Toiminnallisuuden toistaminen

Tietokoneen sisältämä käskyjen suorittamiseen erikoistunut prosessori pystyy — moderneissa tietokoneissa — suorittamaan yli miljardi (konekielistä) käskyä sekunnissa. Tässä osassa tutustumme toistettavan ohjelmakoodin määrittelyyn toistolauseiden avulla.

Motivoidaan toistolauseiden käyttöä hieman. Alla on esimerkki ohjelmasta, missä kysytään käyttäjältä viisi lukua ja lasketaan niiden summa.

Scanner lukija = new Scanner(System.in);
int summa = 0;

System.out.println("Syötä luku");
summa = summa + Integer.valueOf(lukija.nextLine());

System.out.println("Syötä luku");
summa = summa + Integer.valueOf(lukija.nextLine());

System.out.println("Syötä luku");
summa = summa + Integer.valueOf(lukija.nextLine());

System.out.println("Syötä luku");
summa = summa + Integer.valueOf(lukija.nextLine());

System.out.println("Syötä luku");
summa = summa + Integer.valueOf(lukija.nextLine());

System.out.println("Lukujen summa on " + summa);

Hoitaa asian, mutta ei kovin tyylikkäästi. Entä jos ohjelman pitäisi lukea sata tai vaikkapa tuhat lukua ja tulostaa niiden summa? Entä jos ohjelman pitäisi lukea kolme lukua?

Tämän ongelman voi ratkaista toistolauseella, joka pitää kirjaa sekä summasta että lukemiskerroista. Viiden luvun summan tulostava toistolauseella toteutettava ohjelma näyttää seuraavalta.

Scanner lukija = new Scanner(System.in);

int luettujaLukuja = 0;
int summa = 0;

while (true) {
    if (luettujaLukuja == 5) {
        break;
    }

    System.out.println("Syötä luku");
    summa = summa + Integer.valueOf(lukija.nextLine());
    luettujaLukuja = luettujaLukuja + 1;
}

System.out.println("Lukujen summa on " + summa);

Tutustutaan seuraavaksi toistolauseisiin.

Toistolause ja ikuinen toisto

Toistolause sisältää lausekkeen, jonka perusteella päätellään jatketaanko toistoa, sekä lohkon, joka sisältää toistettavan lähdekoodin. Toistolauseen muoto on seuraava.

while (_lauseke_) {
    // aaltosuluilla rajatun lohkon sisältö
    // lohkossa voi olla käytännössä
    // rajaton määrä sisältöä
}

Käytämme toistaiseksi lausekkeena true-arvoa, eli boolean-tyyppista arvoa "totta". Tämä tarkoittaa sitä, että toistolauseen toistamista jatketaan aina kun ohjelma on tilantessa, missä selvitetään tuleeko toistolauseen suoritusta jatkaa. Tämä tapahtuu sekä silloin kun ohjelman suoritus päätyy toistolauseeseen ensimmäistä kertaa että silloin kun ohjelman suoritus päätyy toistolauseen lohkon loppuun.

Toistolauseen suoritus etenee askeleittain lause kerrallaan. Seuraava ohjelma tulostaa merkkijonoa osaan ohjelmoida! ikuisesti eli "äärettömän monta kertaa":

while (true) {
    System.out.println("osaan ohjelmoida!");
}

Ikuisen toiston sisältävä ohjelma ei sammu itsestään. Ohjelman sammutus tapahtuu NetBeansissa tulostusikkunan vasemmalla puolella olevaa punaista nappia painamalla.

Toistolauseen päättäminen

Toistolauseen saa päätettyä komennolla break. Kun tietokone suorittaa komennon break, siirtyy ohjelman suoritus toistolauseen lohkoa seuraavaan komentoon.

Alla olevassa esimerkissä on ohjelma, joka tulostaa luvut yhdestä viiteen. Ohjelmassa määritellään toistolauseen sisällä käsiteltävä luku ennen toistolauseen lohkoa. Tällöin muuttujan kasvatus onnistuu.

int luku = 1;

while (true) {
    System.out.println(luku);
    if (luku >= 5) {
        break;
    }

    luku = luku + 1;
}

System.out.println("Valmista!");

Toistolauseesta poistutaan esimerkiksi kun käyttäjä syöttää tietynlaisen syötteen tai mikäli toistolauseessa tehtävä laskenta päätyy haluttuun lopputulokseen. Tällaiset ohjelmat sisältävät sekä toistolauseen, jota käytetään toistettavan ohjelman määrittelyyn, että toistolauseen sisällä olevan ehtolauseen, jota käytetään toistolauseesta poistumiseen käytettävän ehdon täyttymisen tarkasteluun.

Toistolauseessa voidaan myös kysyä käyttäjältä syötettä. Toistolauseessa useasti käytettävät muuttujat (kuten Scanner-lukija) määritellään ennen toistolausetta, toistokohtaiset muuttujat (kuten luettu arvo) määritellään toistolauseessa.

Alla olevassa esimerkissä ohjelma kysyy käyttäjältä pitäisikö toistolauseesta poistua. Mikäli käyttäjä syöttää merkkijonon "k", ohjelman suoritus siirtyy toistolausetta seuraavaan komentoon, jonka suorittamisen jälkeen ohjelman suoritus päättyy.

Scanner lukija = new Scanner(System.in);

while (true) {
    System.out.println("Poistutaanko? (k lopettaa)");
    String syote = lukija.nextLine();
    if (syote.equals("k")) {
        break;
    }

    System.out.println("Ok! Jatketaan!");
}

System.out.println("Valmista!");

Ohjelma toimii esimerkiksi seuraavasti. Alla käyttäjän syötteet ovat merkitty punaisella.

Edellisessä esimerkissä ohjelma lukee käyttäjältä merkkijonomuotoisia syötteitä. Vastaavanlaisen ohjelman toteutus onnistuu myös muilla muuttujatyypeillä. Alla olevassa esimerkissä käyttäjältä pyydetään lukuja kunnes käyttäjä syöttää luvun nolla.

Scanner lukija = new Scanner(System.in);

while (true) {
    System.out.println("Syötä luku, 0 lopettaa");
    int komento = Integer.valueOf(lukija.nextLine());
    if (komento == 0) {
        break;
    }

    System.out.println("Syötit " + komento);
}

System.out.println("Valmista, kiitos!");

Ohjelman suoritus on esimerkiksi seuraavanlainen.

Toistolauseen alkuun palaaminen

Toistolauseen alkuun palataan silloin kun suoritus päätyy toistolauseen lohkon loppuun eli kaikki toistolauseen lohkossa olevat komennot on suoritettu. Toistolauseen alkuun voi palata myös muualta kuin toistolauseen lopusta erillisellä continue-komennolla. Kun tietokone suorittaa komennon continue, siirtyy ohjelman suoritus toistolauseen alkuun.

Alla olevassa esimerkissä esitellään continue-komennon käyttöä. Ohjelma pyytää käyttäjää syöttämään positiivisia lukuja. Mikäli käyttäjä syöttää negativiisen luvun tai nollan, ohjelma tulostaa viestin "Epäkelpo luku! Yritä uudelleen.", jonka jälkeen suoritus palaa toistolauseen alkuun. Edellisessä esimerkissä ohjelma lukee käyttäjältä merkkijonomuotoisia syötteitä. Vastaavanlaisen ohjelman toteutus onnistuu myös muilla muuttujatyypeillä. Alla olevassa esimerkissä käyttäjältä pyydetään lukuja kunnes käyttäjä syöttää luvun nolla.

Scanner lukija = new Scanner(System.in);

while (true) {
    System.out.println("Syötä positiivisia lukuja.");
    int luku = Integer.valueOf(lukija.nextLine());

    if (luku <= 0) {
        System.out.println("Epäkelpo luku! Yritä uudelleen.");
        continue;
    }

    System.out.println("Syötit " + luku);
}

Ohjelman suoritus toistuu yllä olevassa esimerkissä ikuisesti, sillä toistolauseesta poistumiseen käytettävää break-komentoa ei ohjelmassa ole. Mikäli haluamme, että toistolauseesta voi poistua, tulee ohjelmaan lisätä break-komento.

Alla olevassa esimerkissä ohjelmaa on muokattu siten, että käyttäjältä pyydetään positiivisia lukuja. Mikäli käyttäjä syöttää negatiivisen luvun, kerrotaan että luku oli epäkelpo ja palataan toistolauseen alkuun. Mikäli käyttäjä syöttää nollan, toistolauseesta poistutaan.

Scanner lukija = new Scanner(System.in);

while (true) {
    System.out.println("Syötä positiivisia lukuja.");
    int luku = Integer.valueOf(lukija.nextLine());

    if (luku == 0) {
        break;
    }

    if (luku < 0) {
        System.out.println("Epäkelpo luku! Yritä uudelleen.");
        continue;
    }

    System.out.println("Syötit " + luku);
}

Edellisessä tehtävässä toteutettiin ohjelma, joka lukee käyttäjältä lukuja. Mikäli käyttäjä syöttää negatiivisen luvun, ohjelma ilmoittaa että luku oli epäkelpo, ja mikäli käyttäjä syöttää nollan, ohjelmasta poistutaan. Eräs ratkaisu tehtävään on seuraavanlainen.

Scanner lukija = new Scanner(System.in);

while (true) {
    System.out.println("Syötä luku");
    int luku = Integer.valueOf(lukija.nextLine());

    if (luku == 0) {
        break;
    }

    if (luku < 0) {
        System.out.println("Epäkelpo luku");
        continue;
    }

    System.out.println(luku * luku);
}

Ohjelman voisi toteuttaa myös muotoilemalla ehtolauseet toisella tavalla. Alla olevassa esimerkissä erillisten ehtolauseiden sijaan ehtolauseet on yhdistetty.

Scanner lukija = new Scanner(System.in);

while (true) {
    System.out.println("Syötä luku");
    int luku = Integer.valueOf(lukija.nextLine());

    if (luku == 0) {
        break;
    } else if (luku < 0) {
        System.out.println("Epäkelpo luku");
        continue;
    }

    System.out.println(luku * luku);
}

Kumpi edellä olevista vaihtoehdoista on selkeämpi?

Tarkastellaan edellisten ohjelmien selkeyttä toisen esimerkin kautta. Alla oleva ohjelma kysyy käyttäjältä lukua. Mikäli luku on negatiivinen, käyttäjälle kerrotaan että luku on epäkelpo ja siirrytään toistolauseen alkuun. Mikäli luku on nolla, toistolauseesta poistutaan. Muissa tilanteissa käyttäjälle tulostetaan syötetyn luvun neliö, eli syötetty luku kerrottuna itsellään.

Scanner lukija = new Scanner(System.in);

while (true) {
    System.out.println("Syötä luku ");
    int luku = Integer.valueOf(lukija.nextLine());

    if (luku < 0) {
        System.out.println("Epäkelpo luku");
        continue;
    }

    if (luku == 0) {
        break;
    }

    System.out.println(luku * luku);
}

Myös tämän ohjelman voi toteuttaa yhdistämällä ehtolauseet. Tällöin toteutus olisi seuraavanlainen.

Scanner lukija = new Scanner(System.in);

while (true) {
    System.out.println("Syötä luku ");
    int luku = Integer.valueOf(lukija.nextLine());

    if (luku < 0) {
        System.out.println("Epäkelpo luku");
    } else if (luku == 0) {
        break;
    } else {
        System.out.println(luku * luku);
    }
}

Tarkastellaan edellisiä ohjelmia kommentoituna. Jokaista palaa edeltää kommentit, jotka pyrkivät selittämään mitä ohjelmassa tapahtuu. Alla erillisillä ehtolauseilla toteutettu ohjelma.

// Tehtävänä syötteen lukeminen käyttäjältä
Scanner lukija = new Scanner(System.in);

// Tehtävänä lohkon toistaminen kunnes lohkosta poistutaan
while (true) {
    // Tehtävänä luvun syöttämisen kehottaminen
    System.out.println("Syötä luku ");
    // Tehtävänä luvun lukeminen käyttäjältä
    int luku = Integer.valueOf(lukija.nextLine());

    // Tehtävänä vartiointi, estetään epäkelpojen lukujen
    // jatkokäsittely
    if (luku < 0) {
        System.out.println("Epäkelpo luku");
        continue;
    }

    // Tehtävänä toistolauseesta poistumisen tarkastaminen
    if (luku == 0) {
        break;
    }

    // Tehtävänä syötetyn luvun neliön tulostaminen
    System.out.println(luku * luku);
}

Huomaat, että yllä jokaisella ehtolauseella on ohjelmassa yksi selkeä tehtävä.

Kun kommentoimme ohjelman, joka sisältää ehtolauseet yhdistettynä, kommentit ovat seuraavat.

// Tehtävänä syötteen lukeminen käyttäjältä
Scanner lukija = new Scanner(System.in);

// Tehtävänä lohkon toistaminen kunnes lohkosta poistutaan
while (true) {
    // Tehtävänä luvun syöttämisen kehottaminen
    System.out.println("Syötä luku ");
    // Tehtävänä luvun lukeminen käyttäjältä
    int luku = Integer.valueOf(lukija.nextLine());

    // if-else if-else -kokonaisuuden tehtävä?
    // Tehtävänä luvun käsittely?
    if (luku < 0) {
        System.out.println("Epäkelpo luku");
    } else if (luku == 0) {
        break;
    } else {
        System.out.println(luku * luku);
    }
}

Huomaamme, että if-else if-else-rakenteelle on vaikea määritellä yksi selkeä tehtävä. Ohjelmia suunniteltaessa ja toteuttaessa kannattaakin pyrkiä tilanteeseen, missä jokaisella ohjelman osalla on yksi selkeä tehtävä. Tämä teema tulee toistumaan kurssilla.

Laskentaa toistolauseiden avulla

Toistolauseita hyödynnetään usein asioiden laskemisessa. Esimerkiksi ohjelmat, joissa käsitellään määrittelemätöntä määrää käyttäjän syöttämiä lukuja perustuvat toistolauseseen. Tällaisissa ohjelmissa tulostetaan tyypillisesti jonkinlaisia tilastoja luetuista luvuista tai muista syötteistä toistolauseen jälkeen.

Jotta ohjelma voi tulostaa toistolauseen jälkeen tietoja toistolauseen suorituksesta, tulee tietoa säilöä ja muokata toistolauseen aikana.

Mikäli tiedon tallentamiseen käytettävä muuttuja esitellään toistolauseen lohkon sisällä, on muuttuja käytössä vain toistolauseen lohkon sisällä sekä sen alla määritellyissä lohkoissa, mutta ei toistolauseen lohkon ulkopuolella.

Luodaan ohjelma, jonka tarkoituksena on laskea ja tulostaa käyttäjän syöttämien ykkösten lukumäärä. Tehdään ensin toimimaton versio ja tarkastellaan lohkojen toimintaa.

Scanner lukija = new Scanner(System.in);

// Tehtävänä lukujen lukemisen toistaminen
while (true) {

    // Tehtävänä ykkösten lukumäärän säilöminen
    int ykkosia = 0;

    System.out.println("Syötä luku (0 lopettaa): ");
    // Tehtävänä yksittäisen luvun lukeminen
    int luku = Integer.valueOf(lukija.nextLine());

    // Tehtävänä toistolauseesta poistuminen kun
    // käyttäjä syöttää luvun nolla
    if (luku == 0) {
        break;
    }

    // Tehtävänä ykkösten lukumäärän kasvattaminen
    // yhdellä kun käyttäjä syöttää luvun yksi
    if (luku == 1) {
        ykkosia = ykkosia + 1;
    }
}

// Tehtävänä havainnoitujen ykkösten lukumäärän tulostaminen
// Tämä ei toimi, sillä muuttuja ykkosia on esitelty
// edellä olevan toistolauseen sisälläö
System.out.println("Ykkösiä yhteensä: " + ykkosia);

Edellinen ohjelma ei toimi, sillä muuttuja ykkosia esitellään toistolauseen lohkon sisällä ja sitä yritetään käyttää ohjelman lopussa toistolauseen lohkon ulkopuolelta. Muuttuja on olemassa vain sen lohkon sisällä missä se on määritelty. Mikäli tulostus System.out.println("Ykkösiä yhteensä: " + ykkosia); olisi toistolauseen sisällä, ohjelma toimisi mutta ei toivotusti. Tarkastellaan tätä vielä seuraavaksi.

Scanner lukija = new Scanner(System.in);

// Tehtävänä lukujen lukemisen toistaminen
while (true) {

    // Tehtävänä ykkösten lukumäärän säilöminen
    int ykkosia = 0;

    System.out.println("Syötä luku (0 lopettaa): ");
    // Tehtävänä yksittäisen luvun lukeminen
    int luku = Integer.valueOf(lukija.nextLine());

    // Tehtävänä toistolauseesta poistuminen kun
    // käyttäjä syöttää luvun nolla
    if (luku == 0) {
        break;
    }

    // Tehtävänä ykkösten lukumäärän kasvattaminen
    // yhdellä kun käyttäjä syöttää luvun yksi
    if (luku == 1) {
        ykkosia = ykkosia + 1;
    }

    // Tehtävänä havainnoitujen ykkösten lukumäärän tulostaminen
    System.out.println("Ykkösiä yhteensä: " + ykkosia);
}

Yllä oleva esimerkki toimii, mutta ei kuten toivomme. Alla ohjelman toimintaesimerkki.

Mikäli haluat käyttää muuttujaa toistolauseen jälkeen (ja halutessasi toistolauseessa), tulee muuttuja esitellä ennen toistolausetta.

Alla olevassa esimerkissä ohjelma laskee syötettyjen ykkösten lukumäärän. Syötteitä luetaan kunnes käyttäjä syöttää luvun 0, jonka jälkeen tulostetaan luettujen ykkösten lukumäärä. Ohjelmassa käytetään muuttujaa ykkosia ykkösten lukumäärän ylläpitoon.

Scanner lukija = new Scanner(System.in);

// Tehtävänä ykkösten lukumäärän säilöminen
int ykkosia = 0;

// Tehtävänä lukujen lukemisen toistaminen
while (true) {
    System.out.println("Syötä luku (0 lopettaa): ");
    // Tehtävänä yksittäisen luvun lukeminen
    int luku = Integer.valueOf(lukija.nextLine());

    // Tehtävänä toistolauseesta poistuminen kun
    // käyttäjä syöttää luvun nolla
    if (luku == 0) {
        break;
    }

    // Tehtävänä ykkösten lukumäärän kasvattaminen
    // yhdellä kun käyttäjä syöttää luvun yksi
    if (luku == 1) {
        ykkosia = ykkosia + 1;
    }
}

// Tehtävänä havainnoitujen ykkösten lukumäärän tulostaminen
System.out.println("Ykkösiä yhteensä: " + ykkosia);

Alla on esimerkki ohjelman toiminnasta.

Edellä olevissa tehtävissä tehdyt ohjelmat ovat lukeneet käyttäjältä syötettä ja pitäneet kirjaa tietynlaisten lukujen lukumäärästä. Seuraavassa tehtävässä kaivattu lukujen summa ei oikeastaan juurikaan poikkea edellisistä tehtävistä — nyt sen sijaan, että pidät kirjaa lukujen lukumäärästä eli lisäät lukumäärään luvun aina 1, lisäätkin "lukumäärään" eli summaan käyttäjän syöttämän luvun.

Joskus laskennassa tarvitaan useampia muuttujia. Alla olevassa esimerkissä on kuvattuna ohjelma, joka lukee käyttäjältä lukuja kunnes käyttää syöttää luvun nolla. Tämän jälkeen ohjelma tulostaa positiivisten ja negatiivisten lukujen lukumäärän sekä positiivisten lukujen osuuden kaikista luetuista luvuista.

Scanner lukija = new Scanner(System.in);

// Tehtävänä lukujen lukumäärän säilöminen
int positiivisia = 0;
int negatiivisia = 0;

// Tehtävänä lukujen lukemisen toistaminen
while (true) {
    System.out.println("Syötä luku (0 lopettaa): ");
    // Tehtävänä yksittäisen luvun lukeminen
    int luku = Integer.valueOf(lukija.nextLine());

    // Tehtävänä toistolauseesta poistuminen kun
    // käyttäjä syöttää luvun nolla
    if (luku == 0) {
        break;
    }

    // Tehtävänä positiivisten lukujen lukumäärän kasvattaminen
    // yhdellä kun käyttäjä syöttää positiivisen luvun
    if (luku > 0) {
        positiivisia = positiivisia + 1;
    }

    // Tehtävänä negatiivisten lukujen lukumäärän kasvattaminen
    // yhdellä kun käyttäjä syöttää negatiivisen luvun
    if (luku < 0) {
        negatiivisia = negatiivisia + 1;
    }

    // tässä olisi toiminut myös..
    // if (luku > 0) {
    //     positiivisia = positiivisia + 1;
    // } else {
    //     negatiivisia = negatiivisia + 1;
    // }

}

// Tehtävänä havainnoitujen positiivisten lukujen lukumäärän tulostaminen
System.out.println("Positiivisia lukuja: " + positiivisia);
// Tehtävänä havainnoitujen negatiivisten lukujen lukumäärän tulostaminen
System.out.println("Negatiivisia lukuja: " + negatiivisia);

// Tehtävänä positiivisten lukujen osuuden tulostaminen

if (positiivisia + negatiivisia > 0) {
    // Tulostetaan osuus vain mikäli lukuja on syötetty
    // eli vältetään nollalla jakaminen
    double osuus = 100.0 * positiivisia / (positiivisia + negatiivisia);
    System.out.println("Positiivisten osuus " + osuus + "%");
}

Muistathan tarkistaa pistetilanteesi materiaalin oikeassa alareunassa olevasta pallosta!