Tässä moduulissa opit kirjoittamaan ohjelmia, jotka voivat haarautua vaihtoehtoisiin suorituspolkuihin. Näin saat ohjelman reagoimaan eri tavoin erilaisiin syötteisiin. Haarautuminen voi perustua myös laskutoimituksen tulokseen tai mihin tahansa seikkaan ohjelman sisäisessä tilassa.
Haarautuminen toteutetaan valintarakenteen avulla. Valintarakenne on ohjelmointikielten välttämätön ohjausrakenne, ja sen hallinta kasvattaa huomattavasti ohjelmoijan ilmaisuvoimaa.
Oletetaan, että tulet kahvilaan tilataksesi latten. Latte maksaa viisi euroa, ja haluat maksaa käteisellä. Tässä vaiheessa joudut tekemään päätöksen siitä, riittävätkö rahasi latten ostoon. Tämä valintatilanne voidaan kuvata pseudokoodina:
jos rahaa_taskussa >= 5
osta latte
Pseudokoodista nähdään, että päätös tehdään ehdon toteutumisen perusteella. Ehtona on tässä tapauksessa se, että rahaa on vähintään viisi euroa. Ehto voi olla tosi (true) tai epätosi (false): jos rahaa on esimerkiksi seitsemän euroa, on lauseke muotoa 7 >= 5, joka on tosi. Toisaalta jos taskusta löytyy vain 4,85 euroa, on ehto muotoa 4.85 >= 5, joka on epätosi.
Ohjelman eteneminen voidaan kuvata myös vuokaaviolla (flowchart). Vuokaavio on graafinen esitys ohjelman suorituspolusta. Se on hyödyllinen työkalu ohjelman rakenteen hahmottamisessa. Seuraavassa on esitetty vuokaavio edellä mainitusta valintarakenteesta:
graph TD
A[Aloitus] --> B{Onko rahaa_taskussa >= 5?}
B -- Kyllä --> C[Osta latte]
B -- Ei --> D[Lopeta]
C --> D
Ehdollisesti suoritettava ohjelmanosa (eli latten osto) suoritetaan täsmälleen silloin, kun ehto on tosi.
Python-kielessä ehdollisesti suoritettava ohjelmanosa toteutetaan if-lauseen avulla. Lauseen rakenne on seuraava:
if ehto:
ehdollisesti suoritettava koodilohko
Edellä ehto on looginen lauseke, jonka totuusarvo voidaan laskea. Totuusarvo on joko tosi tai epätosi. Sen perusteella suoritus etenee:
Ehdollisesti suoritettavaan lohkoon kuuluvat lauseitä on sisennettävä yhden askeleen verran. Python-kielessä yhden askeleen sisennys saadaan kirjoittamalla rivin alkuun neljä välilyöntiä. Käytännössä neljää välilyöntiä ei kannata tehdä välilyöntinäppäintä napsuttelemalla vaan painamalla yhden kerran sarkainnäppäintä eli Tab-näppäintä.
Koodin sisentäminen on tärkeä työväline Python-kielessä: sillä ilmaistaan ohjelman sisäinen hierarkia. Tässä tapauksessa yhden askeleen sisennys ilmaisee, mitkä lauseet kuuluvat ehdollisesti suoritettavaan osaan. Python-kielessä koodin oikea sisentäminen on pakollista, ja sivutuotteena se tekee koodista myös havainnollisemman ja helpommin luettavan. Tässä Python poikkeaa monista tunnetuista ohjelmointikielistä, joissa koodilohkot merkitään tyypillisesti aaltosuluin ({ }) ja lohkon sisentäminen on kielen syntaksin näkökulmasta vapaaehtoista. Näissä muissa kielissäkin sisennyksiä käytetään, mutta se tehdään käytännössä koodin luettavuuden takia.
Kirjoitetaan ensimmäinen esimerkki valintarakennetta käyttävästä ohjelmasta. Ohjelma kysyy käyttäjältä taskussa olevan rahamäärän ja ilmoittaa tälle, jos rahat riittävät viiden euron hintaisen latten ostoon. Jos rahat eivät riitä, ohjelma ei ilmoita mitään:
rahat = float(input("Anna rahamäärä: "))
if rahat >= 5:
print("Voit ostaa latten.")
Kokeillaan ohjelman toimintaa erilaisilla syötteillä. Ehdollisesti suoritettava lohko suoritetaan, kun rahat riittävät:
Anna rahamäärä: 5.45
Voit ostaa latten.
Sitten kokeillaan tilannetta, jossa rahaa on juuri ja juuri riittävästi:
Anna rahamäärä: 5
Voit ostaa latten.
Tämä oli tärkeä kokeilu, sillä rajatapausten käsittelyssä tulee helposti ohjelmointivirheitä. Jos olisimme kirjoittaneet ehdon
vahingossa muotoon rahat > 5 olisi latte jäänyt virheellisesti toimivan ohjelman mukaan ostamatta.
Lopuksi tarkistetaan, että ehdollista lohkoa ei suoriteta, kun rahat eivät riitä:
Anna rahamäärä: 4.95
Edellä olevassa latte-esimerkissä ehto ilmaistiin suurempi kuin -vertailuoperaattorin (>=) avulla. Ehtojen ilmaisemiseksi Python-kielessä voidaan käyttää seuraavia vertailuoperaattoreita:
| Merkintä | Vertailuoperaattori |
|---|---|
> |
suurempi kuin |
< |
pienempi kuin |
>= |
suurempi tai yhtäsuuri kuin |
<= |
pienempi tai yhtäsuuri kuin |
== |
yhtä suuri kuin |
!= |
eri suuri kuin |
Loogisia operaattoreita on sallittua ketjuttaa. Seuraava lauseke on tosi silloin, jos henkilön pituus on vähintään 170 mutta alle 180 cm: 170 <= pituus < 180.
Operaattoreita on mahdollista käyttää myös merkkijonotyyppisille lausekkeille. Esimerkiksi merkkijonoille m1 ja m2 lauseke m1 < m2 on tosi silloin, jos merkkijono m1 on aakkosjärjestyksessä ennen merkkijonoa m2.
Seuraavassa esimerkissä verrataan merkkijonojen yhtäsuuruutta:
suutari = input("Anna suutarin nimi: ")
räätäli = input("Anna räätälin nimi: ")
if suutari==räätäli:
print("Hyvänen aika! Suutari ja räätäli ovat kaimoja!")
Huomaa, että yhtäsuuruusvertailussa on kaksi yhtäsuuruusmerkkiä (==). Yhdellä yhtäsuuruusmerkillä ilmaistaisiin sijoituslause.
Ohjelma ilmoittaa, jos suutarilla ja räätälillä on sama nimi:
Anna suutarin nimi: Tiina
Anna räätälin nimi: Tiina
Hyvänen aika! Suutari ja räätäli ovat kaimoja!
Aiemmissa esimerkeissä valintarakenteen ehto voitiin ilmaista yksinkertaisella tavalla vertailuoperaattorien avulla. Toisinaan ehto on monimutkaisempi: se saattaa esimerkiksi koostua useasta yksittäisestä ehdosta, joista jokaisen on oltava tosi, jotta valintaehto kokonaisuudessaan olisi tosi. Tällaisia rakenteisia ehtoja voidaan koostaa loogisten operaattorien avulla.
Python kielessä on seuraavat loogiset operaattorit:
| Merkintä | Looginen operaattori |
|---|---|
and |
ja (“molemmat”) |
or |
tai (“jompikumpi tai molemmat”) |
not |
negaatio (“ei”) |
Oletetaan, että a ja b ovat loogisia lausekkeita, joiden arvot siis ovat joko tosi tai epätosi. Tällöin:
a and b on tosi täsmälleen silloin, kun sekä lauseke a että lauseke b ovat tosia.a or b on tosi täsmälleen silloin, kun vähintään jompikumpi lausekkeista a ja b on tosi.not a on tosi täsmälleen silloin, kun lauseke a on epätosi.Edellä mainituista operaatioista not-operaattoria sovelletaan ensin, sen jälkeen and-operaattoria ja viimeiseksi or-operaattoria. Laskujärjestystä voidaan muuttaa sulkeilla.
Esimerkkejä:
a or b and c on tosi silloin, kun joko a on tosi tai sekä b että c ovat tosia.(a or b) and c on tosi silloin, kun vähintään jompikumpi lausekkeista a tai b on tosi ja sen lisäksi lauseke c on tosi.a and not b on tosi silloin, kun a on tosi ja b on epätosi.Tarkastellaan esimerkkiohjelmaa, joka ilmoittaa, jos lääkettä saa antaa potilaalle. Lääkkeen käyttö on sallittua, kun potilas on aikuinen. Käyttö on sallittua myös, jos potilas on vähintään 15-vuotias ja hänen painonsa on vähintään 55 kiloa. Seuraava ohjelma kysyy aluksi potilaan iän. Jos ikä on vähintään 15 mutta alle 18 vuotta, ohjelma kysyy myös painon. Lopuksi ohjelma ilmoittaa käyttäjälle, jos lääkkeen käyttö on sallittua.
ikä = int(input("Anna ikä: "))
if 15 <= ikä < 18:
paino = float(input("Anna paino (kg): "))
if (ikä >= 18 or ikä >= 15 and paino >= 55):
print("Lääkkeen käyttö on sallittua.")
Kokeillaan ohjelman toimintaa 17-vuotiaalle, 55 kiloa painavalle henkilölle:
Anna ikä: 17
Anna paino (kg): 55
Lääkkeen käyttö on sallittua.
Alempaa if-lausetta tarkasteltaessa saattaa huomio kiinnittyä siihen, että paino on määritelty vain niille henkilöille, joiden ikä on 15, 16 tai 17 vuotta. Muilta painoa ei ole kysytty, eikä tuota muuttujaa ole määritelty. Pythonissa on kuitenkin piirre, jota tässä voidaan hyödyntää: loogisen lausekkeen arvon laskeminen lopetetaan heti, kun arvo on saatu selville. Siinä tapauksessa, että ikä on vähintään 18 vuotta, on or-lausekkeen vasen puoli tosi, ja koko lausekkeen arvo tosi.
Painotietoa ei tällöin tarvita loogisen lausekkeen arvon laskemiseksi. Silloin jos ikä oli alle 18 vuotta, siirrytään laskemaan or-sanan oikealla puolella olevan lausekkeen arvoa. Jos ikä on alle 15 vuotta, on sekä or-sanan vasemmalla että oikealla puolella olevien lausekkeiden arvo on epätosi ja koko or-lausekkeen arvo sen vuoksi epätosi. Painotieto luetaan vain silloin, jos tiedetään, että ikä on vähintään 15 ja alle 18 vuotta - ja juuri näissä tapauksissa kyseinen muuttuja on määritelty. Tätä Python-kielen piirrettä kutsutaan oikosulkemiseksi (short-circuiting).
graph TD
A[Aloitus] --> B[Kysy ikä]
B --> C{15 ≤ ikä < 18?}
C -- Kyllä --> D[Kysy paino]
C -- Ei --> E{"ikä ≥ 18 or (ikä ≥ 15 and paino ≥ 55)"?}
D --> E
E -- Kyllä --> F[Lääkkeen käyttö on sallittua]
F --> H[Lopetus]
E --> H
Edellä olevassa lääkkeen käyttöä koskevassa esimerkkiohjelmassa on se heikkous, että ohjelma ei anna mitään tulostetta niissä tapauksissa, kun lääkkeen käyttö on kiellettyä. Ohjelma toimisi käyttäjän näkökulmasta paremmin, jos se tuottaisi aina vastauksen.
Ohjelmaan halutaan siis lisätä toinen ehdollisesti suoritettava lohko, johon mennään silloin, jos alkuperäinen ehto oli epätosi. Tämä voidaan tehdä lisäämällä if-lauseeseen else-haara.
Else-haaran sisältävän ehtolauseen toimintaidea on tämä:
if (ehto):
lohko, joka suoritetaan, jos ehto on tosi
else:
lohko, joka suoritetaan, jos ehto on epätosi
Lisätään else-haara lääke-esimerkkiin:
ikä = int(input("Anna ikä: "))
if 15 <= ikä <18:
paino = float(input("Anna paino (kg): "))
if (ikä >= 18 or ikä >= 15 and paino >= 55):
print("Lääkkeen käyttö on sallittua.")
else:
print("Lääkettä ei saa käyttää.")
Esimerkissä oleva else-haara liittyy jälkimmäiseen if-lauseeseen. Yleisesti else-haara tulkitaan liittyväksi viimeiseen if-lauseeseen, joka on ohjelmassa sisennetty samalle tasolle kuin else-haara.
graph TD
A[Aloitus] --> B[Kysy ikä]
B --> C{15 ≤ ikä < 18?}
C -- Kyllä --> D[Kysy paino]
C -- Ei --> E{"ikä ≥ 18 or (ikä ≥ 15 and paino ≥ 55)"?}
D --> E
E -- Kyllä --> F[Lääkkeen käyttö on sallittua]
E -- Ei --> G[Lääkettä ei saa käyttää]
F --> H[Lopetus]
G --> H
Tarkastellaan ohjelman tuottamia tulosteita eri syötteillä:
Anna ikä: 18
Lääkkeen käyttö on sallittua.
Anna ikä: 16
Anna paino (kg): 61
Lääkkeen käyttö on sallittua.
Anna ikä: 13
Lääkettä ei saa käyttää.
Anna ikä: 17
Anna paino (kg): 52
Lääkettä ei saa käyttää.
Tarkastellaan lopuksi tilannetta, jossa valittavia vaihtoehtoja on useita, ja jokaiselle määritetään oma ehtonsa. Tämä toteutetaan elif- haarojen avulla. Sana on lyhenne sanoista “else if”.
Seuraava ohjelma kysyy käyttäjän iän ja ilmoittaa hänelle, onko tämä eläkeikäinen, työikäinen, koululainen vai pikkulapsi. (Ikärajojen osalta tässä vedetään mutkat suoriksi ja oletetaan, että kukin elämänvaihe alkaa täsmälleen tietyssä iässä; oikeastihan näin ei ole.)
ikä = int(input("Anna ikäsi: "))
if ikä >= 65:
print("Olet eläkeiässä.")
elif ikä >= 18:
print("Olet työiässä.")
elif ikä >= 7:
print("Olet koululainen.")
else:
print("Olet pikkulapsi.")
Kokeillaan toimintaa antamalla iäksi 23 vuotta:
Anna ikäsi: 23
Olet työiässä.
Miten elif-haaroja sisältävä rakenne toimii? Suoritus etenee seuraavasti:
else-haarassa oleva ehdollinen lohko.graph TD
A[Aloitus] --> B[Kysy ikä]
B --> C{ikä ≥ 65?}
C -- Kyllä --> D[Olet eläkeiässä]
C -- Ei --> E{ikä ≥ 18?}
E -- Kyllä --> F[Olet työiässä]
E -- Ei --> G{ikä ≥ 7?}
G -- Kyllä --> H[Olet koululainen]
G -- Ei --> I[Olet pikkulapsi]
D --> Z[Lopetus]
F --> Z
H --> Z
I --> Z
Ohjelma siis kirjoitettiin siten, että ensimmäisen haaran kireää ehtoa löysätään vaihe vaiheelta, jolloin iän ylärajoja ei tarvitse haarojen ehtoihin kirjoittaa. Ne voitaisiin toki kirjoittaa, mutta se olisi tarpeetonta ja lisäisi uuden mahdollisuuden tehdä ohjelmointivirhe.
Seuraavassa moduulissa käsitellään while-toistorakennetta.