Глава 6.1. Вложени цикли

В настоящата глава ще разгледаме вложените цикли и как да използваме for цикли за чертане на различни фигурки на конзолата, които се състоят от символи и знаци, разположени в редове и колони на конзолата. Ще използваме единични и вложени цикли (цикли един в друг), изчисления и проверки, за да отпечатваме на конзолата прости и не чак толкова прости фигурки по зададени размери.

Видео

Пример: правоъгълник от 10 x 10 звездички

Да се начертае в конзолата правоъгълник от 10 x 10 звездички.

Насоки и подсказки

За изпълнението на задачата ще прибегнем до малка хитрост, ще използваме метод. В глава 10 ще се запознаем подробно с това какво представляват методите и как се използват. Методът ще ни позволи да изпълнем един и същ код повече от един път и на повече от едно място в дадена програма. На този етап няма да разкриваме повече от концепцията на методите.

Как работи примерът? Инициализира се управляваща променлива на цикъла i = 0 и тя се увеличава на всяка итерация, докато е по-малка от 10 (проверката се извършва след всяко изпълнение на тялото на цикъла и след итерацията). Така кодът в тялото на цикълa се изпълнява точно 10 пъти. Кодът в тялото на цикъла ще се извика за всеки ред на правоъгълника. В метода ще се използва класа StringBuffer, който при всяко завъртане на цикъла for (този в метода), ще "залепи" по една звездичка, като по този начин ще създаде ред от 10 звездички. След като приключи изпълнението на цикъла, низът ще бъде върнат на основния цикъл и ще се изведе полученият ред. Това ще се повтори за всички 10 итерации, като по този начин на всяко завъртане на цикъла ще получаваме по цял един ред.

Тестване в Judge системата

Тествайте решението си тук: https://judge.softuni.org/Contests/Practice/Index/657#0.

Пример: правоъгълник от N x N звездички

Да се напише програма, чийто вход е цяло положително число n и извежда в конзолата правоъгълник от N x N звездички.

Насоки и подсказки

За решаване на тази задача, ще използваме класа Scanner, който ще ни позволи да прихванем подадения размер на фигурата.

Тестване в Judge системата

Тествайте решението си тук: https://judge.softuni.org/Contests/Practice/Index/657#1.

Вложени цикли

Вложените цикли представляват конструкция, при която в тялото на един цикъл (външен) се изпълнява друг цикъл (вътрешен). За всяко завъртане на външния цикъл, вътрешният се извърта целият. Това се случва по следния начин:

• При стартиране на изпълнение на вложени цикли първо стартира външният цикъл: извършва се инициализация на неговата управляваща променлива и след проверка за край на цикъла, се изпълнява кодът в тялото му.
• След това се изпълнява вътрешният цикъл. Извършва се инициализация на началната стойност на управляващата му променлива, прави се проверка за край на цикъла и се изпълнява кодът в тялото му.
• При достигане на зададената стойност за край на вътрешния цикъл, програмата се връща една стъпка нагоре и се продължава започналото изпълнение предходния (външния) цикъл. Променя се с една стъпка управляващата променлива за външния цикъл, проверява се дали условието за край е удовлетворено и започва ново изпълнение на вложения (вътрешния) цикъл.
• Това се повтаря докато променливата на външния цикъл достигне условието за край на цикъла.

Ето и един пример, с който нагледно да илюстрираме вложените цикли. Целта е да се отпечата отново правоъгълник от n n звездички, като за всеки ред се извърта цикъл от 1 до n, а за всяка колона се извърта вложен цикъл от 1 до *n:

Да разгледаме примера по-горе. След инициализацията на външния (outer) цикъл, започва да се изпълнява неговото тяло, което съдържа втория (вложен или още вътрешен (inner)) цикъл. Той извежда на един ред numberOfstars на брой звездички. След като вътрешният цикъл приключи изпълнението си, управлението на програмата се връща при първата итерация на външния и след това външният ще продължи. В тялото на външния цикъл е добавен ред (System.out.println()), който ще се грижи при приключването на изпълнението на вътрешния цикъл да се преминава на следващия ред. Без този код всички звездички ще бъдат изведени на един ред. Ако във вътрешния цикъл вместо print() използваме println(), всички звездички ще се изведат на отделен ред. Можете да опитате и да се уверите сами. Следва инкрементиране на променливата (увеличаване, в нашия случай с 1) от външния цикъл и отново ще бъде изпълнен целия вътрешен цикъл. Вътрешният цикъл ще се изпълни толкова пъти, колкото се изпълнява тялото на външния цикъл, в случaя numberOfstars пъти.

Пример: квадрат от звездички

Да се начертае на конзолата квадрат от N x N звездички:

Насоки и подсказки

Задачата е аналогична на предходната. Тук обаче е необходимо да се обмисли как да бъде изведен интервал след звездичките така, че да няма излишни интервали в началото или края.

Тестване в Judge системата

Тествайте решението си тук: https://judge.softuni.org/Contests/Practice/Index/657#2.

Пример: триъгълник от долари

Да се напише програма, която въвежда число n и печата триъгълник от долари.

Насоки и подсказки

Задачата е сходна с тези за рисуване на правоъгълник и квадрат. Отново ще използваме вложени цикли, но тук има уловка. Разликата е в това, че броят на колонките, които трябва да отпечатаме, зависи от реда, на който се намираме, а не от входното число n. От примерните входни и изходни данни забелязваме, че броят на доларите зависи от това на кой ред се намираме към момента на печатането, т.е. 1 знак долар означава първи ред, 2 знака долар означават втори ред и т.н. Нека разгледаме долния пример по-подробно. Виждаме, че променливата на вложения цикъл е обвързана с променливата на външния. По този начин нашата програма печата желания триъгълник.

Тестване в Judge системата

Тествайте решението си тук: https://judge.softuni.org/Contests/Practice/Index/657#3.

Пример: квадратна рамка

Да се напише програма, която въвежда цяло положително число n и чертае на конзолата квадратна рамка с размер n * n.

Насоки и подсказки

Можем да решим задачата по следния начин:

• Четем от конзолата числото n.
• Отпечатваме горната част: първо знак +, после n-2 пъти - и накрая знак +.
• Отпечатваме средната част: печатаме n-2 реда като първо печатаме знак |, после n-2 пъти - и накрая отново знак |. Това можем да го постигнем с вложени цикли.
• Отпечатваме долната част: първо +, после n-2 пъти - и накрая +.

Ето и примерна имплементация на описаната идея, с вложени цикли:

Тестване в Judge системата

Тествайте решението си тук: https://judge.softuni.org/Contests/Practice/Index/657#4.

Пример: ромб от звездички

Да се напише програма, която въвежда цяло положително число n и извежда в конзолата ромб от звездички с размер n.

Насоки и подсказки

За да решим поставената задача е необходимо мислено да разделим ромба на две части: горна (включва и средния ред) и долна. За извеждането в конзолата на всяка една част ще използваме два цикъла, като читателя сам трябва да открие зависимостта между n и променливите в циклите.

За първия цикъл може да използваме следните насоки:

• Отпечатвaме n-row интервала.
• Отпечатваме *.
• Отпечатваме row-1 пъти *.

Втората (долна) част ще изведем по аналогичен начин, което отново оставяме читателя да се опита да направи сам.

Тестване в Judge системата

Тествайте решението си тук: https://judge.softuni.org/Contests/Practice/Index/657#5.

Пример: коледна елха

Да се напише програма, която въвежда число n (1 ≤ n ≤ 100) и извежда "коледна елха" с височина n+1.

Насоки и подсказки

От примерите виждаме, че елхата може да бъде разделена на три логически части. Първата част са звездичките (*) и празните места преди и след тях, средната част е |, а последната част са отново звездички (*), като този път празни места има само преди тях. Отпечатването може да бъде постигнато само с един цикъл и отново ще прибегнем до метода, който изпозлвахме в началото.

Тестване в Judge системата

Тествайте решението си тук: https://judge.softuni.org/Contests/Practice/Index/657#6.

Чертане на по-сложни фигури

Да разгледаме как можем да чертаем на конзолата фигури с по-сложна логика на конструиране, за които трябва повече да помислим преди да почнем да пишем.

Пример: слънчеви очила

Да се напише програма, която въвежда цяло число n (3 ≤ n ≤ 100) и печата слънчеви очила с размери 5*n x n като в примерите:

Насоки и подсказки

От примерите виждаме, че очилата могат да се разделят на три части – горна, средна и долна. По-долу е част от кода, с който задачата може да се реши.

При рисуването на горния и долния ред трябва да се изпечатат 2 * n звездички, n интервала и 2 * n звездички.

При печатането на средната част трябва да проверим дали редът е (n-1) / 2 - 1, тъй като от примерите е видно, че на този ред трябва да печатаме вертикални чертички вместо интервали.

Тестване в Judge системата

Тествайте решението си тук: https://judge.softuni.org/Contests/Practice/Index/657#7.

Пример: къщичка

Да се напише програма, която въвежда число n (2 ≤ n ≤ 100) и печата къщичка с размери n x n, точно като в примерите:

Насоки и подсказки

Разбираме от условието на задачата, че къщичката е с размери n x n. Това, което виждаме от примерните вход и изход, е че:

• Къщичката е разделена на 2 части: покрив и основа.

• Когато n е четно число, върхът на къщичката е "тъп".
• Когато n е нечетно число, покривът е с един ред по-голям от основата.

Покрив

• Съставен е от звезди (*) и тирета (-).
• В най-високата си част има една или две звезди, спрямо това дали n e нечетно или четно, както и тирета.
• В най-ниската си част има много звезди и малко или никакви тирета.
• С всеки един ред по-надолу, звездите се увеличават с 2, а тиретата намаляват с 2.

Основа

• Широка е n на брой реда.
• Съставена е от звезди (*) и вертикални черти (|).
• Редовете представляват 2 вертикални черти - по една в началото и в края на реда, както и звезди между вертикалните черти с дължина на низа n - 2.

Прочитаме n от конзолата и записваме стойността в променлива от тип int.

Много е важно да проверяваме дали са валидни входните данни! В тези задачи не е проблем директно да обръщаме прочетеното от конзолата в тип int, защото изрично е казано, че ще получаваме валидни целочислени числа. Ако обаче правим по-сериозни приложения, е добра практика да проверяваме входните данни. Какво ще стане, ако вместо число потребителят въведе буквата "А"?

За да начертаем покрива, записваме колко ще е началният брой звезди в променлива stars:

• Ако n е четно число, ще са 2 броя.
• Ако е нечетно, ще е 1 брой.

Изчисляваме дължината на покрива. Тя е равна на половината от n. Резултата записваме в променливата roofLength.

Важно е да се отбележи че, когато n е нечетно число, дължината на покрива е по-голяма с един ред от тази на основата. В езика Java, когато два числа от целочислен тип се делят и има остатък, то резултатът ще е число без остатъка.

Пример:

int result = 3 / 2; // резултат 1

Ако искаме да закръглим резултата нагоре, трябва да използваме метода Math.ceil(…):

int result = (int) Math.ceil(3 / 2f);

В този пример делението не е от 2 целочислени числа. "f" след число показва, че даденото число е от тип float (число с плаваща запетая). Резултатът от 3 / 2f е 1.5f. Math.ceil(…) закръгля делението нагоре. В нашият случай 1.5f ще стане 2. (int) се използва, за да може да трансформираме типа обратно в int.

След като сме изчислили дължината на покрива, завъртаме цикъл от 0 до roofLength. На всяка итерация ще:

• Изчисляваме броя тирета, които трябва да изрисуваме. Броят ще е равен на (n - stars) / 2. Записваме го в променлива padding.

• Отпечатваме на конзолата: "тирета" (padding на брой пъти) + "звезди" (stars пъти) + "тирета" (padding пъти).

• Преди да свърши итерацията на цикъла добавяме 2 към stars (броя на звездите).

Не е добра идея да правим събирания на много на брой символни низове по показания по-горе начин, защото това води до проблеми със скоростта (performance issues). За повече информация посетете: https://bg.wikipedia.org/wiki/Низ#String_Builder

След като сме приключили с покрива, е време за основата. Тя е по-лесна за печатане:

• Започваме с цикъл от 0 до n (изключено).
• Отпечатваме на конзолата: | + * (n - 2 на брой пъти) + |.

Ако всичко сме написали както трябва, задачата ни е решена.

Тестване в Judge системата

Тествайте решението си тук: https://judge.softuni.org/Contests/Practice/Index/657#8.

Пример: диамант

Да се напише програма, която въвежда цяло число n (1 ≤ n ≤ 100) и печата диамант с размери n, като в следните примери:

Насоки и подсказки

Това, което знаем от условието на задачата, е че диамантът е с размер n x n.

От примерните вход и изход можем да си направим изводите, че всички редове съдържат точно по n символа и всички редове, с изключение на горните върхове, имат по 2 звезди (*). Можем мислено да разделим диаманта на 2 части:

• Горна част. Тя започва от горният връх до средата.
• Долна част. Тя започва от реда след средата до най-долния връх (включително).

Горна част

• Ако n е нечетно, то тя започва с 1 звезда (*).
• Ако n е четно, то тя започва с 2 звезди (``**).
• С всеки ред надолу, звездите се отдалечават една от друга.
• Пространството преди, между, и след звездите (*) е запълнено с тирета (-).

Долна част

• С всеки ред надолу, звездите се събират една към друга. Това означава, че пространството (тиретата) между тях намалява, а пространството (тиретата) отляво и отдясно се увеличава.
• В най-долната си част е с 1 или 2 звезди, спрямо това дали n е нечетно или четно.

Горна и долна част на диаманта

• На всеки ред звездите са заобиколени от външни тирета, с изключение на средния ред.
• На всеки ред има пространство между двете звезди, с изключение на първия и последния ред (понякога звездата е 1).

Прочитаме стойността на n от конзолата и я записваме в променлива от тип int.

Започваме да чертаем горната част на диаманта. Първото нещо, което трябва да направим, е да изчислим началната стойност на външната бройка тирета leftRight (тиретата от външната част на звездите). Тя е равна на (n - 1) / 2, закръглено надолу.

След като сме изчислили leftRight, започваме да чертаем горната част на диаманта. Може да започнем, като завъртим цикъл от 0 до n / 2 + 1 (закръглено надолу).

При всяка итерация на цикъла трябва да се изпълнят следните стъпки:

• Рисуваме по конзолата левите тирета (с дължина leftRight) и веднага след тях първата звезда.

• Ще изчислим разстоянието между двете звезди. Може да го направим като извадим от n дължината на външните тирета, както и числото 2 (бройката на звездите, т.е. очертанията на диаманта). Резултата от тази разлика записваме в променлива mid.

• Ако mid е по-малко от 0, то тогава знаем, че на реда трябва да има 1 звезда. Ако е по-голямо или равно на 0, то тогава трябва да начертаем тирета с дължина mid и една звезда след тях.
• Рисуваме на конзолата десните външни тирета с дължина leftRight.

• В края на цикъла намаляваме leftRight с 1 (звездите * се отдалечават).

Готови сме с горната част.

Рисуването на долната част е доста подобна на рисуването на горната част. Разликите са, че вместо да намаляваме leftRight с 1 към края на цикъла, ще увеличаваме leftRight с 1 в началото на цикъла. Също така, цикълът ще е от 0 до (n - 1) / 2.

Повторението на едно и също парче код се смята за лоша практика, тъй като кодът става труден за поддръжка. Да си представим, че имаме код (напр. логиката за чертането на ред от диаманта) на още няколко места в програмата и се налга да направим някаква промяна. За целта би било необходимо да коригираме кода на всяко едно място, където сме сложили този код. А сега нека се замислим върху следния казус: Какво би станало, ако същият този код трябва да се използва не 1, 2 или 3 пъти, а десетки пъти. Един от подходите за справяне с този проблем е използването на методи. Можете да потърсите допълнителна информация за тях в Интернет, или да прегледате глава “10” (Методи).

Тестване в Judge системата

Тествайте решението си тук: https://judge.softuni.org/Contests/Practice/Index/657#9.

Какво научихме от тази глава?

Научихме се да чертаем фигури с вложени for цикли:

for (int r = 1; r <= 5; r++)
{
   System.out.println("*");
   for (int c = 1; c < 5; c++)
      System.out.println(" *");
   System.out.println();
}

Научихме се, също и как да използваме методи за да избягваме повторението на едно и също парче код няколко пъти.