第3章〓控制程序设计

在前面两章，所有的程序都是顺序结构，即程序从main()方法开始进入，然后逐条指令开始执行，直到所有指令都执行完。但是，就像生活一样，不是所有的事情都能按照计划执行，许多事情经常会随着条件的变化面临着各种选择。程序亦是如此，也会根据不同条件执行相应的行为。例如，在“贪吃蛇”游戏中，按下不同的按键，“贪吃蛇”的运动方向随之而改变。本章主要介绍选择和循环控制结构程序设计的实现方法。

3．1选择控制结构语句
3．1．1if语句
最常见的选择语句是if语句。if语句用于选择是否执行一个行为，执行过程是先计算条件表达式的值，如果条件表达式为真，则执行其后的语句； 否则，就直接跳过其后的语句。Java语言提供了3种形式的if语句。

1． 单分支结构

单分支结构基本形式如下： 


if(条件表达式){

语句;

}



单分支结构非常简单，if后面括号里的条件表达式值为真，就执行{}里的语句； 否则，直接越过{}里的语句。{}里的语句是复合语句，相当于一个整体。{}里的语句可以是多条，也可以只有1条，当只有1条语句的时候，可以省略{}。



视频讲解


【例3.1】编写程序，实现通过按键控制方块运动，即当按下“w”键时，方块向上运动，如图3．1所示。



图3．1按键控制方块运动


为了实现按键控制方块运动，需要获得按键输入信息，然后根据判断信息执行相应的行为。Screen类的getKey()方法可以获得按键的输入信息，然后根据键值执行相应的操作。代码如下： 






public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE = 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);

int row = screen.getRandom(SIZE);

int col = screen.getRandom(SIZE);

Cell cell = new Cell(row,col);

screen.add(cell);

char key;

while(true) {

screen.delay();

key = screen.getKey();


if(key == 'w') {// 按键为w，向上运动

cell.moveUp();

}

}

}

}



运行程序，在键盘上按“w”键时，方块向上运动。有时候不小心将键盘上大写键打开了，测试程序的时候，按下“w”键，方块并没有向上运动，这个错误不易发现，所以将代码修改成按下“W”键也能向上运动，代码如下： 


public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE = 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);

int row = screen.getRandom(SIZE);

int col = screen.getRandom(SIZE);

Cell cell = new Cell(row,col);

screen.add(cell);

char key;

while(true) {






screen.delay();

key = screen.getKey();

if(key == 'w' || key == 'W') {

cell.moveUp();

}

}

}

}



运行程序，当按下“W”键的时候，方块向上运动。

2． 双分支结构

除了上述单分支选择结构，Java语言提供了ifelse双分支语句，即在两条语句之中进行选择，格式如下： 


if(条件表达式){

语句1;

}

else{

语句2;

}



ifelse语句执行过程是： 如果满足条件表达式，则执行语句1； 否则执行语句2。语句1和语句2均可以由多条语句组成。另外，需注意else语句不能单独使用，必须与if配对使用。



视频讲解


【例3.2】编写程序，实现按“W”键控制方块向上运动，按其他键控制方块向下运动。

按下“W”键向上运动，按下其他键则向下运动，这是非常明显的二选一情况，所以可以使用ifelse语句实现要求，代码如下： 


public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE = 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);

int row = screen.getRandom(SIZE);

int col = screen.getRandom(SIZE);

Cell cell = new Cell(row,col);

screen.add(cell);



char key;

while(true) {

screen.delay();

key = screen.getKey();

if(key == 'w' || key == 'W') {

cell.moveUp();

}

else{

cell.moveDown();

}

}

}

}



运行程序，当按下“W”键时，方块向上运动； 按下其他键时，方块向下运动。

3． 多分支结构

在程序中，经常会遇到面临很多选择的时候，例如按下不同的按键控制方块向不同方向运动，Java语言提供了ifelse ifelse语句，格式如下： 


if(条件表达式1){

语句1;

}

else if(条件表达式2){

语句2;

}

…

else{

语句n;

}



该语句执行过程是： 如果满足条件表达式1的时候，则执行语句1，否则计算条件表达式2； 如果满足条件表达式2，则执行语句2，否则计算下一个条件表达式； 直到所有条件均不满足，则执行else所对应的语句n。



视频讲解


【例3.3】编写程序，实现按“W”键控制方块向上运动，按“S”键控制方块向下运动，按其他键控制方块斜向左上运动。

根据题意可知，这是多种选择的情况，可以使用ifelse ifelse语句实现功能，代码如下： 


public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE = 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);

int row = screen.getRandom(SIZE);

int col = screen.getRandom(SIZE);

Cell cell = new Cell(row,col);

screen.add(cell);

char key;

while(true) {

screen.delay();

key = screen.getKey();

if(key == 'w' || key == 'W') {

cell.moveUp();

}

else if(key == 's' || key == 'S'){

cell.moveDown();

}

else{

cell.moveLeft();

cell.moveUp();

}

}

}

}



运行程序，当按下“W”键时，方块向上运动； 按下“S”键时，方块向下运动； 按下其他按键时，方块斜向左上运动。

if语句用于选择是否执行一个行为，ifelse语句用于在两个语句之间进行选择，ifelse ifelse语句用于在多个语句之间进行选择。

3．1．2switch语句

对于在多个选项中选择，不仅可以用ifelse ifelse语句来完成，Java语言还提供了一种更为方便的switch语句，它的格式如下： 


switch(表达式){

case 常量表达式1:

语句1;

break;

case 常量表达式2:

语句2;

break;

...

default:语句n;

}



该语句执行过程是： 先计算表达式的值，如果表达式的值与某个常量表达式的值相等，则执行其后控制的语句； 如果所有的常量表达式都与表达式的值不相等，则执行default后的语句。

需要注意的是： 

(1) case后面必须是常量表达式，不能包含变量，并且每个常量表达式的值都不相同。

(2) default语句可以缺省。如果省略了default语句，当表达式的值与所有的常量表达的值都不相等，则什么也不执行。

(3) break语句可以终止其所在的switch语句的执行。switch语句执行的原理是遇到匹配项之后，开始执行其后的语句，如果没有遇到break语句，会一直执行到switch语句结束为止。



视频讲解


【例3.4】使用switch语句编写程序,实现按“w”键控制方块向上运动，按“s”键控制方块向下运动，按“a”键控制方块向左运动，按键“d”控制方块向右运动。

使用switch语句，代码如下：


public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE = 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);

int row = screen.getRandom(SIZE);

int col = screen.getRandom(SIZE);

Cell cell = new Cell(row,col);

screen.add(cell);

char key;

while(true) {

screen.delay();

key = screen.getKey();

switch(key) {

case 'w' :






cell.moveUp();

break;

case 's':

cell.moveDown();

break;

case 'a':

cell.moveLeft();

break;

case 'd':

cell.moveRight();

break;

}

}

}

}



运行程序，“w”“s”“a”“d”键可以分别控制方块上、下、左、右运动。

使用swtich语句的时候，要根据情况需要，判断是否要加上break语句。例如打开大写键，按键依然能控制方块上、下、左、右运动。使用swtich语句实现的话，代码如下： 


public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE = 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);

int row = screen.getRandom(SIZE);

int col = screen.getRandom(SIZE);

Cell cell = new Cell(row,col);

screen.add(cell);



char key;

while(true) {

screen.delay();

key = screen.getKey();

switch(key) {

case 'w' :

case 'W' :

cell.moveUp();

break;

case 's':

case 'S':

cell.moveDown();

break;

case 'a':

case 'A':

cell.moveLeft();

break;

case 'd':

case 'D':

cell.moveRight();

break;

}

}

}

}



运行程序，即使打开大写键，“W”“S”“A”“D”键依然能控制方块上、下、左、右运动。当按下按键“W”的时候，case 'w' 选项后的语句为空，程序会自动往下执行，执行case 'W' 选项对应的程序段，所以即使大写键开启，输入的键值是“W”也能控制方块向上运动。

如果给每一个case 选项的语句段都增加break语句，则需要增加不少重复的代码。对于不同条件，执行相同行为的场景下，通过switch语句和break语句的结合使用，可以写出简洁的代码。

对于switch语句中漏掉break语句这种情况时有发生，Java 14版本采用了新的方式规避这个问题，使用简化的“case L >”模式匹配语法，作用于不同范围并控制执行流，代码为： 


public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE = 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);

int row = screen.getRandom(SIZE);

int col = screen.getRandom(SIZE);

Cell cell = new Cell(row,col);

screen.add(cell);



char key;

while(true) {

screen.delay();

key = screen.getKey();

switch(key) {

case 'w','W'-> {

cell.moveUp();

}

case 's','S'-> {

cell.moveDown();

}

case 'a','A'->{

cell.moveLeft();

}

case 'd','D'->{

cell.moveRight();

}

}		

}

}

}



将重复的case标签常量合并在一个case常量表达式中，用逗号分隔，箭头指向语句即可，执行完语句后退出switch语句。

虽然switch语句有时候比ifelse语句简洁，逻辑关系一目了然，程序可读性好，但是使用范围较窄，比如选择条件是非常大的范围时，就不适合用switch语句。如表达变量 i 是 100~550 的整数时，使用if语句非常简单，代码如下： 


if( i > 100 && i < 550 )



而使用switch语句将会非常麻烦，需要设置几百个case选项，因此对于初学者来说，熟练掌握if语句即可。

3．2循环控制结构语句

循环是指反复执行某一过程，在3．1节中的案例使用的while语句就是一种经典的循环结构。循环结构是结构化程序的基本结构之一，它与顺序结构、选择结构共同构成各种复杂的程序。换言之，所有结构化程序都是由这三种基本结构组成。Java语言提供了while语句、dowhile语句和for语句来实现循环结构。

3．2．1while语句

while语句是常见的循环语句，while语句的格式如下： 


while(条件表达式){

循环体语句;

}



while语句的执行过程是： 当圆括号里的条件表达式为真时，执行循环体语句，然后再判断表达式里的值，如果为真，继续执行循环体语句，如此重复执行，直到表达式的值为假的时候结束循环。

while语句和if语句，两者结构非常相似，两者的差别在于if语句只判断一次，而while语句会反复判断，直到条件不满足为止。



视频讲解


【例3.5】编写程序，使用while语句，实现“贪吃蛇”不断向下运动，一直运动到屏幕底部撞到墙，游戏结束，如图3．2所示。



图3．2“贪吃蛇”向下运动


“贪吃蛇”可以不断向下运动的条件就是： “蛇头”没有达到屏幕底部。解决了判断条件，接下来就是循环体的内容，主要包括两部分： 延时和向下运动。代码如下： 


public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE = 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);

Cell head = new Cell(0,4);






Cell body = new Cell(0,5);

screen.add(head);

screen.add(body);

while(head.getRow()<SIZE - 1) {

screen.delay();

body.moveTo(head);

head.moveDown();

}

}

}



运行程序，“贪吃蛇”不断向下运动，直到运动到屏幕最底部为止。

3．2．2dowhile语句

除了while语句，Java语言还提供了dowhile语句实现循环结构，dowhile语句的格式如下： 


do{

循环体语句;

}while(条件表达式);



dowhile语句的执行过程是： 先执行循环体语句，再进行判断，如果条件表达式为真，继续执行循环体语句，如此反复，直到条件表达式的值为假，结束循环。



视频讲解


【例3.6】编写程序，使用dowhile循环语句，实现“贪吃蛇”不断向下运动，直到运动到屏幕底部。

使用dowhile语句，循环执行的条件是判断“蛇头”是否运动到屏幕的底部。循环体的内容主要包括两部分，延时和向下运动，代码如下： 


public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE = 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);

Cell head = new Cell(0,4);

Cell body = new Cell(0,5);

screen.add(head);

screen.add(body);

   

do{

screen.delay();

body.moveTo(head);

head.moveDown();

}while(head.getRow() < SIZE - 1); 

}

}



运行程序，“贪吃蛇”不断向下运动，直到运动到屏幕最底部。

通常情况下，对于同一问题，既可以使用while语句，也可以使用dowhile语句，两者可以互换，运行结果相同，但是两者的差别为： dowhile 语句是先执行后判断，所以dowhile语句至少执行循环体一次，而while语句是先判断后执行，所以可能一次也不执行循环体。因此，如果while语句的条件表达式一开始就为假，两个循环语句的结果是不同的。

3．2．3for语句

例3.5、例3.6的程序都是重复执行固定次数的循环，包含如下三部分： 

(1) 初始化数值。

(2) 比较数值与目标值的关系。

(3) 循环递增数值。

在while语句中，这三部分内容放在不同的位置，初始化数值语句放在循环外，比较数值语句放在while语句中括号里面，而递增数值语句放在循环体语句内。当循环体里语句较多时，有时候会遗忘递增数值，从而导致循环无限执行。

Java语言还提供了for循环语句，将初始化、判断、更新数值三部分内容组合在一起，形成更加紧凑的形式。for循环语句基本格式如下： 


for (表达式1;  表达式2;  表达式3){

循环语句;

}



表达式1通常是为控制循环的变量赋初值； 表达式2是判断循环是否执行的条件表达式； 表达式3一般用来更新控制循环的变量，其后无分号。

for语句执行过程如下： 

(1) 执行“表达式1”，为控制循环的变量赋初值。

(2) 判断“表达式2”，如果它的值为真，则执行循环体内的语句，否则转到第(5)步。

(3) 执行“表达式3”，更新变量。

(4) 重复执行步骤(2)和(3)。

(5) 结束循环。

for语句是while语句的一种变体，比while语句使用起来更加灵活。



视频讲解


【例3.7】编写程序，使用for循环语句，实现“贪吃蛇”不断向下运动，直到运动到屏幕底部。

使用for语句实现功能，代码如下： 


public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE = 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);

Cell head = new Cell(0,4);

Cell body = new Cell(0,5);

screen.add(head);

screen.add(body);



for(int row = head.getRow(); row < SIZE - 1; row++) {

screen.delay();

body.moveTo(head);

head.moveDown();

}

}

}



运行程序，“贪吃蛇”不断向下运动，直到运动到屏幕最底部为止。

与while循环语句相比，for循环语句结构更为紧凑，不容易遗忘更新变量，尤其是多重循环的时候，优势更加明显，因此for循环语句的使用非常广泛。

3．2．4三种循环的比较

通过例3.5~例3.7可知，一般情况下，对于同一问题，while、dowhile、for循环语句都可以处理，三者可以相互替代。

for与while循环语句是“当型”循环，即先判断条件后执行循环体。dowhile循环语句是“直到型”循环，即先执行循环体，后判断条件。因此，for与while循环语句可能一次也不执行循环体的内容，而dowhile循环语句至少执行一次循环体的内容。

如何选择哪一种循环来解决问题？如果循环次数明确的时候，使用for循环更为方便，而循环次数不确定的时候，while循环语句更容易理解。如果第一次循环肯定会执行，可以使用dowhile循环语句。

for循环语句比while和dowhile循环语句功能更强大，使用更灵活。for循环语句中的三个表达式可以部分省略或全部省略，但是两个分号不能省略，而且语句的位置可以灵活多变。

例如： 


for(int count = 0; count < 6; count++){

}



可以写成如下格式： 


for(int count = 0; count < 6;){

count++;

}



或者


int count = 0;

for( ; count < 6; count++){

}





图3．3屏幕上3行填满方块

还有其他多种写法，不一一列举，所以 for语句非常灵活。

3．2．5嵌套循环语句

一个循环体内包含着另一个循环结构，称为嵌套循环。嵌套循环里还可以继续嵌套循环，循环层次可以不断叠加。三种循环语句均可以相互嵌套。



视频讲解


【例3.8】编写程序，实现“打砖块”游戏中“砖墙”功能，将屏幕上面3行都填满方块，如图3．3所示。

要将屏幕的上3行都填满方块，可以使用双重循环实现，内层循环的作用是将屏幕中的某一行都填满方块，外层循环的作用是控制行，实现从第0行到2行逐行填满方块，代码如下： 


public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE= 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);



for(int row = 0; row < 3; row++) {

for(int col = 0; col <SIZE; col ++) {

Cell cell = new Cell(row,col);

screen.add(cell);

}

}

}

}



运行程序，屏幕上3行都填满了方块。在阅读嵌套循环的时候，就像看钟表一样，内层循环像秒钟转了一圈，外层循环像分钟转一格。

对于例3.8也可以使用两个while循环嵌套实现，代码如下： 


public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE= 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);



int row = 0;

while(row < 3) {

int col = 0;

while(col <SIZE) {

Cell cell = new Cell(row,col);

screen.add(cell);

col++;

}

row++;

}

}

}



对比while和for循环语句，可以看出，for循环语句的结构更为紧凑，而且不容易遗忘变量的更新。

3．2．6break语句和continue语句
1．  break语句
在循环中，有时候需要提前结束循环，就像游戏进行到一半时，想提前结束游戏，Java语言提供break语句，可以提前结束循环。

break语句的一般格式如下： 


break; 





视频讲解


【例3.9】编写程序，实现按“W”键控制方块向上运动，按“S”键控制方块向下运动，按“K”键结束游戏。

相比例3.3和例3.4用按键控制方块运动的任务，该任务多了新功能，即按“K”键结束游戏。需要提前结束循环，则可以使用break语句，代码如下： 


public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE = 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);

int row = screen.getRandom(SIZE);

int col = screen.getRandom(SIZE);

Cell cell = new Cell(row,col);

screen.add(cell);

char key;

while(true) {

screen.delay();

key = screen.getKey();

if(key == 'w' || key == 'W') {

cell.moveUp();

}

if(key == 's' || key == 'S'){

cell.moveDown();

}           

if(key == 'k' || key == 'K'){

break;

}

}

}

}



运行程序，按键“W”控制方块向上运动，按键“S”控制方块向下运动，按键“K”控制游戏结束。



图3．4赛车障碍物

2． continue语句

continue语句也可以提前结束循环，不过它只结束本次循环，即跳过本次循环剩下的部分，进入下一次循环。

continue语句的一般格式如下： 


continue;





视频讲解


【例3.10】“赛车类”游戏中会出现一排障碍物，中间只留下狭窄的空隙供赛车通过，如图3．4所示。

对于障碍物来说，除了“空隙”外，该行其他位置都应添加方块。因此，可以使用循环语句逐一添加方块，“空隙”的位置使用continue语句，跳过本次循环，代码如下： 


public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE = 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);






int row = screen.getRandom(SIZE);

int gapCol = screen.getRandom(SIZE - 1);

for(int col = 0; col <SIZE; col++) {

if(col ==gapCol || col == gapCol + 1) {

continue;

}

Cell cell = new Cell(row,col);

screen.add(cell);

}	

}

}



运行程序，显示如图3．4所示的界面。对于例3.10，也可以不使用continue语句实现，代码如下： 


public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE = 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);

int row = screen.getRandom(SIZE);

int gapCol = screen.getRandom(SIZE - 1);

       

for(int col = 0; col < SIZE ; col++) {

if(col!= gapCol && col != gapCol + 1) {

Cell cell = new Cell(row,col);

screen.add(cell);

}

}

}

}



通过案例可知，程序设计非常灵活，同一个问题可以有多种解决办法。continue语句和break语句的区别是： break语句是终止整个循环过程，而continue语句只结束本次循环，而且continue语句只能用在循环语句之中。



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3．3综合案例： 按键控制“贪吃蛇”运动




图3．5“贪吃蛇”运动

编写程序，实现按键控制“贪吃蛇”运动，按键“w”控制“贪吃蛇”向上运动，按键“s”控制“贪吃蛇”向下运动，按键“a”控制“贪吃蛇”向左运动，按键“d”控制“贪吃蛇”向右运动，如图3．5所示。

“贪吃蛇”的运动规律，主要由两部分组成： “蛇头”和“蛇身”，“蛇头”运动规律与运动方向有关系，“蛇身”运动规律与运动方向无关，无论什么运动方向，“蛇身”的每一部分都会移动到与之相邻方块的位置。

代码如下： 


public class Main {

public static void main(String［］ args){

final int SIZE = 8;

Screen screen = new Screen(SIZE);

Cell head = new Cell(0,4);

Cell body = new Cell(0,5);

screen.add(head);

screen.add(body);



char key;

while(true) {

screen.delay();

key = screen.getKey();

if(key == 'w') {

body.moveTo(head);

head.moveUp();

}

if(key == 's') {

body.moveTo(head);

head.moveDown();

}

if(key == 'a') {

body.moveTo(head);

head.moveLeft();

}

if(key == 'd') {

body.moveTo(head);

head.moveRight();

}

}

}

}



提示： 计算机相比于人最擅长的就是做重复的事，很多软件设计的目的就是解决重复劳动的问题。

习题

3．1下列程序段，关于循环执行的次数，说法正确的是。


int k = 5 ;

while(k > 1){

k-- ;

}





A． 循环执行了5次
B． 循环执行了0次

C． 循环执行了4次
D． 循环执行了3次

3．2执行以下程序，sum的值为。


int sum = 0;

int i ;

for( i = 0; i <= 5; i++){

sum + = i;

}



A． 10
B． 15
C． 21
D． 28

3．3编写程序，在屏幕上显示杨辉三角图形，如图3．6所示。

第0行添加1个方块； 

第1行添加2个方块； 

…

第N行添加N+1个方块。

3．4编写程序，在屏幕上显示倒杨辉三角图形，如图3．7所示。




图3．6杨辉三角




图3．7倒杨辉三角



3．5编写程序，按键“W”“S”“A”“D”控制“Z”形“俄罗斯方块”（如图3.8所示）上、下、左、右运动。



图3．8“Z”形“俄罗斯方块”示意图