Toiminnallisuuden toistaminen

Tietokoneen supertaidot: toiminnallisuuden toistaminen

Olemme tähän mennessä oppineet kirjoittamaan ja lukemaan, käsittelemään muuttujia sekä laskemaan, ja toteuttamaan ohjelmia, jotka sisältävät vaihtoehtoista toiminnallisuutta. Näillä taidoilla pystyy tekemään jo hyvin laajojakin ohjelmia.

Monta kertaa saman asian tekevä ohjelma, kuten vaikkapa monta lukua summan laskemiseen käytettävä ohjelma sisältää nykyisillä taidoillamme melko paljon toisteista toiminnallisuutta tai copy-pastettua koodia.

Tarkastellaan tilannetta alla olevan esimerkin kautta. Alla oleva ohjelma kysyy käyttäjältä neljä lukua ja tulostaa niiden summan.

import 'dart:io';

main() {
  var summa = 0;
  
  print('Syötä luku');
  var luku = int.parse(stdin.readLineSync()!);
  summa = summa + luku;
  
  print('Syötä luku');
  luku = int.parse(stdin.readLineSync()!);
  summa = summa + luku;

  print('Syötä luku');
  luku = int.parse(stdin.readLineSync()!);
  summa = summa + luku;

  print('Syötä luku');
  luku = int.parse(stdin.readLineSync()!);
  summa = summa + luku;

  print('Syötettyjen lukujen summa on $summa');  
}

Huomaamme ohjelmassa toisteisuutta. Alla oleva luvun kysymiseen ja luvun summaan lisäämiseen käytettävä osa toistuu lähdekoodissa monta kertaa.

print('Syötä luku');
luku = int.parse(stdin.readLineSync()!);
summa = summa + luku;

Tutustutaan seuraavaksi toistolauseeseen. Toistolause (loop) on rakenne, jonka avulla määritellään ohjelmakoodia, jota toistetaan kunnes jokin tietty ehto täyttyy. Toistolauseet jaetaan kahteen kategoriaan niiden päättymisen perusteella: (1) toistolauseet, joissa toistojen määrä on rajattu, ja (2) toistolauseet, joiden toistomäärällä ei ole ylärajaa.

Toistolause mahdollistaa ohjelman osan (lohkon) uudelleen ja uudelleen suorittamisen. Toistolauseissa on tyypillisesti ehto, jonka perusteella päätetään jatketaanko toistolauseen lohkon suoritusta, vai siirrytäänkö toistolausetta seuraavaan lähdekoodiin.

Rajatun määrän toistoja sisältävät toistolauseet

Rajattu määrä toistokertoja toteutetaan for-toistolauseen avulla. Alla olevassa esimerkissä lasketaan lukujen 0..9 summa ja tulostetaan se.

Lukujen 0...9 summa on 45.

Toistolause for koostuu kolmesta osasta sekä toistettavan lähdekoodin sisältävästä lohkosta. Toistolauseen osa var i = 0; alustaa toistolauseen toistokertojen laskemiseen käytetyn muuttujan nimeltä i. Toistolauseen osa i < 10; määrittelee toistokertojen rajausehdon. Kun toistolauseen suoritus pääsee lohkon loppuun, toistolause aloitetaan alusta mikäli ehdossa määritelty lauseke i < 10; evaluoituu todeksi. Toistolauseen osa i++ määrittelee mitä toistolauseen alustuksessa määritellylle muuttujalle i tehdään toistolauseen lopussa -- i++ kasvattaa muuttujan i arvoa yhdellä.

Kun ohjelman suoritus siirtyy for-toistolauseeseen, ensin alustetaan toistomuuttuja. Tämän jälkeen tarkastellaan rajausehdon, jonka perusteella päätetään jatketaanko toistolauseen suoritusta. Mikäli rajausehto evaluoituu epätodeksi, siirrytään toistolausetta seuraavaan lauseeseen. Mikäli evaluaation tulos on totta, siirrytään suorittamaan toistolauseen lohkoon määriteltävää lähdekoodia. Kun toistolauseen lohkon lähdekoodi on suoritettu, käsitellään toistomuuttujan muutos, jonka jälkeen siirrytään uudelleen rajausehdon tarkasteluun. Ohjelman suoritus jatkuu, riippuen rajausehdon evaluaatiosta, joko toistolausetta seuraavaan lähdekoodiin tai toistolauseen lohkoon.

Edellä olevassa esimerkissä toistolauseen lisäksi ohjelman alussa määritellään muuttuja summa, joka pitää kirjaa syötettyjen lukujen summasta. Mikäli muuttuja summa määriteltäisiin toistolauseeseen kuuluvassa lohkossa, se alustettaisiin uudestaan jokaisen toistokierroksen alussa, eikä muuttuja olisi olemassa lohkon jälkeen.

Toistolauseen alustuksen (esim var i = 0;), rajausehdon (esim i < 10;), sekä alustetun muuttujan muutoksen (esim i++) voi määritellä käytännössä millä tahansa tavalla. Alla olevassa esimerkissä tulostetaan luvun 2 potenssit lukuun 256 asti.

main() {
  for (var i = 1; i <= 256; i = i * 2) {
    print('$i');
  } 
}

1
2
4
8
16
32
64
128
256

main() {
  for (var i = 5; i >= 0; i--) {
    print('$i');
  }
}

5
4
3
2
1
0

Toistolausetta for käyttämällä aiemmin tarkasteltu neljän luvun summan laskeva ohjelma on suoraviivaisempi toteuttaa. Alla olevassa esimerkissä luvun lukemiseen ja luvun summaamiseen liittyvä lähdekoodi esiintyy vain kerran. Se suoritetaan kuitenkin neljä kertaa, sillä se on neljä kertaa suoritettavan toistolauseen sisällä.

Yllä olevassa esimerkissä lukujen summan laskemiseen käytetty ohjelma kysyy aina neljä lukua. Voimme vaikuttaa luettavien lukujen lukumäärään muokkaamalla toistolauseen toistoehtoa sopivasti. Alla olevassa esimerkissä käyttäjältä kysytään luettavien lukujen lukumäärä, jonka jälkeen luvut luetaan.

Nyt ohjelma lukee käyttäjän määrittelemän määrän lukuja.

Kuinka monta lukua luetaan?
3
Syötä luku.
12
Syötä luku.
18
Syötä luku.
12
Syötettyjen lukujen summa on 42

Kuinka monta lukua luetaan?
2
Syötä luku.
18
Syötä luku.
21
Syötettyjen lukujen summa on 39

Ikuisesti jatkuvat toistolauseet

Edellä kuvattu for-toistolause sopii tilanteisiin, missä toistokertojen määrä on ennalta rajattu. Tarkastellaan seuraavaksi toistolausetta, jota käytetään mikäli toistokertojen määrä ei ole ennalta tiedossa.

Toistolauseet, joiden toistojen määrällä ei ole ylärajaa, noudattavat while - true - break-rakennetta. Toistolause määritellään avainsanalla while (jatka kunnes), johon yhdistetään avainsana true, jolloin lause on muotoa jatka ikuisesti. Toistolauseesta poistumista kontrolloidaan erillisellä avainsanalla break -- kun ohjelman suoritus kohtaa toistolauseen lohkossa avainsanan break, toistolauseen suoritus keskeytetään ja suoritus siirtyy toistolausetta seuraavaan lauseeseen. Tällaisen while - true - break -toistolauseen rakenne on seuraava.

Toistolause, joka on toteutettu while - true - break, suorittaa siihen kuuluvaa lohkoa alusta loppuun yhä uudestaan ja uudestaan. Ohjelman suoritus siirtyy toistolausetta seuraavaan lähdekoodiin kun toistolauseen lohkossa suoritetaan break-komento.

Lähdekoodina tällainen ohjelma näyttää esimerkiksi seuraavalta.

Yllä oleva ohjelma kysyy käyttäjältä lukuja kunnes käyttäjä syöttää luvun 0. Tämän jälkeen ohjelma tulostaa syötettyjen lukujen summan. Ohjelman esimerkkisuoritus voi olla vaikkapa seuraavanlainen.

Syötä luku.
3
Syötä luku.
4
Syötä luku.
-1
Syötä luku.
9
Syötä luku.
0
Syötettyjen lukujen summa on 15.

Yhteenvetona toistolauseen osat ovat seuraavat.

main() {
  while (true) {
    print('Ikuinen toistolause!');
  }
}

Komennon break lisäksi toistolauseiden suoritukseen voidaan vaikuttaa komennolla continue. Komento continue siirtää toistolauseen suorituksen takaisin toistolauseen alkuun.

While - true - break -rakennetta noudattavassa toistolauseessa voi käyttää ohjelman suorituksen toistolausetta seuraavaan lauseeseen siirtävän break-komennon lisäksi continue-komentoa. Kun continue-komento suoritetaan, ohjelman suoritus palaa toistolauseen alkuun.

Alla olevassa esimerkissä on toteutettuna ohjelma, joka kysyy käyttäjältä syötteitä kunnes käyttäjä syöttää luvun 0. Kaikki nollaa pienemmät eli negatiiviset luvut jätetään huomiotta, tai toisin sanoen, kun käyttäjä syöttää negatiivisen luvun, toistolauseen suoritus päätyy toistolauseen sisällä continue-komentoon ja siitä takaisin toistolauseen alkuun. Kun toistolauseen suoritus päättyy (eli käyttäjä syöttää luvun 0), ohjelma tulostaa nollaa suurempien syötettyjen lukujen summan.

Alla on esimerkki ohjelman suorituksesta.

Syötä luku.
3
Syötä luku.
4
Syötä luku.
-1
Syötä luku.
9
Syötä luku.
0
Positiivisten lukujen summa on 16.

Toistolauseet yhdessä

Joskus ohjelmissa tarvitaan kumpaakin toistolausetta. Alla olevassa ohjelmassa käyttäjältä kysytään positiivista lukua. Mikäli käyttäjä ei syötä positiivista lukua, lukua kysytään uudestaan. Tämän jälkeen tulostetaan kaikki luvut käyttäjän syöttämästä luvusta nollaan.

Syötä positiivinen luku.
-3
Epäkelpo luku: -3
Syötä positiivinen luku.
0
Epäkelpo luku: 0
Syötä positiivinen luku.
5
Syötit luvun 5.
Tulostetaan luvut luvusta 5 lukuun 0.
5
4
3
2
1
0