном месте, а выполняется в другом). В результате программа не стала ни проще, ни короче, ни понятнее.

Несколько иначе обстоит дело с командой пропуска итерации. Она, как правило, очень легко и естественно заменяется на условный оператор. Например, приведённый выше фрагмент суммирования массива можно записать так:

int arr[ARRSIZE];
...
// Суммирование отдельно всех и только положительных
// элементов массива arr с заменой continue
int sum_all = 0;
int sum_pos = 0;
for (int i = 0 ; i < ARRSIZE; ++i)
{
    sum_all += arr[i];
    if (arr[i] > 0) // Условие заменено на противоположное!
    {
      sum_pos += arr[i];
    }
}

Как видим, достаточно было заменить проверяемое условие на противоположное и поместить заключительную часть тела цикла в условный оператор. Можно заметить, что программа стала короче (за счёт удаления команды пропуска итерации) и одновременно логичнее (из кода непосредственно видно, что суммируются положительные элементы).

Кроме того, использование команды пропуска итерации в цикле с условием (while-цикле) может также спровоцировать неочевидную ошибку: если тело цикла, как это часто бывает, завершается командами изменения переменной (переменных) цикла, то команда пропуска итерации пропустит и эти команды тоже, в результате чего (в зависимости от условия, по которому происходит пропуск) может произойти зацикливание или не соответствующий алгоритму повтор итерации. Так, если заменить в вышеприведённом примере цикл for на while, получится следующее:

int arr[ARRSIZE];
...
int sum_all = 0;
int sum_pos = 0;
int i = 0;
while (i < ARRSIZE) // Цикл внешне аналогичен предыдущему for ...
{
    sum_all += arr[i];
    if (arr[i] <= 0) continue;
    sum_pos += arr[i];
    ++i; // ... но эта команда будет пропущена при выполнении continue 
         // и программа зациклится
}

Несмотря на свою ограниченную полезность и возможность замены на другие языковые конструкции, команды пропуска итерации и, особенно, досрочного выхода из цикла в отдельных случаях оказываются крайне полезны, именно поэтому они сохраняются в современных языках программирования.

Вложенные циклы

Существует возможность организовать цикл внутри тела другого цикла. Такой цикл будет называться вложенным циклом. Вложенный цикл по отношению к циклу в тело которого он вложен будет именоваться внутренним циклом, и наоборот цикл в теле которого существует вложенный цикл будет именоваться внешним по отношению к вложенному. Внутри вложенного цикла в свою очередь может быть вложен еще один цикл, образуя следующий уровень вложенности и так далее. Количество уровней вложенности, как правило, не ограничивается.

Полное число исполнений тела внутреннего цикла не превышает произведения числа итераций внутреннего и всех внешних циклов. Например взяв три вложенных друг в друга цикла, каждый по 10 итераций, получим 10 исполнений тела для внешнего цикла, 100 для цикла второго уровня и 1000 в самом внутреннем цикле.

Одна из проблем, связанных с вложенными циклами — организация досрочного выхода из них. Во многих языках программирования есть оператор досрочного завершения цикла (break в Си, exit в Турбо Паскале, last в Perl и т. п.), но он, как правило, обеспечивает выход только из цикла того уровня, откуда вызван. Вызов его из вложенного цикла приведёт к завершению только этого внутреннего цикла, внешний же цикл продолжит выполняться. Проблема может показаться надуманной, но она действительно иногда возникает при программировании сложной обработки данных, когда алгоритм требует немедленного прерывания в определённых условиях, наличие которых можно проверить только в глубоко вложенном цикле.

Решений проблемы выхода из вложенных циклов несколько.

  • Простейший — использовать оператор безусловного перехода goto для выхода в точку программы, непосредственно следующую за вложенным циклом. Этот вариант критикуется сторонниками структурного программирования, как и все конструкции, требующие использования goto. Некоторые языки программирования, например, Модула-2, просто, не имеют оператора безусловного перехода, и в них подобная конструкция невозможна.
  • Альтернатива — использовать штатные средства завершения циклов, в случае необходимости устанавливая специальные флаги, требующие немедленного завершения обработки. Недостаток — усложнение кода, снижение производительности.
  • Размещение вложенного цикла в процедуре. Идея состоит в том, чтобы всё действие, которое может потребоваться прервать досрочно, оформить в виде отдельной процедуры, и для досрочного завершения использовать оператор выхода из процедуры (если такой есть в языке программирования). В языке Си, например, можно построить функцию с вложенным циклом, а выход из неё организовать с помощью оператора return. Недостаток — выделение фрагмента кода в процедуру не всегда логически обосновано, и не все языки имеют штатные средства досрочного завершения процедур.
  • Воспользоваться механизмом генерации и обработки исключений (исключительных ситуаций), который имеется сейчас в большинстве языках высокого уровня. В этом случае в нештатной ситуации код во вложенном цикле возбуждает исключение, а блок обработки исключений, в который помещён весь вложенный цикл, перехватывает и обрабатывает его. Недостаток — реализация механизма обработки исключений в большинстве случаев такова, что скорость работы программы уменьшается. Правда, в современных условиях это не особенно важно: практически потеря производительности столь мала, что имеет значение лишь для очень немногих приложений.
  • Наконец, существуют специальные языковые средства для выхода из вложенных циклов. Так, в языке Ада программист может пометить цикл (верхний уровень вложенного цикла) меткой, и в команде досрочного завершения цикла указать эту метку. Выход произойдёт не из текущего цикла, а из всех вложенных циклов до помеченного, включительно[2]. Язык PHP предоставляет возможность указать число прерываемых циклов после команды break — так break 2 прервёт сам цикл и вышестоящий над ним, а break 1 эквивалентно простой записи команды break[3].

Циклы с несколькими охраняемыми ветвями

Цикл Дейкстры

В теории программирования известна ещё одна, принципиально отличающаяся от «классических», форма циклической конструкции, получившая название «цикл Дейкстры», по имени Эдсгера Дейкстры, впервые её описавшего. В классическом дейкстровском описании такой цикл выглядит следующим образом:

 do
   P1 → S1,
     …
   Pn → Sn
 od

Здесь do — маркер начала конструкции цикла, od — маркер завершения конструкции цикла, Pi — i-тое охраняющее условие (логическое выражение, которое может иметь значение «истинно» или «ложно»), Si — i-я охраняемая команда. Цикл состоит из одной или нескольких ветвей (охраняемых выражений), каждая из которых представляет собой пару из охраняющего условия (или, коротко, «охраны») и охраняемой команды (понятно, что в реальности команда может быть сложной).

При выполнении цикла Дейкстры в каждой итерации происходит вычисление охраняемых условий. Если хотя бы одно из них истинно, выполняется соответствующая охраняемая команда, после чего начинается новая итерация (если истинны несколько охраняемых условий, выполняется только одна охраняемая команда). Если все охраняемые условия ложны, цикл завершается. Нетрудно заметить, что цикл Дейкстры с одним охраняющим условием и одной охраняемой командой представляет собой, по сути, обычный цикл с предусловием (цикл «пока»).

Хотя цикл Дейкстры был изобретён ещё в 1970-х годах, специальных конструкций для его создания в языках программирования не содержится. Единственным исключением стал недавно созданный Оберон-07 — первый реальный язык программирования, явно поддерживающий цикл с несколькими охраняемыми ветвями. Впрочем, цикл Дейкстры может быть без больших затруднений смоделирован с помощью традиционных конструкций структурных языков программирования. Вот пример его реализации одним из возможных способов на языке Ада:

loop
  if P1 then 
    S1;
    ...
  elsif Pn then 
    Sn;
  else
    exit;
  end if;
end loop;

Здесь P1-Pn — охраняющие условия, а S1-Sn — соответствующие охраняемые команды.

Цикл Дейкстры удобен при реализации некоторых специфических повторяющихся вычислений, которые неудобно описывать с помощью более традиционных циклических конструкций. Например, этим циклом естественно представляется конечный автомат — каждая ветвь соответствует одному состоянию автомата, охраняемые условия строятся так, чтобы в текущей итерации выбиралась ветвь, соответствующая текущему состоянию автомата, а код охраняемой команды обеспечивает выполнение вычислений в текущем состоянии и переход в следующее (то есть такое изменение переменных, после которого на следующей итерации будет истинным охраняющее условие нужной ветви).

Цикл «паук»

Легко видеть, что цикл Дейкстры не содержит явного условия продолжения или выхода, что не всеми теоретиками программирования рассматривается как благо. Поэтому была предложена усложнённая конструкция цикла Дейкстры, получившая название «цикл-‘паук’». В той же нотации она выглядит следующим образом:

 do
   P1→S1,
     …
   Pn→Sn
 out
   Q1→T1,
     …
   Qn→Tn
 else
   E
 od

Здесь после маркера out добавлены ветви завершения, состоящие из условий выхода Qi и команд завершения Ti. Кроме того, добавлена ветвь альтернативного завершения else с командой E.

Цикл-‘паук’ выполняется так:

  • Вычисляются охраняющие условия. Если существует истинное охраняющее условие, выполняется соответствующая охраняемая команда.
  • Вычисляются условия выхода. Если существует истинное условие выхода, выполняется соответствующая команда завершения, после чего выполнение цикла заканчивается. Если все условия выхода ложны, начинается следующая итерация, но только в том случае, если в текущей итерации было истинным хотя бы одно из охраняющих условий.
  • Если в данной итерации оказались ложными и все охраняющие условия, и все условия выхода, выполняется команда альтернативного завершения E, после чего выполнение цикла прерывается.

Структура цикла-‘паука’ позволяет предельно строго описать условия выполнения цикла. Согласно теоретическим положениям, ветвь альтернативного завершения не должна использоваться в качестве одного из вариантов корректного прекращения работы цикла (все такие варианты должны быть оформлены в виде соответствующих ветвей завершения с явным условием), она служит только для того, чтобы отследить ситуацию, когда по каким-то причинам цикл начал выполняться нештатно. То есть команда альтернативного завершения может лишь анализировать причины ошибки и представлять результаты анализа.

Хотя явной поддержки на уровне синтаксиса для этого цикла не существует ни в одном языке программирования, цикл-‘паук’, как и цикл Дейкстры, может быть смоделирован с помощью традиционных структурных конструкций.

Интересные факты

  • Никлаус Вирт одно время называл цикл со счётчиком «маргинальным», утверждая, что такая конструкция является излишней и должна быть исключена из синтаксиса языков программирования как несистемная. В соответствии с этим представлением в языке программирования Оберон цикла со счётчиком не было. Однако в языке Оберон-2, созданном Виртом и Мёссенбёком в развитие Оберона, цикл со счётчиком FOR появился снова в интересах практического удобства использования[4].

См. также

Методы оптимизации циклов

Примечания

Ссылки

Циклические вычислительные процессы | Программирование для начинающих. Осваиваем язык Pascal

В программировании мы часто сталкиваемся с задачами, в которых встречается процессы, которые повторяются. Поэтому мы должны знать и уметь пользоваться таким понятием как «циклические вычислительные процессы».

Начинающему программисту будет просто разобраться в них, на обобщенном примере. Причем важно понимать, что во всех языках программирования существуют способы реализации циклов.

Что же такое цикл в программировании?

Цикл – в программировании называется многократное повторение одних и тех же действий или вычислений, но по одним и тес же зависимостям с различными значениями переменных.

С понятием цикл мы встречаемся не только в программировании. Во многих областях нашей жизни существуют циклы.

К примеру – круговорот воды в природе, это естественный цикл в нашей жизни.

А теперь рассмотрим общие правила и понятия используемые в вычислительных циклах.

Этапы циклического процесса

В общем случае цикл должен быть реализован за 4 этапа :
  • 1 этап – подготовка цикла (инициализация).
    Задание начального значения параметру и переменной цикла.
    Параметр цикла – эта величина, которая считает число шагов цикла (число повторений цикла).
    Переменная цикла – это величина, которая изменяет свое значение на каждом этапе цикла.
    Инициализация – это задание начальных значений параметру и переменной цикла.
  • 2 этап – тело цикла.
    Это многократное повторение действие в цикле или вычислений по одним и тем же математическим зависимостям с разными значениями переменных.
  • 3 этап – модификация (изменение) цикла.
  • 4 этап – управление циклом.
    Это проверка условия на продолжение или начало цикла. 
В pascal существует 3 оператора цикла, которые могут реализовать любую алгоритмически – циклическую структуру :
  1. Оператор цикла с параметром 
  2. Оператор цикла с предусловием 
  3. Оператор цикла с постусловием
Подробно их мы рассмотрим в следующих статья.

Циклы в Паскале

При решении задач может возникнуть необходимость повторить одни и те же действия несколько или множество раз. В программировании блоки кода, которые требуется повторять не единожды, оборачиваются в специальные конструкции – циклы. У циклов выделяют заголовок и тело. Заголовок определяет, до каких пор или сколько раз тело цикла будет выполняться. Тело содержит выражения, которые выполняются, если в заголовке цикла выражение вернуло логическую истину (True, не ноль). После того как достигнута последняя инструкция тела, поток выполнения снова возвращается к заголовку цикла. Снова проверяется условие выполнения цикла. В зависимости от результата тело цикла либо повторяется, либо поток выполнения переходит к следующему выражению после всего цикла.

В языке программирования Паскаль существует три вида циклических конструкций.

Цикл for

Часто цикл for называют циклом со счетчиком. Этот цикл используется, когда число повторений не связано с тем, что происходит в теле цикла. Т.е. количество повторений может быть вычислено заранее (хотя оно не вычисляется).

В заголовке цикла указываются два значения. Первое значение присваивается так называемой переменной-счетчику, от этого значения начинается отсчет количества итераций (повторений). Отсчет идет всегда с шагом равным единице. Второе значение указывает, при каком значении счетчика цикл должен остановиться. Другими словами, количество итераций цикла определяется разностью между вторым и первым значением плюс единица. В Pascal тело цикла не должно содержать выражений, изменяющих счетчик.

Цикл for существует в двух формах:

for счетчик:=значение to конечное_значение do 
     тело_цикла;
for счетчик:=значение downto конечное_значение do 
     тело_цикла;

Счетчик – это переменная любого из перечисляемых типов (целого, булевого, символьного, диапазонного, перечисления). Начальные и конечные значения могут быть представлены не только значениями, но и выражениями, возвращающими совместимые с типом счетчика типы данных. Если между начальным и конечным выражением указано служебное слово to, то на каждом шаге цикла значение параметра будет увеличиваться на единицу. Если же указано downto, то значение параметра будет уменьшаться на единицу.

Количество итераций цикла for известно именно до его выполнения, но не до выполнения всей программы. Так в примере ниже, количество выполнений цикла определяется пользователем. Значение присваивается переменной, а затем используется в заголовке цикла. Но когда оно используется, циклу уже точно известно, сколько раз надо выполниться.

var
    i, n: integer;
 
begin
    write ('Количество знаков: ');
    readln (n);
 
    for i := 1 to n do
        write ('(*) ');
 
readln
end.

Цикл while

Цикл while является циклом с предусловием. В заголовке цикла находится логическое выражение. Если оно возвращает true, то тело цикла выполняется, если false – то нет.

Когда тело цикла было выполнено, то ход программы снова возвращается в заголовок цикла. Условие выполнения тела снова проверяется (находится значение логического выражения). Тело цикла выполнится столько раз, сколько раз логическое выражение вернет true. Поэтому очень важно в теле цикла предусмотреть изменение переменной, фигурирующей в заголовке цикла, таким образом, чтобы когда-нибудь обязательно наступала ситуация false. Иначе произойдет так называемое зацикливание, одна из самых неприятных ошибок в программировании.

var
    i, n: integer;
 
begin
    write ('Количество знаков: ');
    readln (n);
 
    i := 1;
    while i <= n do begin
        write ('(*) ');
        i := i + 1
    end;
 
readln
end.

Цикл repeat

Цикл while может не выполниться ни разу, если логическое выражение в заголовке сразу вернуло false. Однако такая ситуация не всегда может быть приемлемой. Бывает, что тело цикла должно выполниться хотя бы один раз, не зависимо оттого, что вернет логическое выражение. В таком случае используется цикл repeat – цикл с постусловием.

В цикле repeat логическое выражение стоит после тела цикла. Причем, в отличие от цикла while, здесь всё наоборот: в случае true происходит выход из цикла, в случае false – его повторение.

var
    i, n: integer;
 
begin
    write ('Количество знаков: ');
    readln (n);
 
    i := 1;
    repeat
        write ('(*) ');
        i := i + 1
    until i > n;
 
readln
end.

В примере, даже если n будет равно 0, одна звездочка все равно будет напечатана.

Циклы — Pascal.Циклы

При решении большенства задач может возникнуть необходимость повторить одни и те же действия несколько или множество раз. Такой многократно повторяющийся участок вычислительного процесса называется циклом. У циклов выделяют заголовок и тело. Заголовок определяет, до каких пор или сколько раз тело цикла будет выполняться,а тело содержит выражения, которые выполняются. После того как достигнута последняя инструкция тела, поток выполнения снова возвращается к заголовку цикла. Снова проверяется условие выполнения цикла. В зависимости от результата тело цикла либо повторяется, либо поток выполнения переходит к следующему выражению после всего цикла.

В языке программирования Паскаль существует три вида циклических конструкций:

Рис 1.

Часто цикл for называют циклом со счетчиком. Этот цикл используется, когда число повторений не связано с тем, что происходит в теле цикла. Т.е. количество повторений может быть вычислено заранее (хотя оно не вычисляется).

В заголовке цикла указываются два значения. Первое значение присваивается так называемой переменной-счетчику, от этого значения начинается отсчет количества итераций (повторений). Отсчет идет всегда с шагом равным единице. Второе значение указывает, при каком значении счетчика цикл должен остановиться. Другими словами, количество итераций цикла определяется разностью между вторым и первым значением плюс единица. В Pascal тело цикла не должно содержать выражений, изменяющих счетчик.

Цикл for существует в двух формах:

for счетчик:=значение to конечное_значение do 

     тело_цикла;

for счетчик:=значение downto конечное_значение do 

     тело_цикла;

Счетчик – это переменная любого из перечисляемых типов (целого, булевого, символьного, диапазонного, перечисления). Начальные и конечные значения могут быть представлены не только значениями, но и выражениями, возвращающими совместимые с типом счетчика типы данных. Если между начальным и конечным выражением указано служебное слово to, то на каждом шаге цикла значение параметра будет увеличиваться на единицу. Если же указано downto, то значение параметра будет уменьшаться на единицу.

Количество итераций цикла for известно именно до его выполнения, но не до выполнения всей программы. Так в примере ниже, количество выполнений цикла опр

Центральный процессор — Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Процессор Pentium внутри компьютера

Центральный процессор ( CPU ) является важной частью каждого компьютера. [1] ЦП посылает сигналы для управления другими частями компьютера, почти так же, как мозг управляет телом. [2]

ЦП — это электронная машина, которая работает над списком компьютерных задач, который называется инструкциями . Он читает список инструкций и запускает ( выполняет ) каждую по порядку.Список инструкций, которые может выполнять ЦП, представляет собой компьютерную программу.

Тактовая частота или скорость внутренних частей процессора измеряется в герцах (Гц). Современные процессоры часто работают настолько быстро, что вместо них используются гигагерцы (ГГц). Один ГГц — это 1000000000 циклов в секунду.

Большинство процессоров, используемых в настольных (домашних) компьютерах, представляют собой микропроцессоры производства Intel или Advanced Micro Devices (обычно сокращенно AMD). Некоторые другие компании, производящие процессоры, — это ARM, IBM и AMD под управлением ATI Technologies, которая сейчас является лидером.Большинство их процессоров используются во встроенных системах для более специализированных задач, например, в мобильных телефонах, автомобилях, игровых консолях или в армии. [3]

В 20 веке инженеры изобрели множество различных компьютерных архитектур. В настоящее время большинство настольных компьютеров используют 32-разрядные или 64-разрядные процессоры. Инструкции в 32-битном ЦП хорошо справляются с обработкой данных размером 32 бита (большинство инструкций «думают» в 32-битном ЦП). Точно так же 64-битный ЦП хорош для обработки данных размером 64 бита (и часто хорош для обработки 32-битных данных).Размер данных, которые ЦП обрабатывает лучше всего, часто называют размером слова ЦП. Многие старые процессоры 70-х, 80-х и начала 90-х годов (и многие современные встроенные системы) имеют размер слова 8 или 16 бит. Когда в середине 20 века были изобретены процессоры, в них было слово разных размеров. У некоторых были разные размеры слов для инструкций и данных. Позже перестали использоваться менее популярные размеры слов.

Большинство процессоров — это микропроцессоры. Это означает, что ЦП — это всего лишь один чип.Некоторые микросхемы с микропроцессорами внутри содержат также другие компоненты и представляют собой законченные однокристальные «компьютеры». Это называется микроконтроллером.

Когда ЦП запускает компьютерную программу, ему нужно где-то хранить данные, с которыми работают инструкции (данные, которые они читают и записывают). Это хранилище называется регистром . ЦП обычно имеет много регистров. Доступ к регистрам должен быть очень быстрым (для чтения и записи). Следовательно, они являются частью самой микросхемы ЦП.

Хранение всех данных в регистрах сделало бы большинство процессоров слишком сложными (и очень дорогими). Следовательно, регистры обычно хранят только данные, с которыми ЦП работает «прямо сейчас». Остальные данные, используемые программой, хранятся в RAM (памяти). За исключением микроконтроллеров, оперативная память обычно хранится вне процессора в отдельных микросхемах.

Когда ЦП хочет прочитать или записать данные в ОЗУ, он выводит для этих данных адрес . Каждый байт в ОЗУ имеет адрес памяти. Размер адресов часто совпадает с размером слова: 32-битный процессор использует 32-битные адреса и т. Д.Однако меньшие по размеру процессоры, например 8-битные, часто используют адреса, превышающие размер слова. В противном случае максимальная длина программы была бы слишком короткой.

Поскольку размер адресов ограничен, максимальный объем памяти также ограничен. 32-разрядные процессоры обычно могут обрабатывать только до 4 ГБ ОЗУ. Это количество различных байтов, которые могут быть выбраны с помощью 32-битного адреса (каждый бит может иметь два значения — 0 и 1 — и 2 32 байтов составляет 4 ГБ). 64-битный процессор может обрабатывать до 16 ЭБ ОЗУ (16 эксабайт, около 16 миллиардов ГБ или 16 миллиардов миллиардов байт).Операционная система может ограничить использование меньших сумм.

Информация, которая хранится в RAM, обычно непостоянна. Это означает, что он исчезнет, ​​если компьютер выключится.

На современных компьютерах ОЗУ намного медленнее, чем регистры, поэтому доступ к ОЗУ замедляет работу программ. Чтобы ускорить доступ к памяти, более быстрый тип памяти, называемый кеш-памятью , часто помещается между ОЗУ и основными частями ЦП. Кэш обычно является частью самого чипа ЦП и стоит намного дороже, чем ОЗУ.В кеше хранятся те же данные, что и в ОЗУ, но обычно он намного меньше. Следовательно, все данные, используемые программой, могут не поместиться в кеш. Кеш пытается хранить данные, которые, вероятно, будут часто использоваться. Примеры включают недавно использованные данные и данные, близкие в памяти к недавно использованным данным.

Часто имеет смысл иметь «кэш для кэша», так же как имеет смысл иметь кэш для RAM. В многоуровневом кэшировании есть много кешей, называемых кешем L1, кешем L2 и так далее.Кэш L1 является самым быстрым (и самым дорогим из расчета на один байт) кешем и является «ближайшим» к ЦП. Кэш L2 находится на расстоянии одного шага и работает медленнее, чем кеш L1 и т. Д. Кэш L1 часто можно рассматривать как кеш для кеша L2 и т. Д.

Компьютерные шины — это провода, используемые ЦП для связи с ОЗУ и другими компонентами компьютера. Почти все ЦП имеют по крайней мере шину данных , используемую для чтения и записи данных, и адресную шину , , используемую для вывода адресов. Другие шины внутри ЦП передают данные в разные части ЦП.

Набор команд (также называемый ISA — Instruction Set Architecture) — это язык, понятный непосредственно конкретному процессору. Эти языки также называются машинным кодом или двоичным кодом. Они говорят, как вы приказываете процессору делать разные вещи, например загружать данные из памяти в регистр или складывать значения из двух регистров. Каждая инструкция в наборе инструкций имеет кодировку, то есть как инструкция записывается как последовательность битов.

Программы, написанные на таких языках программирования, как C и C ++, не могут запускаться непосредственно центральным процессором.Они должны быть переведены в машинный код, прежде чем ЦП сможет их запустить. Компилятор — это компьютерная программа, которая выполняет этот перевод.

Машинный код — это просто последовательность нулей и единиц, что затрудняет его чтение людьми. Чтобы сделать его более читабельным, программы с машинным кодом обычно пишутся на ассемблере . В языке ассемблера вместо нулей и единиц используется текст: вы можете написать «LD A, 0», чтобы, например, загрузить значение 0 в регистр A. Программа, переводящая язык ассемблера в машинный код, называется ассемблером .

Вот некоторые из основных функций процессора:

  • Считывание данных из памяти и запись данных в память.
  • Добавьте одно число к другому.
  • Проверить, не превышает ли одно число другое.
  • Перемещает число из одного места в другое (например, из одного регистра в другой или между регистром и памятью).
  • Перейти в другое место в списке инструкций, но только если какой-то тест верен (например, только если одно число больше другого).

Даже очень сложные программы можно создать, комбинируя множество таких простых инструкций. Это возможно, потому что выполнение каждой инструкции занимает очень короткое время. Многие процессоры сегодня могут выполнять более 1 миллиарда (1 000 000 000) инструкций за одну секунду. В общем, чем больше ЦП может сделать за определенный промежуток времени, тем он быстрее. Один из способов измерить скорость процессора — MIPS (миллион инструкций в секунду). Flops (число операций с плавающей запятой в секунду) и тактовая частота процессора (обычно измеряемая в гигагерцах) также являются способами измерения того, сколько работы процессор может выполнить за определенное время.

ЦП построен из логических вентилей; у него нет движущихся частей. ЦП компьютера связан электронным образом с другими частями компьютера, такими как видеокарта или BIOS. Компьютерная программа может управлять этими периферийными устройствами, считывая или записывая числа в специальные места в памяти компьютера.

Каждая инструкция, выполняемая ЦП, обычно выполняется в несколько этапов. Например, шаги для выполнения инструкции «INC A» (увеличение значения, хранящегося в регистре A, на единицу) на простом процессоре могут быть следующими:

  • Прочитать инструкцию по памяти,
  • декодирует инструкцию (выясняет, что делает инструкция), а
  • добавить единицу в регистр A.

Различные части ЦП выполняют разные функции. Часто можно выполнять несколько шагов из разных инструкций одновременно, что ускоряет работу ЦП. Например, мы можем прочитать инструкцию из памяти одновременно с декодированием другой инструкции, поскольку в этих шагах используются разные модули. Это можно представить как одновременное наличие множества инструкций «внутри конвейера». В лучшем случае все модули работают сразу по разным инструкциям, но это не всегда возможно.

Блоки управления памятью (MMU) и виртуальная память [изменение | изменить источник]

Современные процессоры часто используют блок управления памятью (MMU). MMU — это компонент, который преобразует адреса ЦП в (обычно) разные адреса ОЗУ. При использовании MMU используемые в программе адреса (обычно) не являются «реальными» адресами, по которым хранятся данные. Это называется виртуальной (противоположной «реальной») памятью. Ниже перечислены некоторые из причин, по которым использование MMU — это хорошо:

  • MMU может «скрыть» память других программ от программы.Это достигается тем, что никакие адреса не преобразуются в «скрытые» адреса во время работы программы. Это хорошо, потому что это означает, что программы не могут читать и изменять память других программ, что повышает безопасность и стабильность. (Программы не могут «шпионить» друг за другом или «наступать друг другу на пятки».)
  • Многие MMU могут сделать некоторые части памяти недоступными для записи, нечитаемыми или неисполняемыми (то есть код, хранящийся в этой части памяти, не может быть запущен). Это может быть полезно по соображениям стабильности и безопасности, а также по другим причинам.
  • Модули MMU
  • позволяют различным программам иметь разные «представления» памяти. Это удобно во многих различных ситуациях. Например, всегда можно будет иметь «основной» код программы по одному и тому же (виртуальному) адресу без столкновения с другими программами. Это также удобно, когда есть много разных фрагментов кода (из библиотек ), которые используются программами совместно.
  • Модули MMU
  • позволяют коду из библиотек появляться по разным адресам при каждом запуске программы.Это хорошо, потому что незнание того, где что-то находится в памяти, часто мешает хакерам заставить программы делать плохие вещи. Это называется рандомизацией адресного пространства .
  • Продвинутые программы и операционные системы могут использовать уловки с MMU, чтобы избежать копирования данных между разными местами памяти.

Многоядерные процессоры стали обычным явлением в начале 21 века. Это означает, что у них есть много процессоров, встроенных в один и тот же чип, так что они могут выполнять множество инструкций одновременно.Некоторые процессоры могут иметь до тридцати двух ядер, например AMD Epyc 7601. [4]

Компьютерные процессоры производят следующие компании:

.

Центральный процессор (ЦП) | Что, определение и резюме

Кандидаты должны уметь:

  • указать назначение ЦП
  • описывают функцию ЦП как выборку и выполнение инструкций, хранящихся в памяти
  • объясняет, как общие характеристики процессоров, такие как тактовая частота, размер кеш-памяти и количество ядер, влияют на их производительность.

Каково назначение и функция ЦП?

  • Назначение процессора C entral P U nit ( CPU ) — выполнение программных инструкций .Каждый ЦП предназначен для выполнения определенной группы инструкций, набора инструкций .
Типичный ЦП, перевернутый, чтобы показать контакты, которые соединяют его с материнской платой

Для достижения этой цели ЦП выполняет серию функций в непрерывном цикле .

1 — Шаг выборки:

  • Это включает в себя извлечение инструкции из адреса памяти и сохранение ее в регистре Current Instruction .
  • Адрес инструкции хранится в другом регистре, который называется Program Counter (PC). После получения инструкции ПК обновляется, поэтому ЦП знает адрес следующей инструкции, которую он должен выбрать.

2 — Шаг декодирования:

  • Это включает в себя то, что ЦП идентифицирует часть кода операции (код операции) инструкции, которая сообщает ему, какую операцию выполнить. Если код операции требует, чтобы ЦП воздействовал на некоторые данные, тогда вторая часть инструкции будет содержать либо данные, либо адрес памяти, где они хранятся.

3 — Шаг выполнения:

  • На этом этапе блок управления связывает вместе части ЦП, которые необходимы для фактического выполнения (выполнения) инструкции .
  • Примеры :
    • Если инструкция включает целочисленные арифметические или логические операции, тогда арифметико-логический блок (ALU) должен быть подключен к соответствующим ячейкам памяти, чтобы:
      • Данные для расчета могут быть переданы по шине данных с по ALU в качестве входа .
      • АЛУ может выполнить требуемую операцию
      • Результат операции затем может быть передан из ALU по шине данных как выход .
    • Некоторые типы команд изменяют программный счетчик , а не данные. Это позволяет программам выполнять итерационные циклы и условное выполнение программы, а не последовательно выполнять инструкции.
    • Некоторые инструкции изменяют состояние однобитовых регистров флагов .Эти регистры ИСТИНА / ЛОЖЬ используются для указания результата этапа выполнения, например, флаг может быть установлен в ИСТИНА, если два числа сравниваются и оказываются равными, или если вычитание дает нулевой или отрицательный результат.
    • Некоторые инструкции включают в себя дополнительный этап обратной записи , если данные записываются обратно в RAM.

Какие компоненты типичного процессора?

Существуют огромные различия в конструкциях ЦП, но большинство из них будут использовать следующие ключевые компоненты:
Электронные часы , которые регулируют скорость, с которой ЦП выполняет цикл выборки / декодирования / выполнения, а также синхронизируют все различные компоненты компьютера. .

  • Чем выше тактовая частота, тем больше инструкций ЦП может выполнять в секунду.
  • Тактовая частота (и, следовательно, скорость процессора) измеряется в мегагерцах (МГц).

Блок управления , который выполняет задачи по выборке, декодированию и управлению выполнением инструкций и сохранением результатов. Он делает это в основном за счет управления связями между другими компонентами ЦП. Он также содержит различные регистры, такие как:

  • Счетчик программ , в котором хранится адрес памяти следующей инструкции.
  • регистр Current Instruction , в котором хранится инструкция, которая выполняется в данный момент.

Блок команд, который состоит из:

  • Арифметико-логический блок (ALU), который выполняет основных арифметических и логических операций над целочисленными данными, с которыми он связан. Примеры таких операций включают:
    • Целочисленные арифметические операции (сложение, вычитание)
    • Логические операции (И, НЕ, ИЛИ, XOR)
  • Модуль с плавающей запятой (FPU), который выполняет математические функции с числами с плавающей запятой (нецелыми числами).
  • Различные регистры, такие как накопитель , которые используются для временного хранения данных во время выполнения инструкций.

Шины , представляющие собой набор крошечных параллельных проводов, по которым передаются данные между компонентами ЦП, а также между ЦП и внешними устройствами и ОЗУ. 32-проводная шина может нести 32-битный адрес памяти или 32-битный элемент данных. Три основных типа автобусов:

  • адресных шин — используется для установки адреса памяти , с которым связан компонент ЦП для операции чтения / записи.
  • шины данных — используются для обмена данными между адресом памяти и ЦП, когда выполняется операция чтения / записи.
  • шины управления — используются для передачи кодов команд и возврата сигналов состояния между компонентами ЦП и внешними устройствами.

Блок управления шиной , который управляет передачей данных по внешним соединениям шины, включая связи с ОЗУ.

Упрощенная диаграмма, показывающая большинство основных структур типичного ЦП

Как характеристики ЦП влияют на его производительность?

Тактовая частота:

Диаграмма, представляющая выход тактовой частоты ЦП
  • Это частота , с которой ЦП работает и управляется электронными часами, встроенными в ЦП. Частота этих тактовых импульсов измеряется в герцах (Гц), поэтому процессор с тактовой частотой 900 МГц выполняет 900 миллионов тактовых циклов в секунду.
  • Несколько инструкций, что процессы ЦП фактически завершаются за один тактовый цикл и фактическое количество необходимых циклов будет зависеть от конструкции ЦП (это означает, что сравнение одного ЦП с другим только по тактовой частоте может быть слишком упрощенным) .

РЕЗЮМЕ: ЦП с высокой тактовой частотой будет обрабатывать больше инструкций в секунду и, следовательно, будет иметь более высокую производительность, чем эквивалентный ЦП с более низкой тактовой частотой.

Размер кэша:

  • Если ЦП может обрабатывать инструкции и данные быстрее, чем они могут быть извлечены или обменены с ОЗУ, то ЦП фактически бездействует в течение некоторых тактовых циклов. Одно из решений — встроить в ЦП очень быструю кэш-память и использовать ее в качестве буфера.

РЕЗЮМЕ. Чем больше размер кэша, тем выше производительность ЦП, поскольку ЦП будет тратить меньше времени на доступ к ОЗУ, поэтому программы будут выполняться быстрее.

Количество ядер:

  • Изначально процессоры имели только одно ядро, поэтому могли обрабатывать только одну инструкцию за раз. Многоядерный процессор состоит из двух или более независимых процессоров (называемых ядрами).
  • Двухъядерный процессор содержит два ядра, а четырехъядерный процессор содержит четыре ядра. Каждое ядро ​​может обрабатывать инструкции независимо от других ядер.
  • Наибольший прирост производительности при использовании многоядерного процессора достигается тогда, когда программное обеспечение специально написано для работы на нескольких ядрах.

РЕЗЮМЕ: Многоядерный ЦП будет иметь более высокую производительность, чем одноядерный ЦП с той же тактовой частотой.


Общая информация

Снижение производительности ЦП Более высокая производительность процессора
Низкая тактовая частота Высокая тактовая частота
Маленький кэш или его нет Большой многоуровневый кэш
Одноядерный Multi -жильный
.

G84 G-Code: Программирование циклов нарезания резьбы в ЧПУ

Учебное пособие по G-коду CNCCookbook

Введение: Нарезание резьбы на станках с ЧПУ с G84

Код

G84 g обычно используется для программирования постукивания. Нарезание резьбы — это обычная операция, используемая для нарезания отверстий на станках с ЧПУ. Дополнительную информацию о каналах и скоростях, а также о различных типах кранов и держателей кранов см. В нашей сопутствующей статье «Подачи и скорости нажатия». В этой статье мы рассмотрим два способа программирования нарезания резьбы на ЧПУ:

— Циклы нарезания резьбы, которые могут использовать возможности жесткого нарезания резьбы вашего станка с ЧПУ.

— Программирование длинной формы (постоянный цикл не требуется и не используется), когда на машинах, не имеющих жесткого нарезания резьбы, должны использоваться резьбонарезная головка или держатель для метчиков растяжения-сжатия.

Как программировать жесткое нарезание резьбы с помощью постоянного цикла G84

Для использования жесткого нарезания резьбы ваш станок должен поддерживать синхронизацию движения подачи со скоростью шпинделя. Обычно это дополнительная опция для станков с ЧПУ, и ее труднее найти на старых станках. Наиболее распространенные коды GC для циклов нарезания резьбы с жесткой рамой:

— G84 Код G: Нарезание правой резьбы должно выполняться с вращением шпинделя M3.

— G74 G-код: Нарезание левой резьбы должно выполняться с вращением шпинделя M4.

Для некоторых станков и устройств управления просто использовать эти циклы достаточно для нарезания резьбы с жесткой резьбой. На других вы должны активировать режим движения с жестким постукиванием, используя другой код. M29 — это обычный способ сделать это, например, на элементах управления Fanuc.

Допустим, мы хотим нарезать резьбу 1 / 4-20 глубиной 0,500 дюйма на 0, 0. Вот код, чтобы сделать это с G84 G Code:

M03
M8

(скорость и подача)
S400
F20

(Нарезание резьбы)
Z1.0
G00 X0.0 Y0.0
G01 M29
G84 Z-0.5 R0.2

Пройдемся построчно:

M03, чтобы шпиндель двигался в правильном направлении, и M8, чтобы включить охлаждающую жидкость. Затем мы устанавливаем скорость шпинделя на 400 об / мин и скорость подачи на 20. В этом конкретном цикле ожидается скорость подачи в резьбах на дюйм (или мм в метрическом режиме).

Затем мы переходим к Сохранить Z и XY. Мы переключаемся на G01 и используем M29 для включения жесткого нарезания резьбы. Наконец, мы запускаем G84, где Z указывает координату дна отверстия, а R указывает координату отвода.

Если бы у нас было больше отверстий для простукивания, мы могли бы сразу перечислить их координаты XY следующим образом:

G84 Z-0.5 R0.2

X0.0 Y1.0

X0.0 Y2.0

и т. Д.

G-код

G84 является модальным, как и большинство постоянных циклов. Когда мы закончили с этим, мы используем G80 для отмены или просто переключения в альтернативный режим движения, такой как G00, G01, другой постоянный цикл или дуга.

Довольно просто с постоянным циклом, правда?

Этот код взят прямо из Мастера нарезания резьбы с ЧПУ G-Wizard Editor, который может очень легко сгенерировать gcodes для таких циклов.Вот как выглядит всплывающее окно мастера с настройками для этого примера:

Ответьте на несколько простых вопросов, и диалоговое ЧПУ G-Wizard Editor сгенерирует для вас код нажатия …

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Theme: Overlay by Kaira Extra Text
Cape Town, South Africa