迴圈（loop）是任何會讓程式重複執行某段程式碼的迭代控制結構，包括 for、while、do-while 等。迴圈是程式設計中最複雜的面向之一，正確選擇與控制迴圈是建構高品質軟體的關鍵。

16.1 選擇迴圈的種類#

迴圈可依彈性和測試位置分為四類：

測試位置決定迴圈體是否至少執行一次：開頭測試的迴圈體不一定執行；結尾測試的至少執行一次；中間測試的則是測試前的部分至少執行一次。

flowchart TD
    Q1{"知道執行次數？"}
    Q2{"遍歷容器？"}
    Q3{"需要至少執行一次？"}
    Q4{"退出條件在中間？"}

    R1["使用 for"]
    R2["使用 foreach"]
    R3["使用 do-while"]
    R4["使用 while(true) + break"]
    R5["使用 while"]

    Q1 -- "是" --> R1
    Q1 -- "否" --> Q2
    Q2 -- "是" --> R2
    Q2 -- "否" --> Q3
    Q3 -- "是" --> R3
    Q3 -- "否" --> Q4
    Q4 -- "是" --> R4
    Q4 -- "否" --> R5

何時使用 while 迴圈#

若事先不知道迭代次數，使用 while 迴圈。主要的設計決策是測試放開頭還是結尾：

• 開頭測試：while — 迴圈體可能不執行。
• 結尾測試：do-while — 迴圈體至少執行一次。

何時使用 loop-with-exit 迴圈#

loop-with-exit 是退出條件在迴圈中間的結構。典型用途是避免「迴圈半圈」（loop-and-a-half）問題——即必須在迴圈前後重複同一段程式碼。

// 不佳：重複程式碼，維護時容易遺漏
score = 0;
GetNextRating( &ratingIncrement );
rating = rating + ratingIncrement;
while ( ( score < targetScore ) && ( ratingIncrement != 0 ) ) {
   GetNextScore( &scoreIncrement );
   score = score + scoreIncrement;
   GetNextRating( &ratingIncrement );
   rating = rating + ratingIncrement;
}

// 較佳：用 while(true)-break 模擬 loop-with-exit
score = 0;
while ( true ) {
   GetNextRating( &ratingIncrement );
   rating = rating + ratingIncrement;
   if ( !( ( score < targetScore ) && ( ratingIncrement != 0 ) ) ) {
      break;
   }
   GetNextScore( &scoreIncrement );
   score = score + scoreIncrement;
}

研究顯示，loop-with-exit 結構更接近人類對迭代控制的思維模式，學生在理解度測試中的分數提高了 25%。使用時應將所有退出條件集中在同一處，並用註解清楚說明。

何時使用 for 迴圈#

for 迴圈適合簡單、固定次數的迭代。它把控制碼集中在迴圈頂端，設定後就不需要在內部控制。

• 不要在 for 迴圈內部改變索引來強制終止——改用 while。
• 不要把不相關的程式碼塞進 for 的標頭。

將 while 迴圈的邏輯硬擠進 for 標頭是常見的濫用。for 標頭只應包含初始化、終止條件、和推進迴圈的述句。

何時使用 foreach 迴圈#

foreach（C#）、For-Each（VB）、for-in（Python）適合對容器每個成員執行操作。它的優勢是消除迴圈管理算術，從根本上避免索引錯誤。

16.2 迴圈控制#

迴圈常見的問題包括：初始化不正確或遺漏、累加器未初始化、巢狀不當、終止條件錯誤、索引遞增不正確、陣列索引偏移錯誤等。兩個核心原則：

1. 簡化——減少影響迴圈的因素。
2. 把迴圈內部當成子程式——控制邏輯盡量放在外部，讓迴圈成為黑盒子。

進入迴圈#

• 只從一個位置進入：從頂端進入即可，不需要多重入口。
• 初始化程式碼緊鄰迴圈：依循鄰近原則（Principle of Proximity），避免初始化散落在其他位置。
• 無限迴圈使用 while(true)：不要用 for i = 1 to 99999 之類的假無限迴圈，因為具體數字會混淆意圖。
• 適當時優先用 for 迴圈：for 把控制碼集中在一處，修改時較不易出錯。
• for 標頭只放控制述句：初始化、終止測試、推進迴圈的述句才放在標頭中。

處理迴圈中段#

• 一律用大括號 {} 包住迴圈體：不影響效能，卻能防止修改時引入錯誤。
• 避免空迴圈：把工作塞在測試條件裡會讓讀者困惑，應改寫成明確的迴圈體。
• 管理述句集中放置：像 i++ 這類管理述句統一放在迴圈的開頭或結尾。
• 每個迴圈只做一件事：和子程式一樣，一個迴圈應只負責一個功能。若擔心效能，先寫成兩個迴圈並加註解，等效能測試確認有問題再合併。

退出迴圈#

• 確認迴圈一定會結束：用心智模擬跑過正常情況、邊界情況和所有例外情況。
• 讓終止條件顯而易見：把控制邏輯集中在一處（for 標頭或 while 條件）。
• 不要擅改 for 迴圈索引來強制終止：這是業餘的做法，應改用 while 迴圈。

// 不佳：竄改索引來終止迴圈
for ( int i = 0; i < 100; i++ ) {
   if ( ... ) {
      i = 100;  // 業餘做法
   }
}

• 不要依賴迴圈索引的終值：索引在正常與異常終止時的值不同，且因語言和實作而異。應在迴圈內用額外變數保存需要的值。

// 不佳：依賴索引終值
for ( recordCount = 0; recordCount < MAX_RECORDS; recordCount++ ) {
   if ( entry[ recordCount ] == testValue ) {
      break;
   }
}
if ( recordCount < MAX_RECORDS ) { return true; }

// 較佳：用布林變數記錄結果
found = false;
for ( recordCount = 0; recordCount < MAX_RECORDS; recordCount++ ) {
   if ( entry[ recordCount ] == testValue ) {
      found = true;
      break;
   }
}
return found;

• 考慮使用安全計數器（safety counter）：在關鍵迴圈中加入計數器，若超過預期上限就觸發斷言，防止無限迴圈造成災難性錯誤。

提前退出迴圈#

• break：讓迴圈從正常出口終止，程式從迴圈後第一行繼續執行。
• continue：跳過本次迭代的剩餘部分，從下一次迭代的開頭繼續。

檢查端點#

為每個迴圈心智模擬三個案例：第一次、任意中間一次、最後一次。若有特殊情況也要額外檢查。複雜計算時拿出計算機手動驗算。

高效率的程式設計師會做心智模擬和手動計算，因為他們知道這能發現錯誤。低效率的程式設計師傾向隨機嘗試（改 < 為 <=、加減 1），即使碰巧成功也不理解原因。

使用迴圈變數#

• 用整數或列舉型別：浮點數遞增不精確，可能造成無限迴圈（例如 26,742,897.0 + 1.0 可能仍等於 26,742,897.0）。
• 巢狀迴圈使用有意義的名稱：避免 i、j、k 搭配多維陣列。

// 不佳：i, j, k 什麼都看不出來
for ( int i = 0; i < numPayCodes; i++ )
   for ( int j = 0; j < 12; j++ )
      for ( int k = 0; k < numDivisions; k++ )
         sum = sum + transaction[ j ][ i ][ k ];

// 較佳：變數名稱自我說明
for ( int payCodeIdx = 0; payCodeIdx < numPayCodes; payCodeIdx++ )
   for ( int month = 0; month < 12; month++ )
      for ( int divisionIdx = 0; divisionIdx < numDivisions; divisionIdx++ )
         sum = sum + transaction[ month ][ payCodeIdx ][ divisionIdx ];

• 避免索引交叉干擾（index cross-talk）：習慣性使用 i 容易在巢狀中重複使用同一變數，造成外層索引被內層覆蓋。
• 將迴圈索引的作用域限制在迴圈內：在 for 內宣告索引變數，但注意不同編譯器對作用域的實作可能不一致。

迴圈應多長#

• 能一眼看完：實務上很少需要超過 15-20 行。
• 巢狀不超過三層：研究顯示超過三層時理解力會顯著下降。
• 長迴圈的內容提取成子程式：從迴圈內呼叫即可。
• 長迴圈須格外清晰：避免 break、continue、複雜終止條件等高風險技巧，改用單一出口與明確的退出條件。

16.3 輕鬆建立迴圈——由內而外#

建構複雜迴圈的技巧：從具體的單一案例開始，逐步向外包裹。

1. 先用註解寫出迴圈體需要做的步驟。
2. 把註解轉成程式碼，先用具體的字面值（literal）。
3. 加上陣列索引。
4. 包上迴圈，將字面值替換為迴圈索引或計算式。
5. 將依賴迴圈索引的變數一般化。
6. 最後加上所有必要的初始化。

-- Step 1: 寫出動作
rate = table[ ]
totalRate = totalRate + rate

-- Step 2: 加上索引
rate = table[ census.Age ][ census.Gender ]
totalRate = totalRate + rate

-- Step 3: 包上迴圈、一般化
totalRate = 0
For person = firstPerson to lastPerson
   rate = table[ census[ person ].Age, census[ person ].Gender ]
   totalRate = totalRate + rate
End For

每次只擔心一件事，用小而可理解的步驟逐步讓迴圈變得更一般化、更複雜，能最大限度減少出錯機會。

16.4 迴圈和陣列的關係#

迴圈與陣列經常一起出現，迴圈計數器往往與陣列索引一一對應。但這並非天生必然——某些語言（如 APL、Fortran 90）提供強大的陣列運算，完全不需要迴圈：

product <- a x b

同樣的陣列相乘在 Java 中需要巢狀 for 迴圈、17 個運算元，APL 只需要 3 個。這說明了使用的語言會實質影響你的解法，有些程式碼是為了解決問題，有些則是為了配合語言。

要點#

• 迴圈本質上複雜，保持簡單才能幫助讀者理解程式碼。
• 簡化迴圈的技巧包括：避免奇特的迴圈種類、減少巢狀層數、讓進出口清晰、將管理碼集中在一處。
• 迴圈索引容易被誤用——給予清楚的命名，只用於單一用途。
• 仔細推敲迴圈在每種情況下的行為，確認它在所有可能條件下都能正確終止。