計算機程式的思維邏輯 (9) - 條件執行的本質

本系列文章經補充和完善，已修訂整理成書《Java程式設計的邏輯》（馬俊昌著），由機械工業出版社華章分社出版，於2018年1月上市熱銷，讀者好評如潮！各大網店和書店有售，歡迎購買：京東自營連結

條件執行

前面幾節我們介紹瞭如何定義資料和進行基本運算，為了對資料有透徹的理解，我們介紹了各種型別資料的二進位制表示。

現在，讓我們回顧程式本身，只進行基本操作是不夠的，為了進行有現實意義的操作，我們需要對操作的過程進行流程控制。流程控制中最基本的就是條件執行，也就 是說，某些操作只能在某些條件滿足的情況下才執行，在一些條件下執行某種操作，在另外一些條件下執行另外某種操作。這與交通控制中的紅燈停、綠燈行條件執行是類似的。

Java中表達這種流程控制的基本語法是If語句。

if

if的語法為:

if(條件語句){
  程式碼塊
}
複製程式碼

或

if(條件語句) 程式碼; 
複製程式碼

它表達的含義也非常簡單，只在條件語句為真的情況下，才執行後面的程式碼，為假就不做了。具體來說，條件語句必須為布林值，可以是一個直接的布林變數，也可以是變數運算後的結果，我們在第3節介紹過，比較運算和邏輯運算的結果都是布林值，所以可作為條件語句。條件語句為true，則執行括號{}中的程式碼，如果後面沒有括號，則執行後面第一個分號(;)前的程式碼。

如，只在變數為偶數的情況下輸出：

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

或

int a=10;
if(a%2==0) System.out.println("偶數");
複製程式碼

if的陷阱

初學者有時會忘記在if後面的程式碼塊中加括號，有時希望執行多條語句而沒有加括號，結果只會執行第一條語句。建議所有if後面都跟括號。

if/else

if實現的是條件滿足的時候做什麼操作，如果需要根據條件做分支，即滿足的時候執行某種邏輯，而不滿足的時候執行另一種邏輯，則可以用if/else。

if/else的語法是:

if(判斷條件){
   程式碼塊1
}else{
   程式碼塊2
}
複製程式碼

if/else也非常簡單，判斷條件是一個布林值，為true的時候執行程式碼塊1，為假的時候執行程式碼塊2。

三元運算子

我們之前介紹了各種基本運算，這裡介紹一個條件運算，和if/else很像，叫三元運算子，語法為：

判斷條件 ? 表示式 1 ： 表示式2
複製程式碼

三元運算子會得到一個結果，判斷條件為真的時候就返回表示式1的值，否則就返回表示式2的值。三元運算子經常用於對某個變數賦值，例如求兩個數的最大值：

int max = x > y ? x : y;
複製程式碼

三元運算子完全可以用if/else代替，但在某些場景下書寫更簡潔。

if/else if/else

如果有多個判斷條件，而且需要根據這些判斷條件的組合執行某些操作，則可以使用if/else if/else。

語法是

if(條件1){
  程式碼塊1
}else if(條件2){
  程式碼塊2
}...
else if(條件n){
   程式碼塊n
}else{
   程式碼塊n+1
} 
複製程式碼

if/else if/else也比較簡單，但可以表達複雜的條件執行邏輯，它逐個檢查條件，條件1滿足則執行程式碼塊1，不滿足則檢查條件2，...，最後如果沒有條件滿 足，且有else語句，則執行else裡面的程式碼。最後的else語句不是必須的，沒有就什麼都不執行。

if/else if/else陷阱

需要注意的是，在if/else if/else中，判斷的順序是很重要的，後面的判斷只有在前面的條件為false的時候才會執行。初學者有時會搞錯這個順序，如下面的程式碼：

if(score>60){
  return "及格";
}else if(score>80){
  return "良好";
}else{
  return "優秀"
}
複製程式碼

看出問題了吧？如果score是90，可能期望返回"優秀"，但實際只會返回"及格".

switch

在if/else if/else中，如果判斷的條件基於的是同一個變數，只是根據變數值的不同而有不同的分支，如果值比較多，比如根據星期幾進行判斷，有7種可能性，或者根據英文字母進行判斷，有26種可能性，使用if/else if/else顯的比較囉嗦，這種情況可以使用switch，switch的語法是：

switch(表示式){
   case 值1：
           程式碼1; break;
   case 值2:
           程式碼2; break;
           ...
    case 值n:
          程式碼n; break;
    default: 程式碼n+1
}
複製程式碼

switch也比較簡單，根據表示式的值執行不同的分支，具體來說，根據表示式的值找匹配的case，找到後，執行後面的程式碼，碰到break時結束，如果沒有找到匹配的值則執行default中的語句。

表示式值的資料型別只能是 byte, short, int, char, 列舉, 和String (Java 1.7以後)。列舉和String我們在後續文章介紹。

switch會簡化一些程式碼的編寫，但break和case語法會對初學者造成一些困惑。

容易忽略的break

break是指跳出switch語句，執行switch後面的語句。每條case語句後面都應該跟break語句，否則的話它會繼續執行後面case中的程式碼直到碰到break語句或switch結束，例如：下面的程式碼會輸出所有數字而不只是1.

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

case堆疊

case語句後面可以沒有要執行的程式碼，如下所示：

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

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

條件小結

條件執行總體上是比較簡單的，單一條件滿足時執行某操作使用if，根據一個條件是否滿足執行不同分支使用if/else，表達複雜的條件使用if/else if/elese，條件賦值使用三元運算子，根據某一個表示式的值不同執行不同的分支使用switch。

從邏輯上講，if/else, if/else if/else，三元運算子，switch都可以只用if代替，但使用不同的語法表達更簡潔，在條件比較多的時候，switch從效能上也更高（馬上解釋為什麼）。

條件本質

正如我們探討資料型別的時候，研究資料的二進位制表示一樣，我們也來看下這些條件執行具體是怎麼實現的。

程式最終都是一條條的指令，CPU有一個指令指示器，指向下一條要執行的指令，CPU根據指示器的指示載入指令並且執行。指令大部分是具體的操作和運算，在執行這些操作時，執行完一個操作後，指令指示器會自動指向挨著的下一個指令。

但有一些特殊的指令，稱為跳轉指令，這些指令會修改指令指示器的值，讓CPU跳到一個指定的地方執行。跳轉有兩種，一種是條件跳轉，另一種是無條件跳轉。條件跳轉檢查某個條件，滿足則進行跳轉，無條件跳轉則是直接進行跳轉。

if, else實際上會轉換為這些跳轉指令，比如說下面的程式碼：

1 int a=10;
2 if(a%2==0)
3 {
4    System.out.println("偶數");
5 }
6 //其他程式碼
複製程式碼

轉換到的轉移指令可能是：

1 int a=10;
2 條件跳轉: 如果a%2==0,跳轉到第4行
3 無條件跳轉：跳轉到第7行
4 {
5    System.out.println("偶數");
6 }
7 //其他程式碼
複製程式碼

你可能會奇怪其中的無條件跳轉指令，沒有它不行嗎？不行，沒有這條指令，不管什麼條件，括號中的程式碼都會執行。

不過，對應的跳轉指令也可能是：

1 int a=10;
2 條件跳轉: 如果a%2!=0,跳轉到第6行
3 {
4    System.out.println("偶數");
5 }
6 //其他程式碼
複製程式碼

這個就沒有無條件跳轉指令，具體怎麼對應和編譯器實現有關。在單一if的情況下可能不用無條件跳轉指令，但稍微複雜一些的情況都需要。if, if/else, if/else if/else, 三元運算子都會轉換為條件跳轉和無條件跳轉。但switch不太一樣。

switch的轉換和具體系統實現有關，如果分支比較少，可能會轉換為跳轉指令。但如果分支比較多，使用條件跳轉會進行很多次的比較運算，效率比較低，可能會使用一種更為高效的方式，叫跳轉表。跳轉表是一個對映表，儲存了可能的值以及要跳轉到的地址，形如：

值	跳轉地址
值1	程式碼塊1的地址
值2	程式碼塊2的地址
...
值n	程式碼塊n的地址

跳轉表為什麼會更為高效呢？因為，其中的值必須為整數，且按大小順序排序。按大小排序的整數可以使用高效的二分查詢，即先與中間的值比，如果小於中間的值則在開始和中間值之間找，否則在中間值和末尾值之間找，每找一次縮小一倍查詢範圍。如果值是連續的，則跳轉表還會進行特殊優化，優化為一個陣列，連找都不用找了，值就是陣列的下標索引，直接根據值就可以找到跳轉的地址。即使值不是連續的，但數字比較密集，差的不多，編譯器也可能會優化為一個陣列型的跳轉表，沒有的值指向default分支。

程式原始碼中的case值排列不要求是排序的，編譯器會自動排序。之前說switch值的型別可以是byte, short, int, char, 列舉和String。其中byte/short/int本來就是整數，在上節我們也說過，char本質上也是整數，而列舉型別也有對應的整數，String用於switch時也會轉換為整數(通過hashCode方法，後文介紹），為什麼不可以使用long呢？跳轉表值的儲存空間一般為32位，容納不下long。

總結

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

條件執行中的跳轉只會跳轉到跳轉語句以後的指令，能不能跳轉到之前的指令呢？

---

未完待續，檢視最新文章，敬請關注微信公眾號“老馬說程式設計”(掃描下方二維碼)，深入淺出，老馬和你一起探索Java程式設計及計算機技術的本質。原創文章，保留所有版權。