khả năng chứng minh vòng lặp while vs vòng lặp for

Tôi có giáo viên này, anh ấy khá thông minh (đôi khi, haha) anh ấy nói rằng các lập trình viên giỏi cố gắng sử dụng whilecác vòng lặp thay vì các forvòng lặp. Lý do anh ta đưa ra cho điều này là vì whilecác vòng lặp có thể được chứng minh, vì trong đó, người ta hoàn toàn có thể giải thích những gì xảy ra trong một whilevòng lặp trong khi bạn không thể làm điều đó cho một forvòng lặp. ông cũng nói điều gì đó về các lập trình viên của NASA chỉ sử dụng whilecác vòng lặp và không được phép thực hiện forcác vòng lặp vì điều này.

Tôi có một thời gian khá khó hiểu điều này, vì cả hai vòng đều có thể giải thích cách chúng hoạt động chi tiết phải không? cho cả hai bạn sẽ luôn biết những gì sẽ xảy ra?

ai đó có thể giải thích cho tôi tại sao whilecác vòng lặp có thể được chứng minh (Và vì nó, có thể tốt hơn forcác vòng lặp, trong một số trường hợp ít nhất).

EDIT:
có thể anh ấy đã tham gia:
2: Tất cả các vòng lặp phải có giới hạn trên cố định. Công cụ kiểm tra phải có khả năng chứng minh tĩnh rằng một giá trị đặt trước giới hạn trên số lần lặp của vòng lặp không thể vượt quá. Nếu giới hạn vòng lặp không thể được chứng minh tĩnh, quy tắc được coi là vi phạm.

Mặc dù điều này vẫn không nói gì về sự khác biệt giữa vòng lặp và vòng lặp.

Tóm lại : Điều mà giáo viên của bạn có thể có nghĩa là ngữ nghĩa của whilehầu hết giống nhau trong hầu hết các ngôn ngữ, trong khi ngữ nghĩa của forcó thể thay đổi đáng kể (xem thảo luận bên dưới). Do đó, bằng chứng độc lập ngôn ngữ trừu tượng đáng tin cậy hơn với a while, nhưng người ta nên cẩn thận rằng bằng chứng có forvòng lặp có thể không khớp với ngữ nghĩa của forvòng lặp trong nhiều ngôn ngữ.

Câu hỏi của bạn không đủ chính xác (mặc dù đó có thể không phải là lỗi của bạn).

Vấn đề là, afaik, không có tiêu chuẩn chính thức, được hỗ trợ ISO, hoặc định nghĩa tham chiếu được chấp nhận chính thức forvà whilecác vòng lặp. Định nghĩa phụ thuộc vào ngôn ngữ lập trình.

Do đó, bạn không thể đưa ra bất kỳ tuyên bố chung nào về sự tương đương của chúng trước khi bạn xác định chính xác những gì mỗi người có thể làm. Tôi nhấn mạnh rằng chính xác hơn, vì đó là một trong những đối số chính được sử dụng trong các câu trả lời khác (và cuộc thảo luận sẽ hữu ích trong phần tiếp theo).

Về khả năng xen kẽ forvà whilecác vòng lặp

Tóm tắt : nó phụ thuộc vào ngôn ngữ lập trình, nhưng luôn luôn có thể miễn là bạn có thể có một vòng lặp vô hạn và một cách để thoát khỏi nó.

Nhưng bạn có thể đưa ra tuyên bố như vậy cho một ngôn ngữ lập trình cụ thể và câu trả lời sẽ phụ thuộc vào các tính năng dành cho ngôn ngữ.

Điều đó cũng có nghĩa là không có bằng chứng chung, mà chỉ có một bằng chứng cho mỗi ngôn ngữ lập trình.

Một điều thường đúng là một whilevòng lặp thường có thể bắt chước một forvòng lặp, bởi vì vòng lặp while có thể thực hiện kiểm tra điều kiện thoát của vòng lặp for, thực hiện khởi tạo biến điều khiển bằng một phép gán trước khi vào vòng lặp và thực hiện tăng ở cuối thân vòng lặp, sao cho

for i from 1 by 2 to 10 do { xxx }

trở thành

i=1
while i≤11 do { xxx; i←i+2 }

Điều này ít nhiều hoạt động đối với hầu hết các ngôn ngữ, nhưng nó không rõ ràng như nó có vẻ như, và có thể có nhiều "chi tiết" phải lo lắng.

Ví dụ, trong nhiều ngôn ngữ, forvòng lặp đánh giá nó 3 đối số (giá trị ban đầu, gia tăng và giá trị cuối cùng) là các đối số chặt chẽ , được đánh giá một lần trước khi vào vòng lặp, trong khi các đối số khác sẽ lấy các đối số thunk để đánh giá lại ở mỗi lượt, hoặc có thể là đối số lười biếng chỉ được đánh giá khi cần thiết.

Một điểm khác có thể là biến tăng có thể là cục bộ của forvòng lặp hoặc phải là biến cục bộ của hàm nơi vòng lặp xuất hiện.

Tùy thuộc vào các vấn đề như vậy, việc dịch từ a forsang a whilecó thể rất khác nhau, mặc dù thường có thể đạt được nó.

Điều tương tự cũng diễn ra đối với converse, điều chỉnh a whilethành một forvòng lặp.

Vấn đề đầu tiên là một whilevòng lặp sẽ luôn đánh giá lại điều kiện thoát ở mỗi lượt. Nhưng một số forvòng lặp không cung cấp một điều kiện được đánh giá lại ở mỗi lượt, ngoài việc so sánh biến điều khiển với một số giá trị cố định được tính trên mục vòng lặp. Sau đó, bản dịch là không thể trừ khi có một số ý nghĩa khác để nhảy ra khỏi vòng lặp trên một số điều kiện tùy ý.

Điều đó có thể đạt được với các thiết bị khác nhau, thường bắt đầu bằng câu lệnh có điều kiện kiểm tra điều kiện, theo sau là một bước nhảy được thực hiện, như có sẵn, bằng câu lệnh thoát vòng lặp, câu lệnh return (sau khi đóng gói vòng lặp trong hàm), câu lệnh goto hoặc tăng ngoại lệ.

Nói cách khác, nó lại phụ thuộc rất nhiều vào ngôn ngữ và có thể phụ thuộc vào các tính năng tinh tế của ngôn ngữ.

Điều này nói, như đã được trả lời bởi @milleniumorms , việc xen kẽ rất dễ dàng trong ngôn ngữ C, bởi vì forlopp về cơ bản là một whilevòng lặp cộng với một số bổ sung cho biến điều khiển tăng dần.

Nhưng điều này không nhất thiết phải áp dụng cho các ngôn ngữ khác, và rất có thể không theo cùng một cách.

Điều này đang được nói, các ngôn ngữ lập trình thường được cho là có sức mạnh Turing chỉ với một trong các vòng lặp này, vì tất cả những gì bạn cần cho nó là một vòng lặp vô hạn. Vì vậy, miễn là bạn có một số cách lặp lại mãi mãi và có thể quyết định dừng lại, bạn khá chắc chắn rằng bạn có thể bắt chước bất kỳ cấu trúc nào khác ... nhưng không nhất thiết phải dễ dàng.

Về bằng chứng

Tóm tắt : Không có lý do nào để tôi khẳng định rằng bằng chứng sẽ khó hơn đáng kể với cái này hay cái kia (trừ khi một số tính năng kỳ lạ của ngôn ngữ).

Có lẽ có một sự hiểu lầm, hoặc giáo viên của bạn có ý nghĩ về một cái gì đó khác.

Ngữ nghĩa chính thức có thể được định nghĩa cho các loại vòng lặp khác nhau được xác định trong các ngôn ngữ lập trình, và sau đó được sử dụng để chứng minh các thuộc tính.

Có thể, một lần nữa tùy thuộc vào ngôn ngữ, việc tiến hành các bằng chứng chính thức liên quan đến các chương trình có thể phức tạp hơn trong một số trường hợp. Nhưng điều đó phụ thuộc vào ngôn ngữ.

Tôi không thể tưởng tượng được một lý do tại sao các bằng chứng sẽ khó hơn đáng kể với một cấu trúc hơn so với cái kia. Các forvòng lặp có thể phức tạp hơn vì nó có thể cung cấp, như trong C, tất cả những gì được thực hiện với một whilecộng khác thứ. Nhưng nếu bạn đã làm điều đó với một while, bạn sẽ phải thêm các tính năng bổ sung trong một số hình thức khác.

Tôi có thể sử dụng đối số chung chính thức về khả năng xen kẽ, miễn là có khả năng cho một vòng lặp vô hạn duy nhất. Tuy nhiên tôi sẽ không làm điều đó, vì các công trình liên quan là không có gì bạn muốn giải quyết trong một bằng chứng, và rõ ràng đó sẽ là một tuyên bố không công bằng, ít nhất là trong thực tế.

Tuy nhiên, sau cuộc thảo luận ở trên, chúng tôi đã thấy rằng những khó khăn cho khả năng xen kẽ đến từ sự biến đổi lớn của forvòng lặp từ ngôn ngữ sang ngôn ngữ. Do đó, kết luận sau đây có lẽ là câu trả lời đúng:

Một khả năng để hiểu câu nói của giáo viên của bạn là ngữ nghĩa của whilevòng lặp khá giống nhau trong tất cả các ngôn ngữ lập trình, trong khi cú pháp và ngữ nghĩa của forvòng lặp có thể thay đổi đáng kể theo ngôn ngữ. Do đó, có thể đưa ra các bằng chứng "trừu tượng" chung với whilecác vòng lặp có ngữ nghĩa độc lập với ngôn ngữ ở mức độ tốt, trong khi điều này là không thể đối với forvòng lặp có cú pháp và ngữ nghĩa thay đổi quá nhiều từ ngôn ngữ sang ngôn ngữ. Nhưng điều này không áp dụng trong một ngôn ngữ nhất định, khi ngữ nghĩa của cả hai được xác định chính xác.

Đề nghị tốt nhất của tôi là bạn nên hỏi giáo viên của bạn ý nghĩa chính xác của anh ấy, và liệu anh ấy có thể cho bạn một ví dụ. Sai lầm hoặc hiểu lầm là một sự kiện phổ biến.

Trong ngôn ngữ C, bạn có thể viết lại mỗi forvòng lặp thành một whilevòng lặp tương đương và ngược lại.

while -> for biến đổi:

Viết lại

while(condition) { instructions; }

đến

for(; condition; ) { instructions; }

for -> while biến đổi:

Điều này hơi phức tạp hơn một chút, đặc biệt nếu bạn có continuecâu lệnh trong vòng lặp của mình.

Viết lại:

for(init; condition; next) { instructions; }

đến:

{
    init;
    while(condition)
    {
        instructions;
    next_label:
        next;
    }
}

nhưng thay thế mọi continue;tuyên bố bằng goto next_label;tuyên bố. Nếu conditionlà một lệnh null, thay thế nó bằng true.

Như bạn có thể thấy, trong ngôn ngữ C, không phải là "có thể chứng minh" (bất kể điều đó có nghĩa là gì) so với ngôn ngữ khác, vì ngay cả khi một trong các vòng lặp là, bạn có thể viết lại nó theo vòng lặp khác.

Bây giờ, tồn tại các ngôn ngữ khác mà sự while <-> fortương đương này không tồn tại. Ví dụ, trong Pascal, bạn có thể giả sử nhiều hơn về forvòng lặp. Điều này có nghĩa là bạn không thể diễn tả mọi khái niệm khi viết một forvòng lặp, nhưng bạn có thể chứng minh thêm về dòng mã:

for i:=1 to n do
    instructions;

Ở đây, nlưu được lưu ở đầu vòng lặp, do đó, thay đổi thành nkhông ảnh hưởng đến số lần lặp và bạn không thể sửa đổi itrong phần thân của vòng lặp. Điều này có nghĩa là bạn có thể chứng minh một cách tầm thường vòng lặp này cuối cùng sẽ kết thúc (như nlà hữu hạn và bạn không thể sửa đổi i).

Trong logic Floyd-Hoare , hệ thống chính thức phổ biến nhất để suy luận về tính đúng đắn của các chương trình máy tính, có quy tắc while .

Nói cách, nếu bạn có mệnh đề bảo vệ (biểu thức trong ngoặc trong while()), một hàm biến thể (một biểu thức có các giá trị riêng biệt có thể được hiển thị để giảm đơn điệu mỗi khi vòng lặp chạy và luôn luôn dương) và bất biến vòng lặp (một câu lệnh logic luôn luôn đúng trước và sau mỗi lần vòng lặp chạy), bạn có thể chứng minh rằng vòng lặp while sẽ kết thúc (vì hàm biến thể không thể tiếp tục giảm) và cuối cùng mệnh đề bảo vệ sẽ sai và vòng lặp bất biến là đúng.

Logic Floyd-Hoare không có quy tắc cho forcác vòng lặp hoặc bất kỳ cấu trúc ngôn ngữ thực tế nào có thể có.

Tuy nhiên, như các câu trả lời khác giải thích, đối với các vòng lặp luôn có thể được viết theo các vòng lặp while. Điều đó có nghĩa là họ có thể được lý luận về, nó chỉ cần thêm một chút công việc.

Nếu giáo viên của bạn có các khóa học tại trường đại học nơi anh ta phải cung cấp bằng chứng chính xác về các chương trình của mình, thì có lẽ anh ta đã viết các chương trình chỉ sử dụng trong khi các vòng lặp. Tôi biết tôi làm được. Và một khi bạn đã quen nghĩ về các vệ sĩ và các chức năng biến thể và các bất biến vòng lặp, chúng có vẻ rất tự nhiên. Lạm dụng trong khi các vòng lặp là thói quen bạn thấy với các sinh viên tốt nghiệp CS, tôi đã phải học cách ngừng làm điều đó trong những tháng đầu tiên làm nhà phát triển chuyên nghiệp.

Ở đâu đó, giáo viên của bạn đã đánh giá sai tất cả những điều này là "lập trình viên giỏi sử dụng trong khi các vòng lặp", trong khi điều thực sự xảy ra giống như "một số sinh viên tốt nghiệp CS biến thói quen chứng minh chính xác của họ thành thói quen lập trình thực tế".

Trên thực tế, trong một số ý nghĩa, điều hoàn toàn ngược lại là đúng.

Một ngôn ngữ chỉ có for-loops không phải là Turing-Complete, nó chỉ có thể tính toán các hàm đệ quy nguyên thủy, không phải tất cả các hàm tính toán Turing. Vì tất cả các tính toán trong một ngôn ngữ chỉ có các forlỗi luôn luôn chấm dứt, nên Vấn đề dừng và tất cả các vấn đề có thể quyết định khác dựa trên nó, đơn giản là không phát sinh, do đó có thể quyết định một cách máy móc nhiều thuộc tính tĩnh hơn của các chương trình so với ngôn ngữ với while-loops.

OTOH, một ngôn ngữ chỉ có số tự nhiên, một biến duy nhất và while-loops là Turing- Complete , và do đó không thể quyết định ngay cả những thuộc tính đơn giản nhất: chương trình này có trả về kết quả không?

Tôi muốn nói rằng trong thực tế, không có sự khác biệt. Câu hỏi của bạn là không liên quan. Có thể giáo viên của bạn có thể có nghĩa là sử dụng vòng lặp while khi không. lặp đi lặp lại không được biết trước. Trong nhiều trường hợp, chúng ta cần sử dụng vòng lặp while để trích xuất các chữ số không. khi người dùng nhập không. có thể có độ dài bất kỳ. Về mặt kỹ thuật, điểm tương đồng giữa vòng lặp for & while là cả hai vòng lặp được kiểm soát đầu vào trong đó (biểu thức kiểm tra / điều kiện) được đánh giá trước khi đi vào thân vòng lặp. Đây là điểm khác biệt giữa các vòng lặp while & do-while.

Nó có thể xuất phát từ lập trình C sớm, trong đó, theo định mức ngày nay, các vòng lặp bị lạm dụng và sử dụng rộng rãi, đặc biệt là điều kiện được sửa đổi. Khi các lập trình viên bắt đầu hiểu được hiệu quả của các kiểu lập trình nhất định, việc lạm dụng và lạm dụng các điều kiện vòng lặp không được ủng hộ, và tuyên bố, trong khi (có thể nói là một khi có hiệu lực), không còn đúng với bất kỳ sự thật nào nữa.

Tuyên bố hoàn toàn không có sự thật nếu bạn chỉ nhìn vào định nghĩa và cú pháp ngôn ngữ và bỏ qua cách nó được sử dụng.

Tuy nhiên, bản thân tuyên bố đưa ra một bài học quý giá cho bất kỳ ai muốn hiểu nó, lịch sử của nó và tại sao nó không còn được coi là đúng. - Biểu hiện của việc học, sai lầm và lặp lại chúng .....

Giáo viên của bạn là chính xác!

Lý do là sau đây là hợp lệ C

for (int x = 1 ; x < 20 ; x++ ) {
   x = x + 9;
}

Bạn không thể đảm bảo các biến điều kiện không bị giả mạo!