Python 为什么不设计 do-while 循环结构?

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在某些编程语言中,例如 C/C++、C#、PHP、Java、JavaScript 等等,do-while 是一种基本的循环结构。

它的核心语义是:先执行一遍 循环体代码 ,然后执行一遍 条件语句 ,若条件语句判断为真,则继续执行循环体代码,并再次执行条件语句;直到条件语句判断为假,则跳出循环结构。

流程图如下(Java 示例):

// 打印小于 20 的数字
public class Test {
   public static void main(String[] args){
      int x = 10;
      do {
         System.out.print("value of x : " + x );
         x++;
         System.out.print("\n");
      } while(x < 20);
   }
}

Python 并不支持 do-while 结构,“do”并不是一个有效的关键字。

那么,为什么 Python 不提供这种语法结构呢,这种现状的背后有何种设计考量因素呢?

在回答这个问题之前,让我们再仔细思考一下 do-while 语法可以解决什么问题,看看使用这种结构能带来什么好处?

最显而易见的好处是:do-while 语法保证了会先执行一遍循环体代码。

它的使用场景也许不多,但是,跟普通的 while 循环或者 for 循环语法的“ 条件前置 ”思想不同,它体现的是一种“ 条件后置 ”的编程逻辑,也是一种控制循环的常见方式。

它们的关系似乎有点像 C/C++ 这些语言中的 i++++i 操作的区别,在某些特殊场合中,也许会更为高效。

除了这一特点,这种结构最大的应用场景其实是在 C/C++ 中特殊的 do {...} while (0) 用法。这在很多开源项目的源码中都能找到踪迹,例如 Linux、Redis 以及 CPython 解释器,等等。

这里面的数字 0 表示布尔值 False,意味着循环只会执行一遍,然后就跳出。

这样的写法是不是很诡异?所谓“循环”,一般就意味着程序体会被反复执行多次,但是, do {...} while (0) 却偏偏只需要它执行一遍,这初看起来是有点多余啊。

这种写法主要用在宏函数的定义中,可以解决宏代码块的编译问题,使代码按照我们的意图而合理分块。

另外, do {...} while (0) 结合 break 使用,还可以实现很优雅的跳转控制效果。

在下面的示例中,步骤 1、4 和 5 要求必须执行,而步骤 2 取决于步骤 1 的执行结果,步骤 3 则取决于步骤 2 的执行结果。

do {
  // 执行步骤 1 
  if (条件1失败) {
    break;
  }
  // 执行步骤 2 
  if (条件2失败) {
    break;
  }
  // 执行步骤 3 
  if (条件3失败) {
    break;
  }
} while(0);
// 执行步骤 4
// 执行步骤 5

在这种场景中,我们确实只需要按照顺序执行一遍。do-while 结构很清晰,避免造成多层条件嵌套或者设置诸多额外标记的局面。

最后还有一点,在汇编层面,do-while 比 while 更接近汇编语言的逻辑,可以节省使用指令,在过去的低内存时代,算得上是一种优化写法。

分析完 do-while 的好处后,让我们回到主题:Python 为什么不需要设计 do-while 循环语法呢?

首先,Python 离底层应用编程太远了,就不用考虑汇编指令的优化了,同时,它也不涉及宏的使用。

至于“条件前置”和“条件后置”的区别,其实并没有太大影响,而且,由于 Python 使用简洁优雅的缩进加冒号语法来划分代码块,导致直译过来的 do-while 语法看起来会很怪异(注意,直译的 while 的条件后没有其它内容):

do:
    pass
while False

想要引入新的语法特性,必然要遵守既定的风格习惯。其它语言的 do-while 结构直译成 Python 的话,肯定不合适。

事实上,在 2003 年时,有一个 PEP 提议给 Python 加上 do-while 语法支持:

PEP-315 Enhanced While Loop

该 PEP 提议增加一个可选的 do 子句,支持将 while 循环扩展成这样子:

do:
    <setup code>
while <condition>:
    <loop body>

这不是简单地从其它语言翻译成 Python,它的 while 语句后保留了 Python 的缩进用法,并不会造成直译形式的突兀结果。

加上 while 循环本身已支持的可选的 else 子句,因此,while 完整的语法结构是这样的:

while_stmt : ["do" ":" suite]
            "while" expression ":" suite
            ["else" ":" suite]

(PS.在本系列的下一篇文章,我们将解释为什么 Python 要支持 while-else 语法)

也就是说,在保持原 while 循环语法不变的情况下,PEP-315 提议支持在 while 前面使用一个可选的 do 子句。

do 子句只会执行一遍,当它里面出现 break 时,则跳出整个 do-while 循环;当 do 子句中出现 continue 时,则跳出 do 子句,进到 while 的条件判断中。

有了 do 子句后,很容易就能实现 do {...} while (0) 的跳转控制效果。

但是,这个 PEP 遭到了一些核心开发者的反对。

反对的理由是,不需要引入新的关键字和语法,仅使用现有语法就能很好地实现同样的功能:

while True:
    <setup code>
    if not <condition>:
        break
    <loop body>

Python 之父 Guido van Rossum 也持反对意见,他的原话是:

Please reject the PEP. More variations along these lines won't make the  language more elegant or easier to learn. They'd just save a few hasty  folks some typing while making others who have to read/maintain their code wonder what it means.

简单翻译一下,这种 do-while 语法并不会使 Python 更优雅好用,反而会产生阅读/维护代码的理解负担。

就个人的感觉而言,我也不赞成引入 PEP-315 那种可选的 do-while 语法,虽然它比固定形式的 do-while 结构更为灵活和优雅一点。

最后稍微总结一下,do-while 作为一种常见的循环结构,在其它语言中有所发挥,它甚至还发展出了 do {...} while (0) 的典型用法,但是,do-while 能够解决的几个问题要么在 Python 中并不存在(宏定义、汇编指令),要么就是已经有更为合适而低成本的实现(跳转控制)。

看完这篇文章,你是否还有其它补充的内容呢?欢迎交流讨论。

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