5. Έλεγχος ροής εκτέλεσης - Γεωχωρικός Προγραμματισμός Η/Υ

Όλες οι γλώσσες προγραμματισμού απαρτίζονται από μια σειρά από προγραμματιστικές δομές. Οι τρεις βασικές δομές ελέγχου ροής προγράμματος είναι η δομή της ακολουθίας εντολών, η δομή της απόφασης και η δομή της επανάληψης. Κάποιες από αυτές αντιστοιχούν σε περισσότερες από μία εντολές Manis (2015).

Η λογική boolean¶

Για την υλοποίηση των δομών απόφασης χρησιμοποιείται η λογική boolean κατά την οποία ελέγχονται μία ή περισσότερες συνθήκες και ανάλογα το αποτέλεσμα επιλέγεται ποια ακολουθία εντολών θα εκτελεστεί. Το όνομα boolean προέρχεται από τον Βρετανό Μαθηματικό George Boole, ο οποίος εισήγαγε την ομώνυμη άλγεβρα που αφορά σε λογικούς κανόνες συνδυασμού των δύο τιμών True (Αληθής ) και False (Ψευδής). Οι τιμές αυτές ονομάζονται λογικές ή Boolean και ο τύπος τους στην Python είναι ο bool Aγγελιδάκης (2015).

type(False)

bool

Μία μεταβλητή μπορεί να δείχνει και σε μία τιμή τύπου bool. Για παράδειγμα:

raining=True
type(raining)

bool

Οι λογικές μεταβλητές είναι μεταβλητές οι οποίες διέπονται από την δυαδική λογική στην επιστήμη της πληροφορικής (1 και 0) και παίρνουν δύο τιμές True ή False. Ουσιαστικά πρόκεται για συνώνυμα του 1 (True) και 0 (False).

True+True
42 * True + False

42

Ο συνδυασμός των Boolean τιμών γίνεται με τη χρήση τριών βασικών λογικών τελεστών: not, and και or. Οι τελεστές αυτοί συμβολίζουν λογικές πράξεις (όχι, και , ή) και βοηθούν στη λήψη αποφάσεων σε ένα πρόγραμμα. Η σημαντική τους είναι πολύ παρόμοια με την καθημερινή τους σημασία Aγγελιδάκης (2015). Ας υποθέσουμε ότι A και B είναι δύο μεταβλητές που δείχνουν σε Boolean τιμές ή δύο εκφράσεις (ονομάζονται λογικές ή Boolean) που αποτιμώνται σε Boolean τιμές. Ο επόμενος πίνακας, ο οποίος ονομάζεται πίνακας αληθείας, περιέχει τις τιμές που επιστρέφουν οι τρεις λογικές πράξεις για όλους τους συνδυασμούς τιμών των A και B.

Figure 1:Πίνακας αληθείας για τους βασικούς λογικούς τελεστές.

Η λογική έκφραση not Α είναι αληθής, όταν ηΑ ψευδής, και ψευδής, όταν η Α είναι αληθής. Η λογική έκφραση Α and B είναι αληθής μόνο όταν και η Α και η Β είναι αληθείς, σε κάθε άλλη περίπτωση είναι ψευδής. Η λογική έκφραση Α or Β είναι αληθής όταν η Α είναι αληθής ή η Β είναι αληθής, ή όταν και οι δύο είναι αληθείς.

Όταν χρησιμοποιούμε τον όρο and σημαίνει ότι και οι δύο προτάσεις πρέπει να είναι αληθείς για να αποδόσουν αληθές αποτέλεσμα. true.

Γενικά μπορούμε να συνοψίσουμε την χρήση του τελεστή and και την σύγκριση ανάμεσα σε τιμές boolean με βάση των παρακάτω πίνακα Heisler (2021):

Συνδυασμός με τον τελεστή and	Αποτέλεσμα
True and True	True
True and False	False
False and True	False
False and False	False

Με την χρήση του όρου or αρκεί μία από τις δύο προτάσεις να είναι True για να αποδόσει αποτέλεσμα αληθές. Αυτό φαίνεται πιο καλά στο παραπάνω πίνακα:

Συνδυασμός με τον τελεστή or	Αποτέλεσμα
True or True	True
True or False	True
False or True	True
False or False	False

Τέλος με την χρήση του όρου not αντιστρέφεται η τιμή True ή False μιας πρότασης.

Επίδραση του τελεστή not	Αποτέλεσμα
not True	False
not False	True

Φυσικά μπορούμε να συνδυάσουμε να συνδυάσμουμε τους όρους and or και not και να διαχωρίσουμε τις συγκρίσεις με παρανθέσεις ώστε να δημιουργήσουμε πιο σύνθετες εκφράσεις σύγκρισης:

 False or (False and True)

False

  True and (False or True)

True

 (not False) or True

True

False or (not False)

True

Σε μία λογική έκφραση μπορούμε να έχουμε και τελεστές σύγκρισης. Η Python έχει 6 τελεστές σύγκρισης:

Μικρότερο από ( < ) Μικρότερο/ίσο από (<=) Μεγαλύτερο από (>) Μεγαλύτερο/ίσο από (>=) Ίσο με( == ) Διαφορετικό από ( != ) Αυτοί οι τελεστές συγκρίνουν δύο τιμές και επιστρέφουν μια τιμή τύπου boolean δηλαδή είτε True είτε False.

Οι λογικές εκφράσεις χρησιμοποιούν παρενθέσεις και κανόνες προτεραιότητας, για να καθορίσουν τη σειρά αποτίμησης των τμημάτων από τα οποία αποτελούνται. Οι εκφράσεις μέσα σε παρενθέσεις αποτιμώνται πρώτες. Η προτεραιότητα των τελεστών, από τη μεγαλύτερη στη μικρότερη, είναι οι εξής:

<, >, <=, >=, !=, ==, not, and, or.

Μερικά παραδείγματα τελεστών σύγκρισης

print(1 != 2)
print(1 != 1)

True
False

a = 1
b = 2
print(a == b)
a = b
a==b
print(a!=b)

False
False

 1< 2 and 3 < 4

True

 2< 1 and 4 < 3

False

 1< 2 and 4 < 3

False

2< 1 and 3 < 4

False

Τους τελεστές σύγκρισης μπορούμε να τους χρησιμοποιήσουμε και με συμβολοσειρές:

 "dog" == "cat"

False

 "dog" == "dog"

True

 "dog" != "cat"

True

Για να είναι δύο συμβολοσειρές ίσες πρέπει να έχουν ακριβώς την ίδια τιμή. Διαφοροποιήσεις ανάμεσα σε κεφαλαία ή μικρά ή η ύπαρξη κενών ανάμεσα σε δύο μεταβλητές συμβολοσειρών θα αποδόσει False σε μια έκφραση σύγκρισης ισότητας δηλαδή ότι οι δύο συμβολοσειρές δεν είναι ίσες.

Μπορούμε να συνδυάσουμε τους τελεστές σύγκρισης με λογικές τιμές boolean και τους λογικούς τελεστές or, and και not.

Για παράδειγμα:

 True and not (1 != 1)

True

("A" != "A") or not (2 >= 3)

True

α. Η δομή της ακολουθίας εντολών¶

Οι εντολές σε ένα πρόγραμμα εκτελούνται σειριακά η μία μετά την άλλη ξεκινώντας από την πρώτη. Τελειώνει η εκτέλεση μίας εντολής και ακολου- θεί η εκτέλεση της επόμενης. Κάθε εντολή θα εκτελεστεί ακριβώς μία φορά, χωρίς δηλαδή να παραλειφθεί καμία από αυτές ή να επιστρέψουμε για να ξα- ναεκτελέσουμε κάποια. Παρακάτω δίνεται ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα δομής ακολουθίας εντολών.

A=1
B=5
C=A+B
print(C)

Σε αυτό το παράδειγμα οι εντολές εκτελούνται στο σύνολό τους, διαδοχικά η μία μετά την άλλη.

β. Η δομή της απόφασης¶

Στη δομή της απόφασης έχουμε μία περισσότερο πολύπλοκη δομή, στην οποία ο έλεγχος του προγράμματος καλείται να επιλέξει ανάμεσα σε δύο ή και περισσότερες διαφορετικές διαδρομές ανάλογα με το αν ισχύει ή όχι κάποια ή κάποιες συνθήκες. Για την υλοποίηση της απόφασης, κάθε γλώσσα μπορεί να έχει μία ή περισσότερες δομές. Η πιο συνηθισμένη είναι η δομή if, ενώ υπάρχει συνήθως και μία δομή για πολλαπλή απόφαση. Η Python έχει την if-elif-else για να υλοποιήσει την απόφαση, αλλά δεν έχει δομή για την πολλαπλή απόφαση και χρησιμοποιεί την if-elif-else για τον σκοπό αυτόν Manis (2015).

Η εντολή if χρησιμοποείται για έλεγχο της ροής εκτέλεσης ενός προγράμματος. Ελέγχεται μία συνθήκη και ανάλογα με το αποτέλεσμα (Αληθής ή Ψευδής) εκτελείται ή δεν εκτελείται μία ή κάποια άλλη ομάδα (μπλοκ) εντολών Aγγελιδάκης (2015). Η εντολή if συντάσσεται ως εξής:

if συνθήκη:

    μπλοκ εντολών 1 (true_block)

else:
    μπλοκ εντολών  (false_block)

Κατά την εκτέλεση του παρακάτω κώδικα η Python θα δοκιμάσει την έκφραση (expression). Αν επιστρέψει True τότε θα εκτελέσει τις προτάσεις κώδικα που περιλαμβάνει η ενότητα true_block. Αν επιστρέψει όμως False θα εκτελέσει τις εντολές στην ενότητα false_block. Στην πιο απλή της μορφή η δομή της απόφασης μπορεί να παραλείπει το else τμήμα και το αντίστοιχο μπλοκ εντολών δηλ:

if συνθήκη:

    μπλοκ εντολών  (true_block)

Παρατηρήστε ότι η εντολή if μετά τον έλεγχο της συνθήκης κλείνει με : και στην συνέχεια ακολουθούν με εσοχή (indentation) οι εντολές/προτάσεις που θα εκτελεστούν εφόσον αληθεύει το αποτέλεσμα του ελέγχου. Από : ακολουθείται και η εντολή else. Το μπλοκ της εντολής ονομάζεται σώμα (body). Πρέπει να περιέχει υποχρεωτικά μια εντολή. Αν προσωρινά δεν θέλουμε να περιέχει κάποια εντολή μπορούμε να εισάγουμε την εντολή pass. Ιδιαίτερη σημασία πρέπει να δίνεται κατά την σύνταξη κατά την χρήση δηλαδή του σημείου : και την εσοχή των εντολών. Παρακάτων δίνεται ένα απλό παράδειγμα δομής απόφασης:

weight = 100
if weight > 90:
    print("Είστε υπέρβαρος.Παρακαλώ αποφύγετε τον ανελκυστήρα.")
print("Ευχαριστούμε για την συνεργασία.")

Είστε υπέρβαρος.Παρακαλώ αποφύγετε τον ανελκυστήρα.
Ευχαριστούμε για την συνεργασία.

Παράδειγμα κώδικα if-else:

temperature = 20
if temperature > 30:
    print('Φορέστε κοντομάνικα.')
else:
    print('Φορέστε μακρυμάνικα.')
print('Ευχαριστώ.')

Φορέστε μακρυμάνικα.
Ευχαριστώ.

Για να προσθέσουμε περισσότερες επιλογές κατά τον έλεγχο συνθηκών χρησιμοποιούμε την σύνταξη if-elif-else:

score=90
if score >= 90:
    letter = 'A'
elif score >= 80:
    letter = 'B'
elif score >= 70:
    letter = 'C'
elif score >= 60:
    letter = 'D'
else:
    letter = 'F'

Οι συνθήκες if είναι δυνατόν να είναι αλυσιδωτές (εμφωλευμένες) δηλαδή if πρόταση μέσα σε άλλη if πρόταση:

num = 15
if num >= 0:
    if num == 0:
        print("Ο αριθμός δεν είναι ούτε αρνητικός ούτε θετικός")
    else:
        print("Ο αριθμός είναι θετικός")
else:
    print("Ο αριθμός είναι θετικός")

Ο αριθμός είναι θετικός

γ. η δομή της επανάληψης¶

Η δομή της επανάληψης είναι μια μορφή κώδικα κατά την οποία περιλαμβάνει εντολές οι οποίες εκτελούνται επαναληπτικά για όσο τηρείται μια συνθήκη. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγεται η επανάληψη της συγγραφής του ίδιου κώδικα πολλές φορές. Στο παρακάτω τμήμα κώδικα είναι χαρακτηριστικό πως επαναλαμβάνεται ο ίδιος κώδικα πολλές φορές.

print("Hello World")
print("Hello World")
print("Hello World")
print("Hello World")
print("Hello World")

Hello World
Hello World
Hello World
Hello World
Hello World

Αυτό όμως θα μπορούσε να αποφευχθεί με την χρήση μια δομής επανάληψης. Μια δομή επανάληψη ονομάζεται και βρόγχος (loop). Οι δομές επανάληψης διαχωρίζονται σε 3 κατηγορίες:

ο βρόγχος while, ο οποίος επαναλαμβάνει μια πρόταση ή μια σειρά προτάσεων όσο ισχύει μια συνθήκη. Κάθε φορά που επαναλαμβάνεται ένας κύκλος εκτέλεσης δοκιμάζεται αν ισχύει η συνθήκη αυτή.
ο βρόγχος for, κατά τον οποίο επαναλαμβάνεται μια σειρά προτάσεων για κάθε ένα στοιχείο μιας ακολουθίας δεδομένων (πχ λίστας, πλειάδας, λεξικού κτλ.).
εμφωλευμένοι βρόγχοι, που ουσιαστικά πρόκειται για συνδυασμό βρόγχων while ή for. Έτσι μπορούμε να δομήσουμε ένα βρόγχο while μέσα σε έναν for, έναν for μέσα σε έναν while, έναν for μέσα σε έναν for και έναν while μέσα σε έναν while.

Παρακάτω δίνονται παραδείγματα για την κάθε κατηγορία.

Βρόγχος while

count = 0
while (count < 10):   
    count = count + 1
    print("Hello World")

Hello World
Hello World
Hello World
Hello World
Hello World
Hello World
Hello World
Hello World
Hello World
Hello World

Βρόγχος for

fruits = ["Μήλο", "Κεράσι", "Αχλάδι"]
for x in fruits:
  print(x)

Μήλο
Κεράσι
Αχλάδι

εμφωλευμένοι βρόγχοι (for μέσα σε for)

for i in range(1, 11):
    # nested loop
    # to iterate from 1 to 10
    for j in range(1, 11):
        # print multiplication
        print(i * j, end=' ')

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 9 18 27 36 45 54 63 72 81 90 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Οι βρόγχοι for πρέπει να εκτελούν κάποια πρόταση. Σε διαφορετική περίπτωση αν θέλουμε να τους χρησιμοποιήσουμε χωρίς να κάνουν τίποτα (πχ για να συγγράψουμε αργότερα το περιεχόμενό τους) μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την πρόταση pass.

for x in [0, 1, 2]:
  pass

Μια χρήσιμη συνάρτηση που χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με τους βρόγχους for είναι η συνάρτηση range(). Η συνάρτηση range δημιουργεί μια ακολουθία αριθμών και προσφέρει σχετικές παραμέτρους για την έναρξη και λήξη και το βήμα της ακολουθίας δηλαδή range(start, stop,step_size).

range(0, 10)

range(0, 10)

Σε συνδυασμό με τον βρόγχο for μπορούμε να επαναλάβουμε μια σειρά προτάσεων κώδικα για μια ακολουθία αριθμών.

genre = ['Φυσικά', 'Μαθηματικά', 'Χημεία']

# iterate over the list using index
for i in range(len(genre)):
    print("Διαβάζω ", genre[i])

Διαβάζω  Φυσικά
Διαβάζω  Μαθηματικά
Διαβάζω  Χημεία

εμφωλευμένοι βρόγχοι (while μέσα σε for)

names = ['Νίκος', 'Κώστας', 'Ελένη']
# outer loop
for name in names:
    # inner while loop
    count = 0
    while count < 5:
        print(name, end=' ')
        # increment counter
        count = count + 1
    print()

Νίκος Νίκος Νίκος Νίκος Νίκος 
Κώστας Κώστας Κώστας Κώστας Κώστας 
Ελένη Ελένη Ελένη Ελένη Ελένη

εμφωλευμένοι βρόγχοι (while μέσα σε while)

i = 1
while i <= 4 :
    j = 0
    while  j <= 3 :
        print(i*j, end=" ")
        j += 1
    print()
    i += 1

Η πρόταση else μέσα σε βρόγχους¶

Όταν η συνθήκη βάσει της οποία ελέγχεται η εκτέλεση ενός βρόγχου while αποτυγχάνει (δεν είναι αληθής) τότε μπορούμε να εκτελέσουμε μια άλλη σειρά προτάσεων που ορίζεται από την ενότητα else. Για παράδειγμα:

count=0
while(count<5):
    print(count)
    count +=1
else:
    print("count value reached %d" %(count))

0
1
2
3
4
count value reached 5

Αντίστοιχα σε έναν βρόγχο for μπορούμε να εκτελέσουμε μια ομάδα προτάσεων που ορίζεται από το else όταν έχει εξαντληθεί η προσπέλαση όλων των στοιχείων μιας ακολουθίας. Δείτε το παρακάτω παράδειγμα:

for x in range(6):
  print(x)
else:
  print("Finally finished!")

0
1
2
3
4
5
Finally finished!

Οι προτάσεις break και continue¶

Οι προτάσεις break και continue χρησιμοποιούνται για το έλεγχο της ροής των επαναλήψεων και λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο τόσο στους βρόγχους while όσο και στους βρόγχους for.

Η πρόταση break τερματίζει άμεσα την εκτέλεση του βρόγχου με βάση τον έλεγχο μιας συνθήκης και στην συνέχεια ακολουθεί η εκτέλεση της πρότασης που ακολουθεί τον βρόγχο.

Παράδειγμα με βρόγχο for:

for num in range(1, 11):
    if num == 5:
        break
    else:
        print(num)

print("Τέλος")

1
2
3
4
Τέλος

Παράδειγμα με βρόγχο while:

n = 5
while n > 0:
    n -= 1
    if n == 2:
        break
    print(n)
print('Loop ended.')

4
3
Loop ended.

Αντίστοιχη είναι η λειτουργία της πρότασης continue. Ωστόσο σε αυτήν την περίπτωση ο βρόγχος δεν τερματίζεται εντελώς αλλά σταματάει την τρέχουσα σειρά εντολών στο τρέχον σημείο του βρόγχου και συνεχίζει στο επόμενο στοιχείο της ακολουθίας και στον έλεγχο της αντίστοιχης συνθήκης.

References¶

Manis, G. (2015). Εισαγωγή στον Προγραμματισμό με αρωγό τη γλώσσα Python [Undergraduate textbook]. Kallipos, Open Academic Editions. http://hdl.handle.net/11419/2745
Aγγελιδάκης, Ν. (2015). Εισαγωγή στον προγραμματισμό με την Python. Αγγελιδάκης.
Heisler, F. (2021). An introduction to Python through practical examples. RealPython.com.