Schleife (Programmierung)

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Eine Schleife ist eine Kontrollstruktur in Programmiersprachen. Sie wiederholt einen Anweisungs-Block – den sogenannten Schleifenrumpf oder Schleifenkörper – solange die Schleifenbedingung als Laufbedingung gültig bleibt bzw. als Abbruchbedingung nicht eintritt. Schleifen, deren Schleifenbedingung immer zur Fortsetzung führt oder die keine Schleifenbedingung haben, sind Endlosschleifen.

Schleifen können beliebig verschachtelt werden: Innerhalb des Schleifenkörpers der äußeren Schleife befindet sich wiederum eine Schleife, sie liegt innen, oder unter der äußeren Schleife. Jede Schleife kann in eine rekursive oder sogar endrekursive Form umgewandelt werden. Zur Beschleunigung des Programmablaufs werden Schleifen oft durch den Compiler entrollt.

Eine Schleife wird iterativ verarbeitet:

  1. Es wird geprüft, ob die Schleifenbedingung gültig ist; falls nicht, wird die Schleife beendet.
  2. Der Schleifenrumpf wird komplett ausgeführt. Anschließend wird mit 1. fortgesetzt.

Arten[Bearbeiten]

Prinzipiell werden unterschieden:

  • Die vorprüfende oder kopfgesteuerte Schleife.
Bei dieser Schleife wird eine Bedingung geprüft, mit der vorher entschieden wird, ob der Schleifenrumpf (Schleifeninhalt) ausgeführt wird (meist mit WHILE = solange eingeleitet).
  • Die nachprüfende oder fußgesteuerte Schleife.
Bei dieser Schleife wird nach dem Durchlauf des Schleifenrumpfes (Schleifeninhalts) eine Bedingung überprüft, ob der Schleifenrumpf nochmal ausgeführt wird (meist als DO...WHILE = „ausführen...solange“ oder REPEAT...UNTIL = „wiederholen...bis“ Konstrukt).
  • Die Zählschleife, eine Sonderform der vorprüfenden Schleife (meist als FOR = für -Schleife implementiert).
    Hauptartikel: For-Schleife
  • Die Mengenschleife, eine Sonderform der Zählschleife (meist als FOREACH = „für jedes Element der Menge“ implementiert).

  • Schleife mit Laufbedingung: Wertet die Bedingung zu „wahr“ aus, wird die Schleife fortgesetzt.
  • Schleife mit Abbruchbedingung: Wertet die Bedingung zu „wahr“ aus, so wird die Schleife abgebrochen.

Eine Endlosschleife ohne Schleifenbedingung kann nur von außen unterbrochen werden, etwa durch einen Programmabbruch durch den Benutzer, Reset, Interrupt, Defekt, Abschalten des Gerätes oder ähnliches.

Schleifenabbruch im Sonderfall[Bearbeiten]

In Fällen, die schwierig als Schleifenbedingung zu fassen sind, kann eine Schleife (aus dem Schleifenkörper heraus) meist abgebrochen werden.

Iterationsabbruch[Bearbeiten]

Es wird lediglich die aktuelle Iteration abgebrochen: Der Rest des aktuellen Schleifenrumpfs wird übersprungen. Die Schleife jedoch wird mit der nächsten Iteration fortgesetzt. Mitunter kann in verschachtelten Schleifen auch auf eine weiter außen liegende Schleife Bezug genommen werden - der Abbruch der aktuellen Iteration gilt dann bezüglich jener angegebenen „weiter äußeren“ Schleife; die „weiter innere“, in deren Schleifenrumpf die Abbruchanweisung steht, wird dann komplett abgebrochen.

Schleifenabbruch[Bearbeiten]

Meist gibt es auch einen Befehl zum Gesamt-Abbruch der Schleife, das Programm wird dann mit der ersten Anweisung nach der Schleife fortgesetzt. Oft ist in verschachtelten Schleifen auch eine Bezugnahme auf eine weiter außen liegende Schleife möglich, was die inneren dann ebenfalls komplett abbricht.

Beispiele[Bearbeiten]

Die nachfolgenden Beispiele in Pseudocode finden sich in den jeweiligen Programmiersprachen meist sehr ähnlich.

Zählschleife[Bearbeiten]

FOR Iterator:=Anfangszahl TO Endezahl STEP Schrittweite DO Schleifenrumpf.

Bei einer For-Schleife zählt der Computer von einer Anfangszahl bis zu einer Endzahl und wiederholt dabei jedes mal den Codeblock („Schleifenrumpf“). Die aktuelle Zahl wird in eine Variable („Iterator“) gesetzt, damit sie bei Bedarf in dem Codeblock Verwendung finden kann. Häufig ist die Zählschleife auf Ganzzahlen beschränkt. Das Ändern der Iterator-Variablen im Schleifenkörper ist bei vielen Programmiersprachen verboten und gilt als schlechter Programmierstil, da es oft zu schwer verständlichem Code führt - es läuft der Denkweise zuwider, direkt am Schleifenkopf die Anzahl der Durchläufe ablesen zu können.

Kopfgesteuerte Schleife[Bearbeiten]

WHILE Logischer Ausdruck DO Schleifenrumpf.

Bei einer kopfgesteuerten Schleife erfolgt die Abfrage der Bedingung, bevor der Schleifenrumpf ausgeführt wird, also am Kopf des Konstruktes. Eine logische Operation kann beispielsweise sein: (x > 4) Solange diese Bedingung wahr ist, werden die Anweisungen innerhalb der Schleife ausgeführt. Wird der Inhalt der logischen Operation nicht im Schleifenrumpf verändert, ist diese Kontrollstruktur meist nicht die richtige, weil diese Schleife sonst kein einziges Mal durchlaufen wird oder unendlich lang läuft.

Fußgesteuerte Schleife[Bearbeiten]

DO Schleifenrumpf WHILE Logischer Ausdruck

bzw.

REPEAT Schleifenrumpf UNTIL Logischer Ausdruck

Bei einer fußgesteuerten Schleife erfolgt die Abfrage der Bedingung, nachdem der Schleifenrumpf ausgeführt wurde, also am Fuß des Konstruktes. Auf WHILE (dt: solange) folgt eine Laufbedingung, auf UNTIL (dt: bis) eine Abbruchbedingung. Wie für die kopfgesteuerte Schleife gilt: Wird der Inhalt der logischen Operation nicht im Schleifenrumpf verändert, ist diese Kontrollstruktur meist nicht die richtige, weil diese Schleife sonst genau ein Mal durchlaufen wird oder unendlich lang läuft.

Mengenschleife[Bearbeiten]

FOREACH Element OF Menge DO Schleifenrumpf

Eine Mengenschleife führt den Schleifenrumpf für jedes Element einer Menge (z.B. Array oder Liste) aus.

Sie ist identisch zu einer Zählschleife mit dem Schleifenkörper

FOR Iterator2 := 1 TO Mächtigkeit(Menge) DO
  BEGIN
    Element := Iterator2-tes Element von Menge ;
    Schleifenrumpf
  END

Iterationsabbruch[Bearbeiten]

CONTINUE

bzw.

CONTINUE Schleifenbezeichner

Die erste Variante bricht die aktuelle Iteration ab, es geht weiter mit der Prüfung der Laufbedingung für die nächste Iteration. Die zweite Variante beendet in verschachtelten Schleifen alle inneren komplett und wirkt wie die erste Variante für diejenige äußere Schleife, welche durch Schleifenbezeichner angesprochen wird. Oft kommt hier entweder ein Name ähnlich einer Sprungmarke zum Einsatz; in Zählschleifen erfolgt die Identifizierung mitunter über den Namen des Iterators.

Schleifenabbruch[Bearbeiten]

BREAK

bzw.

BREAK Schleifenbezeichner

Die erste Variante bricht die aktuelle Schleife ab, es geht weiter mit der ersten Anweisung nach der Schleife. Die zweite Variante beendet in verschachtelten Schleifen alle inneren komplett und sowie diejenige äußere Schleife, welche durch Schleifenbezeichner angesprochen wird. Oft kommt hier entweder ein Name ähnlich einer Sprungmarke zum Einsatz; in Zählschleifen erfolgt die Identifizierung mitunter über den Namen des Iterators.

Implementierung mit Sprungbefehlen[Bearbeiten]

Früher wurden auch in Hochsprachen-Programmen häufig unbedingte Sprünge (Goto-Befehle) verwendet. Sprachen, die Sprunganweisungen verwenden, ermöglichen das Einfügen einer Marke (engl. Label). Eine solche Marke kann dann als Ziel einer Goto-Anweisung dienen.

Nach heutigen Programmierparadigmen, namentlich der strukturierten Programmierung, wird von der Verwendung von Goto-Sprüngen abgeraten, da durch diese der berüchtigte „Spaghetticode“ entsteht. Prinzipiell lässt sich jedoch jede Schleifenform mit Sprungbefehlen abbilden.

For-Schleife[Bearbeiten]

Es gibt mehrere Alternativen, For-Schleifen mit Hilfe einfacherer Befehle zu implementieren. Im Normalfall verhalten sich diese Alternativen gleich, aber in einigen speziellen Situationen gibt es Unterschiede. Beispiele für spezielle Situationen sind:

  • Die Schrittweite ist 0 (nicht in allen Varianten der For-Schleife möglich).
  • Der Startwert oder der Endwert sind die kleinst- oder größtmögliche darstellbare Zahl.

Eine ausführlichere Darstellung der Varianten befindet sich im Artikel For-Schleife.

While-Do-Schleife[Bearbeiten]

WHILE Logischer Ausdruck DO Befehlssequenz.

entspricht:

Marke1:
IF NOT Logischer Ausdruck GOTO Marke2 (bedingter Vorwärtssprung)
Befehlssequenz
GOTO Marke1 (Rückwärtssprung)
Marke2:

Die Befehlssequenz wird keinmal durchlaufen, wenn der logische Ausdruck schon zu Beginn falsch ist.

Do-While-Schleife[Bearbeiten]

DO Befehlssequenz WHILE Logischer Ausdruck

entspricht:

Marke1:
Befehlssequenz
IF Logischer Ausdruck GOTO Marke1 

Hier wird die Schleife in jedem Fall einmal durchlaufen. Die Do-While-Schleife ist damit nachprüfend.

Repeat-Until-Schleife[Bearbeiten]

REPEAT Befehlssequenz UNTIL Logischer Ausdruck

entspricht:

Marke1:
Befehlssequenz
IF NOT Logischer Ausdruck GOTO Marke1 (bedingter Rückwärtssprung)

Befehle in Assemblersprache[Bearbeiten]

Assemblercode verfügt normalerweise nicht über die aus höheren Programmiersprachen bekannten for/while/repeat Konstrukte. Da aber auch hier Schleifen eingesetzt werden müssen (Verzögerung durch aktives Warten (s.u.), serielles adressiertes Verarbeiten von Daten), stehen einfache Sprungbefehle für unbedingte und bedingte Sprünge zur Verfügung.

Letztere entscheiden anhand eines Statusflags der CPU (z.B. Zero-Flag), ob gesprungen werden muss. Trifft die Voraussetzung nicht zu, so wird der Programmcounter (PC) einfach um eins erhöht. Es wird dann also als Nächstes der Befehl nach dem bedingten Sprungbefehl ausgeführt.

Beispiel für Code für einen AVR-Mikrocontroller, der unter Verwendung einer Schleife um insgesamt 5000 Takte durch aktives Warten verzögert:

 ; delaying 4998 clocks in 2 loops
 ;
            ldi R0, $07  ; initialisiere äußeren Schleifenzähler mit '7'
 Label0:    
 ; innere Schleife
              ldi R1, $ed  ; initialisiere inneren Schleifenzähler mit 237 (dezimal)
 Label1:      dec R1       ; Vermindert Inhalt in R1 um 1
              brne Label1  ; Sprung nur, wenn R1 nun nicht 0 ist. („BRanch if Not Equal to zero“)
            dec R0       ; äußeren Schleifenzähler um 1 verringern
            brne Label0
 ; delaying additional 2 clocks
            nop
            nop

Häufig gibt es angepasste Assemblerbefehle, die mehrere Aktionen kombinieren („Prüfe Iterator auf Ist-Gleich-..., wenn ungleich springe nach ...“, „Zähle Iterator 1 herunter, wenn er noch immer größer 0 ist, springe nach ...“). Oft setzen diese voraus, dass ein Zähl-Iterator sich z. B. in einem bestimmten Register befindet.