2.4 Loogisia lausekkeita, valintaa ja toistoa

Tässä luvussa opetellaan ehtolausekkeiden kirjoittamista ja niiden käyttöä algoritmin toiminnan ohjaamiseen.

Tähän mennessä opitut ohjelmat ovat vähän tylsiä: ne suoritetaan aina samalla tavoin ensimmäisestä lauseesta viimeiseen. Valintalauseella ja ehdollisella toistolla algoritmin toiminta saadaan riippumaan syöttötiedoista. Toistolauseet ovat tavallaan varsinainen syy siihen, että tietokoneita kannattaa käyttää algoritmien suorittamiseen: vaikkei tietokoneista mihinkään 'viisaaseen' olisikaan, ne ovat hyvin nopeita mekaanisesti toistamaan alialgoritmeja. Ja ehkä viisas ohjelmoija voi saada koneenkin vaikuttamaan viisaalta...

• Loogisia lausekkeita (vertailuoperaatioita, loogisia operaatioita)
• Valintoja ja koottu lause
• Toistoja: for-lause
• Toistoja: while-lause
• Toistoja: do-while -lause
• Ohjelmaesimerkkejä: keskiarvo
• Syöttötietojen tarkistamisesta
• Ohjelmointiesimerkki: suurin syöttöluku

Loogisia lausekkeita

Jo luvussa 2.2 tutustuttiin ohimennen loogisiin muuttujiin ja vakioihin:

  boolean oikein;
  oikein = false;

Vertailuoperaatioita:

   >    suurempi kuin
   >=   suurempi tai yhtäsuuri kuin
   <    pienempi kuin
   <=   pienempi tai yhtäsuuri kuin
   ==   yhtäsuuri kuin
   !=   erisuuri kuin

On syytä pitää mielessa sijoitusoperaation "=" ja vertailuoperaation "==" ero:

   i = 1;  // "i saa arvokseen yksi"
   i == 1  // "onko i:n arvo yksi"

Suuremmuutta tai pienemmyyttä tutkivilla operaatioilla voi vertailla vain numeerisia lausekkeita, yhtäsuuruus ja erisuuruus ovat käytettävissä monien muidenkin arvojen vertailussa.

Esimerkki: Olkoon ohjelmassa vaikkapa seuraavat määrittelyt:

   int i = 7;
   double d = 3.14;
   boolean b = false;

   (i < 10)     on arvoltaan true
   (d > 10.0)   on arvoltaan false
   (8 == (i+1)) on arvoltaan true
   (b != true)  on arvoltaan true
   

Huom: String-arvojen vertailussa "==" ja "!=" eivät tarkoita sisältöjen vertailua vaan merkkijononojen sijaintipaikkojen vertailua, koska String-arvot ovat olioita. String-vertailuun käytetään erikoisvälineitä. Asia opitaan myöhemmin.

Loogisia operaatioita:

   &&    ehdollinen "ja",  "and"
   ||    ehdollinen "tai", "or"
   ^     poissulkeva tai,  "xor" (myös !=)
   !     negaatio,  "ei"   "not"

Operaation ehdollisuus tarkoittaa sitä, että operaation jälkimmäinen laskettava lasketaan vain, jos totuusarvo ei selviä jo ensimmäisestä! (Ehdottomat and ja or ovat "&" ja "|". Näitä käytettäessä molemmat operandit lasketaan aina.)

Esimerkki: Olkoon ohjelmassa vaikkapa seuraavat määrittelyt:

   int i = 7;
   double d = 3.14;
   boolean b = false;

   (i == 7) && (d > 10.0)    on arvoltaan false
   (i == 7) && (d < 10.0)    on arvoltaan true

   (i == 7) || (d > 10.0)    on arvoltaan true
   (i != 7) || (d > 10.0)    on arvoltaan false
   !(i == 7) || (d > 10.0)   on arvoltaan false

   (b == true) || !(b == false) on arvoltaan false 

Loogisien operaatioiden totuustaulukko (a ja b voivat itse olla mitä tahansa loogisia lausekkeita, esimerkiksi vertailuja):

     a    |   b   ||  a && b  |  a || b  |  a ^ b   |   !a 
    --------------------------------------------------------
    true  | true  ||  true    |  true    |  false   |  false
    true  | false ||  false   |  true    |  true    |  false
    false | true  ||  false   |  true    |  true    |  true
    false | false ||  false   |  false   |  false   |  true

Valintoja ja koottu lause

Ehdollinen lause eli if-lause on muotoa:

  if (ehto)
    lause

  if (ehto)
    lause1
  else
    lause2

Esimerkki (KumpiSuurempi.java): if-lauseita ilman else-osaa:

    int luku1, luku2;

    System.out.println("Anna kaksi lukua!");
    luku1 = lukija.nextInt();
    luku2 = lukija.nextInt();

    if (luku1 == luku2)
      System.out.println("Luvut ovat yhtä suuret.");

    if (luku1 > luku2)
      System.out.println("Ensimmäinen luku on suurempi.");

    if (luku1 < luku2)
      System.out.println("Toinen luku on suurempi.");

Esimerkki (Samat.java): if-lause else-osalla:

   if (luku1 == luku2)
      System.out.println("Luvut ovat yhtä suuret.");
   else
      System.out.println("Luvut eivät ole yhtä suuret.");

Jos valintavaihtoehto - valittava alialgoritmi - muodostuu useammasta lauseesta, nuo lauseet on koottava yhteen ns. lohkoksi (block) eli "kootuksi lauseeksi". Lohko on merkkien "{" ja "}" välissä oleva lauseiden jono. Noita merkkejä sanotaan joskus käskysulkeiksi. (Huomaa miten näitä samoja merkkejä käytetään luokan ja pääohjelman rajaamiseen!)

Esimerkki: alialgoritmeissa useita lauseita:

    if (luku1 > luku2) {
      System.out.println("Korvataan luku1 luku2:lla");
      luku1 = luku2;
    }
    else {
      System.out.println("Korvataan luku2 luku1:llä");
      luku2 = luku1;
    }

Melko usein algoritmeja laadittaessa ehdollisia lauseita joudutaan ketjuttamaan.

Esimerkki: Halutaan double-muuttujan a arvosta riippuen suorittaa eri lause seuraavissa tilanteissa:

• jos muuttuja a on nollaa pienempi, lause1
• jos muuttuja a on välillä [1, 50), lause2
• jos muuttuja a on välillä (61, 103), lause3
• jos muuttuja a on välillä [203, 429], lause4
• jos muuttuja a on välillä [929, 1021), lause5
• jos muuttuja a on välillä [1621, 5000), lause6
• muissa tapauksissa lause7

   if ( a < 0 )
     lause1;
   else
     if ( a >=1  &&  a < 50 )
       lause2;
     else
       if ( a > 61 && a < 103 )
         lause3;
       else
         if ( a >= 203 && a <= 429 )
            lause4;
         else
           if ( a >= 929 && a < 1021 )
             lause5;
           else
             if ( a >= 1621 && a < 5000 )
               lause6;
             else
               lause7;

   if ( a < 0 )
     lause1;
   else if ( a >=1  &&  a < 50 )
     lause2;
   else if ( a > 61 && a < 103 )
     lause3;
   else if ( a >= 203 && a <= 429 )
     lause4;
   else if ( a >= 929 && a < 1021 )
     lause5;
   else if ( a >= 1621 && a < 5000 )
     lause6;
   else
    lause7;

Mitä seuraava kääntäjän kannalta ihan kelvollinen ohjelmanpätkä tekee?

if (a<0) lause1; else if (a>=0&&a<51) lause2;else if(a 
>=51&&a<103) lause3;else if (a>=103&&a<429) lause4;else 
if (a>=429&&a<1021) lause5;else if (a>=1021&&a<5000)
lause6;else lause7;

    if (luku1 == luku2)
      System.out.println("Luvut ovat yhtä suuret.");
    else if (luku1 > luku2)
      System.out.println("Ensimmäinen luku on suurempi.");
    else   // nyt tiedetään varmasti että luku1 < luku2 ! 
      System.out.println("Toinen luku on suurempi.");

Esimerkki ohjelmointikielen määrittelijän ja toteuttajan ongelmasta:
Koska if-lauseita on kahdenlaisia - niihin joko liittyy tai ei liity else-osa - syntyy seuraavanlainen moniselitteisyysongelma:
Tarkoittaako

   if (a<b) if (c<d) e = f; else g=h; 

   if (a<b)                    if (a<b) 
      if (c<d)                   if (c<d)
           e = f;      VAI          e = f;
   else                          else 
      g=h;                          g=h;

  if (a<b) {
    if (c<d)
       e = f;
  }
  else
    g=h;

Toistoja: for-lause

Java-kielen for-toistolauseen muoto on

  for (alkuasetus; jatkamisehto; eteneminen)
    toistettava lause

• alkuasetus on lause, joka suoritetaan yhden kerran ennen toistojen aloittamista
• jatkamisehto on totuusarvoinen lauseke, joka tarkistetaan ennen jokaista toistokertaa; jos lausekkeen arvo on false, koko for-lause päättyy siihen, jos true, toistettava lause suoritetaan ainakin kerran
• eteneminen on lause, joka suoritetaan jokaisen toistokerran jälkeen
• toistettava lause on toistettava alialgoritmi; jos se muodostuu useista lauseista, lauseet on suljettava käskysulkeisiin "{" ja "}".

Hyvin tavallinen ja luonteva käyttötapa for-lauseelle on arvoalueen läpikäynti:

     int i;
     for (i=0; i<6; ++i)
       System.out.println(i);

0
1
2
3
4
5

     for (int i=0; i<6; ++i)
       System.out.println(i);

For-lauseen toistama alialgoritmi voi toki sisältää for-toiston:

     for (int i=0; i<3; ++i)
       for (int j=0; j<2; ++j)
         System.out.println(i+"  "+j);

0  0
0  1
1  0
1  1
2  0
2  1 

     //Tulostetaan 3.14:n kahtakymmentä pienemmät monikerrat:
     for (double piit = 3.14; piit < 20; piit+=3.14)
       System.out.println(piit);

3.14
6.28
9.42
12.56
15.700000000000001
18.84

For-lauseen osat (alkuasetus, jatkamisehto, eteneminen, toistettava lause) voivat olla monimutkaisempiakin. Toistaiseksi tyydymme käyttämään for-lausetta arvoalueiden läpikäyntiin.

Huom: Javan versio 1.5. toi mukanaan uudenlaisen version myös for-lauseesta. Siinen tutustutaan taulukkojen yhteydessä.

Toistoja: while-lause

Tämä toistotapa soveltuu tilanteeseen, jossa toistokertoja tarvitaan nolla tai enemmän. While-toistossa alialgoritmia ei siis välttämättä toisteta kertaakaan.

While-toisto on muotoa

   while (jatkamisehto) 
     lause

• jatkamisehto on looginen lauseke; jos se on arvoltaan true, lause suoritetaan
• lause on toistettava alialgoritmi; jos se muodostuu useista lauseista, lauseet on suljettava käskysulkeisiin "{" ja "}".

Edellä nähty for-esimerkki:

     int i;
     for (i=0; i<6; ++i)
       System.out.println(i);

     int i=0;
     while (i<6) {
       System.out.println(i);
       ++i;
     }

import java.util.Scanner;

public class Tuplatw {
  private static Scanner lukija = new Scanner(System.in);

  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("Lukujen tuplausohjelma, nolla lopettaa");
    int luku = lukija.nextInt();
    while (luku != 0) {
      System.out.println("Tuplana: "+luku*2);
      luku = lukija.nextInt();
     }
    System.out.println("Siinä ne olivat.");
  }
} 

Lukujen tuplausohjelma, nolla lopettaa
3
Tuplana: 6
-8
Tuplana: -16
0
Siinä ne olivat.

     System.out.println("Lukujen tuplausohjelma, nolla lopettaa");

     for  (int luku=lukija.nextInt();  // alustus
           luku != 0;                  // jatkamisehto
           luku=lukija.nextInt()) {    // eteneminen

        System.out.println("Tuplana: "+luku*2);
     }
    System.out.println("Siinä ne olivat.");

Toistoja: do-while -lause

Tämä toistotapa soveltuu tilanteeseen, jossa toistokertoja tarvitaan yksi tai enemmän, toistettava alialgoritmi siis suoritetaan ainakin kerran.

Do-while -toisto on muotoa

   do
     lause
   while (jatkamisehto)

• lause on toistettava alialgoritmi; jos se muodostuu useista lauseista, lauseet on suljettava käskysulkeisiin "{" ja "}".
• jatkamisehto on looginen lauseke; jos se on arvoltaan true, lause suoritetaan uudelleen

Edellä nähdyt for- ja while-esimerkit

     int i;
     for (i=0; i<6; ++i)
       System.out.println(i);

     int i=0;
     while (i<6) {
       System.out.println(i);
       ++i;
     }

     int i=0;
     do {
       System.out.println(i);
       ++i;
     } while (i<6);

Yksi tyypillinen käyttö loppuehtoiselle toistolle on syöttötietojen tarkistaminen. Laaditaan sovellus Pariton.java, joka välttämättä haluaa parittoman luvun:

import java.util.Scanner;

public class Pariton {
  private static Scanner lukija = new Scanner(System.in);

  public static void main(String[] args) {
    int luku;
    boolean parillinen;

    do {
      System.out.println("Anna pariton luku!");
      luku = lukija.nextInt();
      parillinen = (luku%2 == 0);
      if (parillinen) 
        System.out.println("Eihän "+luku+" ole pariton ...");
    } while (parillinen);
    System.out.println("Hienoa, "+luku+" on pariton!");
  }
}

Anna pariton luku!
468
Eihän 468 ole pariton ...
Anna pariton luku!
-32
Eihän -32 ole pariton ...
Anna pariton luku!
9
Hienoa, 9 on pariton!

Huom: Totuusarvoisten muuttujien (eli loogisten eli boolean-muuttujuen) käyttäminen voi olla järkevää ja selkeää äskeisen esimerkin tapaan:

   boolean parillinen;
   ...
   parillinen = (luku%2 == 0);
      if (parillinen)
        ...
    } while (parillinen);

   int i = 7;
   double d = 3.14;
   boolean b, bb, bbb;

   b   = (i == 7) && (d > 10.0);  // false
   bb  = (i == 7) && (d < 10.0);  // true

   b   = (i == 7) || (d > 10.0);  // true
   bb  = (i != 7) || (d > 10.0);  // false

   bbb = !b || !!bb;              // false

   if (b)
      ...;
   while (bb) 
      ...;
   do
      ....;
   while (bbb);

Ohjelmaesimerkkejä: keskiarvo

Esimmäinen ohjelmaversio (Karvo1.java) kysyy lukujen lukumäärän käyttäjältä.

import java.util.Scanner;

public class Karvo1 {
  private static Scanner lukija = new Scanner(System.in);

  public static void main(String[] args) {

    int lukujenLkm = 0;
    boolean lkmOk;

    double luku,
           lukujenSumma = 0,
           lukujenKarvo;

    System.out.println("\n**** Keskiarvon laskenta ****\n");

   // Monenko luvun keskiarvo lasketaan 
   // (tarkistetaan, että määrä ei ole negatiivinen):

    do {
      System.out.print("Monenko luvun keskiarvo lasketaan? ");
      lukujenLkm = lukija.nextInt();
      lkmOk = (lukujenLkm >= 0);   // nollakin kelpaa!
      if (!lkmOk)
        System.out.println("Virhe: negatiivinen ei kelpaa!");
    } while (!lkmOk); 


   // Lukujen summan laskenta:

    for (int monesko = 1; monesko <= lukujenLkm; ++monesko) {
      System.out.print("Anna "+monesko+". luku: ");
      luku = lukija.nextDouble();
      lukujenSumma += luku;
    }

  // Keskiarvon tulostus (estetään 0:lla jakaminen):

    if (lukujenLkm == 0)
      System.out.println("\nEi lukuja, ei keskiarvoa.\n");
    else {
      lukujenKarvo = lukujenSumma/lukujenLkm;
      System.out.println("\nKeskiarvo on "+lukujenKarvo+".\n");
    }
  }
}

**** Keskiarvon laskenta ****

Monenko luvun keskiarvo lasketaan? -23
Virhe: negatiivinen ei kelpaa!
Monenko luvun keskiarvo lasketaan? 3
Anna 1. luku: 40,1
Anna 2. luku: -3
Anna 3. luku: 9.1

Keskiarvo on 15.4.
 

import java.util.Scanner;

public class Karvo2 {
  private static Scanner lukija = new Scanner(System.in);

  public static void main(String[] args) {

    int lukujenLkm = 0;

    double luku,
           lukujenSumma = 0,
           lukujenKarvo;

    System.out.println("\n**** Keskiarvon laskenta ****\n");

   // Käyttöohjeen tulostus:

    System.out.println("Syötä luvut, joiden keskiarvon haluat laskea!\n"+
                        "Negatiivinen luku ilmoittaa lukujen loppuvan.\n");


   // Lukujen summan laskenta:

    luku = lukija.nextDouble();      // 1. luku (voi olla jo loppumerkki!)
    while (luku >= 0) {
      lukujenSumma += luku;
      ++lukujenLkm;
      luku = lukija.nextDouble();    // seuraava luku tai loppumerkki
    }

  // Keskiarvon tulostus (estetään 0:lla jakaminen):

    if (lukujenLkm == 0)
      System.out.println("\nEi lukuja, ei keskiarvoa.\n");
    else {
      lukujenKarvo = lukujenSumma/lukujenLkm;
      System.out.println("\nKeskiarvo on "+lukujenKarvo+".\n");
    }
  }
}

**** Keskiarvon laskenta ****

Syötä luvut, joiden keskiarvon haluat laskea!
Negatiivinen luku ilmoittaa lukujen loppuvan.

21,2
0,02
33
2,5
-1

Keskiarvo on 14.18.
 

import java.util.Scanner;

public class Karvo3 {
  private static Scanner lukija = new Scanner(System.in);

  public static void main(String[] args) {

    int lukujenLkm = 0,
        jatkuu;

    double luku,
           lukujenSumma = 0,
           lukujenKarvo;

    System.out.println("\n**** Keskiarvon laskenta ****\n");

   // Lukujen summan laskenta:

    do {
      System.out.println("Onko vielä lukuja? (1:on, muu luku: ei)");
      jatkuu = lukija.nextInt();
      if (jatkuu == 1) {
        System.out.println("Anna " + (lukujenLkm + 1) + ". luku");
        luku = lukija.nextDouble();
        lukujenSumma += luku;
        ++lukujenLkm;
      }
    } while (jatkuu == 1);

  // Keskiarvon tulostus (estetään 0:lla jakaminen):

    if (lukujenLkm == 0)
      System.out.println("\nEi lukuja, ei keskiarvoa.\n");
    else {
      lukujenKarvo = lukujenSumma/lukujenLkm;
      System.out.println("\nKeskiarvo on "+lukujenKarvo+".\n");
    }
  }
}

**** Keskiarvon laskenta ****

Onko vielä lukuja? (1:on, muu luku: ei)
1
Anna 1. luku
76
Onko vielä lukuja? (1:on, muu luku: ei)
1
Anna 2. luku
-4
Onko vielä lukuja? (1:on, muu luku: ei)
0

Keskiarvo on 36.0.

    ...
    String jatkuu;
    ...
    do {
      System.out.println("Onko vielä lukuja? (kyllä/ei)");

      jatkuu = lukija.next();

      if (jatkuu.equals("kyllä")) {
        System.out.println("Anna " + (lukujenLkm + 1) + ". luku");
        luku = lukija.nextDouble();
        lukujenSumma += luku;
        ++lukujenLkm;
      }
    } while (jatkuu.equals("kyllä"));
    ...

Onko vielä lukuja? (kyllä/ei)
kyllä
Anna 1. luku
314
Onko vielä lukuja? (kyllä/ei)
kyllä
Anna 2. luku
51
Onko vielä lukuja? (kyllä/ei)
kyllä
Anna 3. luku
-23
Onko vielä lukuja? (kyllä/ei)
ei

Keskiarvo on 114.0.

Syöttötietojen tarkistamisesta

• nextInt() lukee kokonaisluvun
• nextDouble() lukee desimaaliluvun (huom: desimaalipilkku ellei erikseen muuta määrätä!)
• nextLine() lukee koko rivin merkkijonona
• next() lukee "seuraavan syöttöalkion" merkkijonona

Exception in thread "main" java.util.InputMismatchException
        at java.util.Scanner.throwFor(Scanner.java:819)
        at java.util.Scanner.next(Scanner.java:1431)
        at java.util.Scanner.nextDouble(Scanner.java:2335)
        at KolmeKarvo.main(KolmeKarvo.java:14)

Scanner-luokassa on joukko totuusarvoisia eli boolean-tyyppisiä metodeita seuraavaksi luettavan syöttöalkion tyypin tutkimiseen, muiden muassa:

• hasNextInt() on tosi, jos seuraava syöttöalkio on kokonaisluku
• hasNextDouble() on tosi, jos seuraava syöttöalkio on desimaaliluku
• hasNextLine() on tosi, jos on luettavissa on syöttörivi, ts. luettavissa on vähintään rivinvaihtomerkki/-merkit
• hasNext() on tosi, jos jotakin välilyönnistä ja rivinvaihdosta poikkeavaa on luettavissa

Näillä välineillä voidaan tarkistaa esimerkiksi, onko seuraava syöttöalkio kokonaisluku (Tarkista1.java):

        int luku;

        System.out.println("Anna kokonaisluku.");

        if (lukija.hasNextInt()) {
            luku = lukija.nextInt();
            System.out.println("Annoit luvun " + luku);

        } else {
            System.out.println("Et syöttänyt kokonaislukua!");
        }

Toki voidaan myös vaatia kunnon kokonaisluku (Tarkista2.java):

        int luku = 0;   // kääntäjän iloksi!
        boolean kunnonLuku;

        do {
          System.out.println("Anna kokonaisluku.");
          kunnonLuku = lukija.hasNextInt();
          if (kunnonLuku)
             luku = lukija.nextInt();
          else {
            String väärä = lukija.next();  // ohitetaan kelvoton alkio
            System.out.print  (väärä + " ei ole kokonaisluku! ");
            System.out.println("Yritä uudelleen!");
          }
        } while (!kunnonLuku);

        System.out.println("Annoit luvun " + luku);

Koska tällä kurssilla harjoitellaan ohjelmoinnin perusvälineistöä, useinkaan ei ole syytä käyttää voimia ja ohjelmarivejä syöttötietojen tarkastamiseen, jottei opeteltava uusi asia hukkuisi muun ohjelmatekstin sisään. Jos ja kun harjoitus- ja koetehtävissä syötteiden tarkistamista vaaditaan, se sanotaan erikseen.

On kuitenkin syytä pitää mielessä se jo useampaan kertaan todettu sääntö, että "oikeissa" käyttäjille tarkoitetuissa ohjelmissa syöttötiedot tarkistetaan aina!

Ohjelmointiesimerkki: suurin syöttöluku

Laadi ohjelma, joka etsii syöttöluvuista suurimman. Nolla on loppumerkki.

Ratkaisu (SuurinSyottoluku.java):

import java.util.Scanner;

public class SuurinSyottoluku {
  private static Scanner lukija = new Scanner(System.in);

  public static void main(String[] args) {

    int syöttöluku,
        toistaiseksiSuurin = 0;  // muuttuu aina, jos on lukuja

   
    System.out.println("************************************************\n" +
                       "* Ohjelma syöttölukujen maksimiarvon etsintään *\n" +
                       "*        Nolla päättää syötteet.               *\n" +
                       "*        Anna luvut!                           *\n" +
                       "************************************************\n");

    syöttöluku = lukija.nextInt();
    toistaiseksiSuurin = syöttöluku;

    while (syöttöluku != 0) {
      if (syöttöluku > toistaiseksiSuurin)
        toistaiseksiSuurin = syöttöluku;
      syöttöluku = lukija.nextInt();
    }

    if (toistaiseksiSuurin == 0)
      System.out.println("Ei lukuja!");
    else
      System.out.println("Suurin luku oli " + toistaiseksiSuurin);
  }
}

Takaisin luvun 2 sisällysluetteloon.