تعلم سي شارب الحلقات التكرارية في لغة سي شارب #C

تُعتبر الحلقات التكراريّة من البنى المهمّة في لغات البرمجة، حيث نستطيع من خلالها تنفيذ عبارة أو عدّة عبارات برمجيّة لعدد من المرّات. تدعم سي شارب مثل باقي لغات البرمجة نوعين من الحلقات التكراريّة من حيث عدد التكرار، فهناك الحلقات ذات العدد المحدّد من المرّات (حلقة for) والتي نعلم فيها عدد مرّات التكرار بشكل مسبق، والحلقات ذات العدد غير المحدّد من المرّات (حلقة do-while وحلقة while) التي يكون فيها عدد مرّات التكرار غير مُحدّدًا.

حلقة for التكرارية

يمكن من خلال هذه الحلقة تكرار تنفيذ عبارة برمجيّة أو أكثر عددًا محدّدًا من المرّات، ولهذه الحلقة الشكل العام التالي:

for ([init_counter]; [loop_condition]; [counter_expression])
{
    statement1;
    statement2;
    ...
}

القسم [init_counter] هو قسم التهيئة الذي يتمّ من خلاله تهيئة متغيّر الحلقة بقيمة ابتدائيّة (وغالبًا ما يتمّ التصريح عنه في هذا القسم أيضًا)، يسمّى متغيّر الحلقة أيضًا بعدّاد الحلقة loop counter، أمّا القسم [loop_condition] فيمثّل شرط التكرار أو الاستمرار للحلقة، فهو تعبير مقارنة يعطي true أو false بحيث تستمرّ الحلقة بالتكرار طالما كان هذا الشرط محقّقًا (يعطي true). القسم الأخير [counter_expression] ويتمّ فيه عادةً إجراء عملية حسابية على متغيّر الحلقة وغالبًا ما تكون هذه العمليّة هي زيادة متغيّر الحلقة بمقدار واحد. انظر الشيفرة البسيطة التالية التي تعمل على تنفيذ العبارة التي تحوي التابع WriteLine ثلاث مرّات:

for (int i = 0; i < 3; i++)
{
    Console.WriteLine("i = {0}", i);
}

عند تنفيذ الشيفرة السابقة ستحصل على الخرج التالي:

i = 0
i = 1
i = 2

لاحظ أنّنا صرّحنا عن المتغيّر i من النوع int وأسندنا إليها القيمة 0 في قسم التهيئة، وبالنسبة لشرط الاستمرار للحلقة i < 3 فمن الواضح أنّ الحلقة ستستمرّ بالتكرار طالما كانت قيمة i أصغر تمامًا من 3. أمّا بالنسبة للقسم الأخير فنعمل على زيادة قيمة متغيّر الحلقة i بمقدار 1 في كلّ دورة عن طريق عامل الزيادة اللاحق ++i.

آلية عمل هذه الحلقة بسيطة:

1. عندما يصل تنفيذ البرنامج إلى حلقة for يتمّ التصريح عن المتغيّر i وإسناد القيمة 0 إليه.
2. يختبر البرنامج شرط استمرار الحلقة i < 3 فإذا كان true يبدأ بتنفيذ العبارات البرمجيّة الموجودة ضمن حاضنة for. وإلّا يخرج فورًا من الحلقة.
3. بعد الانتهاء من تنفيذ العبارات ضمن حاضنة for، ينتقل البرنامج إلى التعبير ++i ليزيد قيمة i بمقدار 1.
4. تتكرّر نفس الخطوتين 2 و 3.

سيتكرّر في هذا المثال البسيط تنفيذ العبارة الموجودة في الحاضنة ثلاث مرّات لأنّ العدّ يبدأ من الصفر (قيمة i الابتدائيّة تساوي الصفر).

لنتناول الآن برنامجًا عمليًّا وظيفته إيجاد مجموع سلسلة من الأعداد المتتالية. أنشئ برنامجًا جديدًا اسمه Lesson04_1 ثمّ استبدل محتويات الملف Program.cs بالشيفرة التالية:

1   using System;
2
3   namespace Lesson04_1
4   {
5       class Program
6       {
7           static void Main(string[] args)
8           {
9               int n, sum = 0;
10              string str_n;
11
12              Console.WriteLine("This Program calculates the series: sum = 1 + 2 + 3 + ... + n");
13              Console.Write("Input 'n' please: ");
14              str_n = Console.ReadLine();
15
16              n = int.Parse(str_n);
17
18              for (int i = 1; i <= n; i++)
19              {
20                  sum += i;
21              }
22
23              Console.WriteLine("sum = {0}", sum);
24          }
25      }
26  }

يعمل البرنامج السابق على جمع الأعداد من 1 حتى القيمة المدخلة n. أي سيحسب برنامجنا مجموع السلسلة: 1 + 2 + 3 + … + n. لاحظ القيمة الابتدائيّة للمتغيّر i (تساوي 1) وشرط استمرار الحلقة i <= n في السطر 18. تذكّر أنّ العبارة الموجودة في السطر 20 تُكافئ العبارة sum = sum + i.

نفّذ البرنامج وجرّب إدخال قيم مختلفة للمتغيّر n لتحصل على المجاميع الموافقة.

ملاحظة: المتغيّر i في البرنامج السابق مرئي فقط ضمن الحلقة التكراريّة ولا وجود له خارجها، يعرف هذا بمجال الرؤية للمتغيّر variable scope. ستؤدّي محاولة الوصول للمتغيّر i خارج الحلقة إلى خطأ أثناء بناء البرنامج.

سنكتب الآن برنامجًا آخرًا لحساب مجموع السلسلة: 2 + 4 + 6 + 8 + … + n. لن يختلف البرنامج في هذا المثال عن البرنامج Lesson04_1 باستثناء أنّنا سنجمع الأعداد الزوجية فقط. إليك البرنامج كما سيبدو:

1   using System;
2
3   namespace Lesson04_2
4   {
5       class Program
6       {
7           static void Main(string[] args)
8           {
9               int n, sum = 0;
10              string str_n;
11
12              Console.WriteLine("This Program calculates the series: sum = 2 + 4 + 6 + ... + n");
13              Console.Write("Input 'n' please: ");
14              str_n = Console.ReadLine();
15
16              n = int.Parse(str_n);
17
18              for(int i = 0; i <= n; i += 2)
19              {
20                  sum += i;
21              }
22 
23              Console.WriteLine("sum = {0}", sum);
24          }
25      }
26  }

لاحظ كيف نزيد قيمة المتغيّر i في كلّ تكرار للحلقة for بمقدار 2 باستخدام التعبير i += 2 (السطر 18)، وبالتالي نتفادى جمع الأعداد الفردية (لاحظ أنّ قيمة i بدأت من الصفر). فيما عدا ذلك يبدو هذا البرنامج مطابقًا لبنية البرنامج Lesson04_1.

حلقة while التكرارية

لهذه الحلقة التكراريّة الشكل العام التالي:

while (loop_condition)
{
    statement1;
    statement2;
    ...
}

ستتكرّر العبارات البرمجيّة الموجودة ضمن حاضنة while طالما كان الشرط loop_condition محقّقًا (أي true) وبمجرّد أن يصبح الشرط loop_condition غير محقّق تتوقّف الحلقة عن التكرار.

سنعدّل البرنامج Lesson04_1 السابق لكي يسمح باستخدام الحلقة while. أنشئ مشروعًا جديدًا وسمّه Lesson04_3 ثم استبدل محتويات Program.cs بما يلي:

1   using System;
2
3   namespace Lesson04_3
4   {
5       class Program
6       {
7           static void Main(string[] args)
8           {
9               int n, sum = 0, i = 1;
10              string str_n;
11 
12              Console.WriteLine("This Program calculates the series: sum = 1 + 2 + 3 + ... + n");
13              Console.Write("Input 'n' please: ");
14              str_n = Console.ReadLine();
15
16              n = int.Parse(str_n);
17
18              while (i <= n)
19              {
20                  sum += i;
21
22                  i++;
23              }
24
25              Console.WriteLine("sum = {0}", sum);
26          }
27      }
28  }

صرّحنا عن المتغيّر i وأسندنا له القيمة 1 في السطر 9 والذي سيمثّل متغيّر حلقة while. استبدلنا حلقة for بحلقة while في السطر 18 مع ملاحظة أنّ شرط استمرار الحلقة i <= 5 بقي دون تعديل. لاحظ العبارة المهمّة في السطر 22 والتي تحوي التعبير ++i الذي سيزيد قيمة i بمقدار واحد في كلّ دورة. إنّ إغفال هذه العبارة سيؤدّي إلى الدخول في حلقة لا نهائيّة، لأنّ شرط الاستمرار في هذه الحالة لن يعطي false أبدًا لأنّ قيمة i لن تتغيّر.

نفّذ البرنامج وأدخل قيم مختلفة للمتغيّر n لاختبار البرنامج. جرّب الآن إدخال القيمة 0 للمتغيّر n ستحصل في الخرج على المجموع sum = 0 وهذا منطقيّ. إذ أنّنا نخبر البرنامج بأنّنا لا نريد جمع أي عدد. سبب الحصول على هذا الخرج في الواقع هو أنّ البرنامج أثناء التنفيذ لن يدخل إلى حلقة while مطلقًا لأنّ شرط الاستمرار i <= n سيكون غير محقّقًا منذ البداية (تذكّر أنّ قيمة i الابتدائيّة هي 1).

حلقة do-while التكرارية

لهذه الحلقة الشكل العام التالي:

do
{
    statement1;
    statement2;
    ...
}

while (loop_condition)

وهي تشبه الحلقة while باستثناء أنّ شرط استمرار الحلقة loop_condition يجري اختباره في نهايتها وليس في بدايتها كما هو الحال مع حلقة while. قد لا يبدو هذا الأمر مهمًّا في البداية ولكنّه في الحقيقة عكس ذلك تمامًا. لفهم الفرق أنشئ مشروعًا جديدًا وسمّه Lesson04_04 ثمّ استبدل الشيفرة الموجودة في Program.cs بالشيفرة التالية:

1   using System;
2
3   namespace Lesson04_4
4   {
5       class Program
6       {
7           static void Main(string[] args)
8           {
9               int n, sum = 0, i = 1;
10              string str_n;
11
12              Console.WriteLine("This Program calculates the series: sum = 1 + 2 + 3 + ... + n");
13              Console.Write("Input 'n' please: ");
14              str_n = Console.ReadLine();
15
16              n = int.Parse(str_n);
17
18              Do
19              {
20                  sum += i;
21 
22                  i++;
23              }
24              while (i <= n);
25 
26              Console.WriteLine("sum = {0}", sum);
27          }
28      }
29  }

لا يختلف هذا البرنامج عن سابقيه في حساب مجموع السلسلة 1 + 2 + 3 + … + n، نفّذ البرنامج وأدخل القيمة 0 للمتغيّر n ستحصل في الخرج على المجموع sum = 1 وهذا خطأ بالطبع!

السبب في ذلك أنّ اختبار شرط الاستمرار في حلقة do-while يجري بعد انتهاء الحلقة من تنفيذ أوّل دورة لها، حيث تؤدّي هذه الدورة إلى جعل قيمة المتغيّر sum تساوي 1 وقيمة i تساوي 2، وبعد ذلك يأتي اختبار الشرط i <= n والذي سيعطي false بالطبع وتتوقف الحلقة عن التكرار ولكن بعد فوات الأوان.

في حلقة while (وحتى في حلقة for) لم نواجه هذه المشكلة لأنّ شرط استمرارها يجري اختباره في بداية الحلقة وقبل تنفيذ أي دورة تكراريّة.

تمارين داعمة

تمرين 1

اكتب برنامجًا يطبع الأعداد من 1 حتى 100 على الشاشة باستثناء الأعداد من مضاعفات العدد 5 أي على الشكل التالي:

1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 11, … , 14, 16, …

تلميح: ستحتاج في هذا التمرين إلى استخدام بنية if ضمن حلقة for واختبار قيمة التعبير المنطقي i % 5 == 0 على افتراض أنّ i هو عدّاد الحلقة.

تمرين 2

اكتب برنامجًا يطلب من المستخدم إدخال عدد صحيح موجب ثمّ يوجد مضروب هذا عدد (قيمة العاملي له). فإذا أدخل عددًا سالبًا يجب على البرنامج أن ينبّه المستخدم على ذلك ويُنهي التنفيذ.

تلميح: تذكّر أنّ مضروب عدد يُعبّر عن الجداءات للقيم المتناقصة لهذا العدد فمثلًا لإيجاد مضروب 5 (!5) نكتب:

5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1

تذكّر أيضًا أنّ !1 =1 و !0 = 1.

الخلاصة

تحدثنا في هذا الدرس عن الحلقات التكراريّة بأنواعها المختلفة. تدعم سي شارب عدة حلقات تكراريّة تُعتبر حلقة for من أهمّها. في الحقيقة توجد حلقة تكراريّة أخرى لم نتحدّث عنها في هذا الدرس، وهي حلقة foreach، وهي حلقة مفيدة جدًّا أجلّت الحديث عنها إلى أن نتعرّف على المجموعات Collections بأنواعها ونتعلّم التعامل معها.