问题

为什么很多新型编程语言都抛弃了 C 语言风格的 for 语句?

回答
说起 C 语言风格的 `for` 语句,相信不少程序员都会在脑海中勾勒出那个经典的 `for (初始化; 条件; 更新)` 的样子。它简洁、强大,支撑起了无数的软件系统。然而,我们确实能观察到一个有趣的现象:许多近年出现的编程语言,在设计上似乎都选择“绕开”或者“重新诠释”这种 C 式 `for`。这背后并非是简单的“为了不一样而不一样”,而是源于对编程效率、代码可读性、安全性以及更现代编程范式的追求。

要详细聊聊这个,咱们得从 C 语言 `for` 语句的本质和它所带来的优缺点说起。

C 式 `for` 语句的“前世今生”

C 语言的 `for` 循环,可以说是一种非常低级别、接近硬件控制的循环结构。它将循环的三个核心要素——初始化(设置循环的起点)、条件(决定循环何时停止)和更新(在每次迭代后如何改变循环状态)——统统塞进了一个括号里。

比如,最常见的从 0 计数到 9:

```c
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// do something with i
}
```

这种设计的好处是显而易见的:

1. 紧凑和高效: 所有的循环控制逻辑集中在一处,执行效率很高,没有额外的函数调用开销(相比某些更高级的抽象)。
2. 灵活性极高: 你可以控制任何可以被控制的变量,可以实现各种复杂的迭代模式,比如步长不为 1,或者同时控制多个变量。
3. 底层控制: 在需要精细控制内存和执行流程的场景,这种直接的控制方式非常有优势。

然而,正因为它的灵活性和底层性,也埋下了不少“坑”:

新型语言为何“疏远” C 式 `for`?

新型编程语言的开发者们在设计时,往往会吸取过去语言的经验教训,并考虑当前软件开发的痛点。他们发现,C 式 `for` 句虽然强大,但在某些方面确实不够“友好”和“安全”。

1. 可读性与意图的清晰度问题

让我们看看这个例子:

```c
// 假设我们要遍历一个数组的所有元素
int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); // 计算数组长度

// C 式 for 循环遍历
for (int i = 0; i < n; i++) {
printf("%d ", arr[i]);
}
```

这段代码在很多程序员看来是“标准操作”,但如果换个角度:

我们实际上是想处理“数组中的每一个元素”。
但 `for` 语句迫使我们关注“如何管理计数器 `i`”,比如 `i = 0`,`i < n`,`i++`。
如果数组结构改变了,我们可能需要找到并修改 `n` 的计算方式,这增加了出错的可能性。

新型语言更倾向于表达“我想要做什么”,而不是“我需要一步一步怎么做”。

2. 引入“迭代器”和“集合遍历”的流行范式

很多新型语言引入了迭代器 (Iterator) 的概念,或者将集合(List, Array, Set 等)视为一种可以被“遍历”的对象。这使得语言可以直接表达“对集合中的每一个元素执行操作”。

Python 的 `for element in collection:`
这是最典型的例子。它非常直观地表达了“对于集合中的每一个元素,取出来叫它 `element`,然后做某事”。这里你不需要关心索引,不需要关心集合的大小,甚至不需要关心集合底层的具体实现(是数组还是链表)。

```python
my_list = [10, 20, 30, 40]
for num in my_list:
print(num)
```
这极大地提升了代码的可读性,将关注点从循环控制转移到了数据本身。

Java 的增强 for 循环 (Enhanced for loop) / foreach loop:
在 Java 5 中引入的这个特性,非常类似于 Python 的风格。

```java
int[] arr = {1, 2, 3, 4, 5};
for (int element : arr) {
System.out.println(element);
}
```
这表明了对 C 式 `for` 的一种“改良”,它保留了 `for` 的关键字,但在语法上采用了更高级、更声明式的写法。

Rust 的 `for item in iterator`:
Rust 语言在这一点上做得更加彻底,它强制所有循环都使用这种迭代器风格。

```rust
let arr = [1, 2, 3, 4, 5];
for element in arr.iter() {
println!("{}", element);
}
```
或者直接消费迭代器:
```rust
let arr = vec![1, 2, 3, 4, 5];
for element in arr { // vec 会被消费,不能再用 arr
println!("{}", element);
}
```
Rust 的设计哲学是“零成本抽象”,这意味着这种更高级的语法最终会被编译器优化成和 C 式 `for` 差不多的高效机器码,但开发者能享受到更高的抽象层次带来的便利。

3. 避免常见的错误(索引越界、无限循环)

C 式 `for` 语句的灵活性也是一把双刃剑。它允许你自由地操纵计数器,但也容易引入一些经典的编程错误:

索引越界 (Offbyone errors): 这是最常见的错误之一。比如 `i <= n` 写成了 `i < n`,或者 `i < n` 写成了 `i <= n`,都可能导致访问了不存在的数组元素,或者漏掉最后一个元素。
```c
// 假设数组大小是 5,索引是 04
for (int i = 0; i <= 5; i++) { // i=5 时会越界访问 arr[5]
// ...
}
```

忘记更新计数器导致无限循环: 如果在循环体中忘记了 `i++`,或者写错了更新逻辑,很容易陷入死循环。
```c
int i = 0;
while (i < 10) {
printf("Looping... ");
// 没有 i++ !!!
}
```
虽然这是 `while` 的例子,但 `for` 语句的更新部分如果写错,原理一样。

变量作用域的混淆: 在 C/C++ 中,`for (int i = 0; ...)` 的 `i` 作用域是整个 `for` 语句块,包括那个分号后面,但有时开发者可能会误以为 `i` 可以在 `for` 语句结束后继续使用,或者在不同的 `for` 语句之间混淆了 `i`。

新型语言通过更声明式的语法,很大程度上规避了这些问题:

迭代器风格 直接处理元素,不需要手动管理索引,也就消除了索引越界的风险。
在“foreach”风格中,循环的结束由集合本身的迭代器决定,避免了手动控制条件时可能出现的逻辑错误。

4. 函数式编程风格的影响

近年来,函数式编程(Functional Programming, FP)的思想对编程语言设计产生了深远影响。函数式编程强调数据的不可变性、纯函数以及对数据进行转换和组合,而不是命令式地改变状态。

C 式 `for` 语句是典型的命令式循环,它直接改变了计数器 `i` 的状态。而函数式语言则倾向于使用更高级的抽象来处理集合:

`map`: 对集合中的每个元素应用一个函数,生成新的集合。
`filter`: 根据条件过滤集合中的元素。
`reduce` (或 `fold`): 将集合中的元素聚合成一个单一的值。

这些操作通常通过方法链或 lambda 表达式来表达,例如在 JavaScript 或 Java 中:

```javascript
// JavaScript 示例
const numbers = [1, 2, 3, 4, 5];
const doubledAndFiltered = numbers
.map(num => num 2) // 映射,每个数翻倍
.filter(num => num > 5); // 过滤,只保留大于 5 的
console.log(doubledAndFiltered); // [6, 8, 10]
```

这种风格不涉及显式的循环变量,而是描述了数据的转换过程。它更加声明式,可组合性强,并且由于避免了对共享状态的修改,在并发编程中也更安全。虽然这些操作底层也需要迭代,但它们隐藏了 C 式 `for` 的细节。

5. 追求更高级的抽象和更少的“脚手架”代码

想象一下在 C 中写一个读取文件所有行并处理的函数:

```c
FILE fp = fopen("myfile.txt", "r");
if (fp == NULL) {
perror("Error opening file");
return 1;
}

char line[256];
while (fgets(line, sizeof(line), fp) != NULL) {
// process line
}

fclose(fp);
```

在很多现代语言中,这个过程可以大大简化:

```python
Python 示例
with open("myfile.txt", "r") as f:
for line in f: f 是一个迭代器
process line
```

这里的 `for line in f` 实际上就是一种迭代器模式,但它还包含了文件资源的自动管理(`with` 语句),大大减少了样板代码和潜在的资源泄露风险。虽然这里没有直接用 C 式 `for`,但它展示了语言层面如何提供更便捷、更安全的集合或资源处理方式,使得开发者不必亲手去管理底层的循环控制细节。

并非完全抛弃,而是演变和封装

值得注意的是,许多语言并不是“完全抛弃”了 C 式 `for` 的思想,而是将它封装起来,或者提供了更高级的接口。

Go 语言的 `for`:
Go 语言保留了 C 式 `for` 的结构,但非常鼓励使用其简化的形式(类似于 `while`)以及 `for ... range`(迭代器风格):

```go
// C 式 for
for i := 0; i < 10; i++ {
// ...
}

// 类似 while
i := 0
for i < 10 {
// ...
i++
}

// Range 遍历(推荐)
arr := []int{1, 2, 3}
for index, value := range arr {
// ...
}
```
Go 语言的设计者认为 C 式 `for` 的灵活性在某些场景下是必需的,但他们也提供了更易读、更安全的 `range` 关键字来处理集合。

JavaScript 的 `for...of`:
与 Python 和 Rust 类似,JavaScript 的 `for...of` 也是基于迭代器协议的,是现代的遍历方式:

```javascript
const arr = [1, 2, 3];
for (const value of arr) {
console.log(value);
}
```
但 JavaScript 也保留了经典的 C 式 `for`,因为在需要手动控制索引和步长时(比如反向遍历或者跳跃遍历),它仍然有用。

总结

总的来说,新型编程语言倾向于抛弃或重新定义 C 语言风格的 `for` 语句,主要原因在于:

1. 提升代码可读性和意图的表达力: 更直接地描述对集合元素的操作,而非繁琐的循环控制细节。
2. 降低编程错误率: 通过迭代器模式等抽象,避免索引越界、死循环等常见问题。
3. 拥抱更现代的编程范式: 支持函数式编程风格(如 `map`, `filter`)和声明式编程思想。
4. 减少样板代码: 语言层面提供更简洁、更安全的资源管理和集合处理方式。

这并非是对 C 语言的否定,而是编程语言发展到一定阶段后,对效率、安全、可维护性和开发体验的权衡与进化。当一种语言的设计目标是让开发者更轻松地表达想法、减少错误并高效地构建大型、复杂的系统时,那些在底层高效但容易出错的结构,往往会被更高级、更安全的抽象所取代或补充。

网友意见

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典型的C风格for语句需要++运算符;如果要在C风格for循环内写较复杂的逻辑,还需要逗号运算符的支持。不少语言把它俩给ban了。

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foreach语法确实比单独的for要清晰明确。

当然foreach会损失一定的灵活性(例如说多个并列条件或者自定义步长等),但这些场景还是可以通过一定的语法糖来改善,实在太复杂的情况还有while来兜底……完全够用。

实际上c语言同时设计了for和while两个功能、场景、封装层次基本一样循环语法,确实就是有点多余的。

那么既然for和while重叠了,为了语法的清晰简洁,要砍掉一个的话,是砍掉while还是砍掉for,结论就非常显而易见了吧?

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在众多编程语言中间,C语言本来就是个异类~~

只是C太流行了,引得几大主流语言c++、java、c#都沿用了c的语法习惯。javascript之类的又模仿了java的语法,这些语言也叫类c语言,至少看上去和c语言类似。

所以,逻辑关系是:只有类C语言,才会采用C语言的for循环语法。

除此之外的语言一般都不用c语言的for语法,有些语言甚至都不用分号,想用for也不可能。


总之,不采用for语法才是编程语言的默认选项。采用c语言for写法的语言反而是少数派。

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因为 for 循环的本质是 bounded loop,但它有更好的替代品(比如:foreach)。

for 循环也可以支持 unbounded loop,但这种情况应该用 while 。

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因为C风格的for循环有太多不确定的地方,这些东西都非常的不直观:

典型的C风格的for循环像这样:


       for( initialize; condition; increment )   statement( block);     

那么存在这么一大堆问题:

  1. initialize声明的变量可见性范围是?生命周期是?
  2. condition在第一次循环结束后还是开始前判断?
  3. increment在第一次循环前执行还是第一次循环后执行?
  4. 循环结束后,是先执行increment还是先判断condition?
  5. initialize是否允许同时初始化多个变量?
  6. initialize和increment都可以省略,那么condition是否可以省略?省略后是不是等价于true?


这些问题的答案当然都是明确的,但都是完全不直观的。

人生苦短,没事记这些玩意儿干啥?


而反观while循环:

       while( condition )   statement( block);     

既没有initialize,也没有increment,所以这些问题都不存在:

  1. initialize声明的变量可见性范围是?生命周期是?
    没有initialize,所以不存在这个问题
  2. condition在第一次循环结束后还是开始前判断?
    condition放在statement前面,显然是在第一次循环开始前判断,要在第一次循环结束后判断可以用do...while。
  3. increment在第一次循环前执行还是第一次循环后执行?
    没有increment,所以这个问题不存在
  4. 循环结束后,是先执行increment还是先判断condition?
    因为没有increment,这个问题也不存在
  5. initialize是否允许同时初始化多个变量?
    因为没有initialize,这个问题也不存在
  6. initialize和increment都可以省略,那么condition是否可以省略?省略后是不是等价于true?
    condition显然不能被省略,其他俩压根儿没有。


PS:

statement( block) = statement or statement block,语句或语句块。



另外评论/答案中有人提到,for用分号分隔的三个部分都是语句,这是不对的,condition和increment部分是表达式而不是语句……



再补充一点好了,for循环不讨喜的很重要一个原因我觉得是上不上下不下。

论简洁,当然是while循环最简单,一看就懂,不需要额外的记忆。

如果限定在特定的遍历的场景下,for循环又不像foreach那样舒服,太多细节要自己处理。


唯一可圈可点的地方就是可以限制initialize里面declare的变量的可见范围和生命周期。

但是这又是for的另一个命门,因为只有一个statement,所以没法初始化不同类型的两个变量,或者在没有逗号表达式的语言里面做一些额外的初始化操作。

基本上除了个int i = 0也玩不出什么花,increment也是一样,除了i++、i--也很难做点别的事情。如果把要执行的东西放increment又很怪异。

这就是上不上下不下,看起来,很多细节暴露给你可以去处理,但实际用起来,这也用不了,那也用不了。最后发现只适合遍历。


更何况对于C/C++语言程序员来说increment很大程度上就是多余的:

       for( int i = 0; i++ < 10; )     

有时候觉得,搞个只有两个部分的的for循环更好用,increment除了可以在continue的时候被执行,其实直接写到循环尾部或者头部不一样么?



而新出的语言则直接用别的语法支持遍历,那for循环保留的意义就没了。

user avatar

不是“其他语言抛弃了 C 语言的 for 语句”,而是“C 语言抛弃了 Algol 60 的 for 语句,其他语言没有抛弃”。

Algol 60 的 for 语句一般长这样:

       for i := 1 step 1 until 10 do   outinteger(1, i);     

也可以长这样:

       for i := 2, 4, 6, 7, 8 do   outinteger(1, i);     

甚至可以混起来用。

这种“指定一个数值序列,让循环变量依次取序列中的每个数”的 for 循环才是原版的 for 循环。而 C 语言那种可以塞任意三个表达式的 for 语句是异类。

而这个异类比原版多的功能,就是更容易写出奇形怪状的代码了……

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