Python 為什麼不設計 do-while 迴圈結構?

語言: CN / TW / HK

在某些程式語言中,例如 C/C++、C#、PHP、Java、JavaScript 等等,do-while 是一種基本的迴圈結構。

它的核心語義是:先執行一遍 迴圈體程式碼 ,然後執行一遍 條件語句 ,若條件語句判斷為真,則繼續執行迴圈體程式碼,並再次執行條件語句;直到條件語句判斷為假,則跳出迴圈結構。

流程圖如下(Java 示例):

// 列印小於 20 的數字
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 並不支援 do-while 結構,“do”並不是一個有效的關鍵字。

那麼,為什麼 Python 不提供這種語法結構呢,這種現狀的背後有何種設計考量因素呢?

在回答這個問題之前,讓我們再仔細思考一下 do-while 語法可以解決什麼問題,看看使用這種結構能帶來什麼好處?

最顯而易見的好處是:do-while 語法保證了會先執行一遍迴圈體程式碼。

它的使用場景也許不多,但是,跟普通的 while 迴圈或者 for 迴圈語法的“ 條件前置 ”思想不同,它體現的是一種“ 條件後置 ”的程式設計邏輯,也是一種控制迴圈的常見方式。

它們的關係似乎有點像 C/C++ 這些語言中的 i++++i 操作的區別,在某些特殊場合中,也許會更為高效。

除了這一特點,這種結構最大的應用場景其實是在 C/C++ 中特殊的 do {...} while (0) 用法。這在很多開源專案的原始碼中都能找到蹤跡,例如 Linux、Redis 以及 CPython 直譯器,等等。

這裡面的數字 0 表示布林值 False,意味著迴圈只會執行一遍,然後就跳出。

這樣的寫法是不是很詭異?所謂“迴圈”,一般就意味著程式體會被反覆執行多次,但是, do {...} while (0) 卻偏偏只需要它執行一遍,這初看起來是有點多餘啊。

這種寫法主要用在巨集函式的定義中,可以解決巨集程式碼塊的編譯問題,使程式碼按照我們的意圖而合理分塊。

另外, do {...} while (0) 結合 break 使用,還可以實現很優雅的跳轉控制效果。

在下面的示例中,步驟 1、4 和 5 要求必須執行,而步驟 2 取決於步驟 1 的執行結果,步驟 3 則取決於步驟 2 的執行結果。

do {
  // 執行步驟 1 
  if (條件1失敗) {
    break;
  }
  // 執行步驟 2 
  if (條件2失敗) {
    break;
  }
  // 執行步驟 3 
  if (條件3失敗) {
    break;
  }
} while(0);
// 執行步驟 4
// 執行步驟 5

在這種場景中,我們確實只需要按照順序執行一遍。do-while 結構很清晰,避免造成多層條件巢狀或者設定諸多額外標記的局面。

最後還有一點,在彙編層面,do-while 比 while 更接近組合語言的邏輯,可以節省使用指令,在過去的低記憶體時代,算得上是一種優化寫法。

分析完 do-while 的好處後,讓我們回到主題:Python 為什麼不需要設計 do-while 迴圈語法呢?

首先,Python 離底層應用程式設計太遠了,就不用考慮彙編指令的優化了,同時,它也不涉及巨集的使用。

至於“條件前置”和“條件後置”的區別,其實並沒有太大影響,而且,由於 Python 使用簡潔優雅的縮排加冒號語法來劃分程式碼塊,導致直譯過來的 do-while 語法看起來會很怪異(注意,直譯的 while 的條件後沒有其它內容):

do:
    pass
while False

想要引入新的語法特性,必然要遵守既定的風格習慣。其它語言的 do-while 結構直譯成 Python 的話,肯定不合適。

事實上,在 2003 年時,有一個 PEP 提議給 Python 加上 do-while 語法支援:

PEP-315 Enhanced While Loop

該 PEP 提議增加一個可選的 do 子句,支援將 while 迴圈擴充套件成這樣子:

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

這不是簡單地從其它語言翻譯成 Python,它的 while 語句後保留了 Python 的縮排用法,並不會造成直譯形式的突兀結果。

加上 while 迴圈本身已支援的可選的 else 子句,因此,while 完整的語法結構是這樣的:

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

(PS.在本系列的下一篇文章,我們將解釋為什麼 Python 要支援 while-else 語法)

也就是說,在保持原 while 迴圈語法不變的情況下,PEP-315 提議支援在 while 前面使用一個可選的 do 子句。

do 子句只會執行一遍,當它裡面出現 break 時,則跳出整個 do-while 迴圈;當 do 子句中出現 continue 時,則跳出 do 子句,進到 while 的條件判斷中。

有了 do 子句後,很容易就能實現 do {...} while (0) 的跳轉控制效果。

但是,這個 PEP 遭到了一些核心開發者的反對。

反對的理由是,不需要引入新的關鍵字和語法,僅使用現有語法就能很好地實現同樣的功能:

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

Python 之父 Guido van Rossum 也持反對意見,他的原話是:

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.

簡單翻譯一下,這種 do-while 語法並不會使 Python 更優雅好用,反而會產生閱讀/維護程式碼的理解負擔。

就個人的感覺而言,我也不贊成引入 PEP-315 那種可選的 do-while 語法,雖然它比固定形式的 do-while 結構更為靈活和優雅一點。

最後稍微總結一下,do-while 作為一種常見的迴圈結構,在其它語言中有所發揮,它甚至還發展出了 do {...} while (0) 的典型用法,但是,do-while 能夠解決的幾個問題要麼在 Python 中並不存在(巨集定義、彙編指令),要麼就是已經有更為合適而低成本的實現(跳轉控制)。

看完這篇文章,你是否還有其它補充的內容呢?歡迎交流討論。

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