Java : for文の基本 (文法)

2023年04月24日

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for文は、プログラムを繰り返し処理するための制御文です。
while文 と比べると、繰り返し回数を変数で制御したいときに向いています。

本記事では、Java の for文のうち、基本for文と呼ばれる文法について解説します。

もう１つの for文である 拡張for文については、下記の記事でまとめています。
そちらもぜひ参考にしてみてくださいね。

• 拡張for文 (for-eachループ文)

※本記事では、単に "for文" と書いているときは "基本for文" のことをさします。

基本for文

基本for文は、プログラムを繰り返し処理させるための制御文です。

for (初期化処理; 条件式; 更新処理) {
    ... ループ文 ...
}

これが基本の形となります。

コード例で見てみましょう。

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    System.out.println("i = " + i);
}

// 結果
// ↓
//i = 0
//i = 1
//i = 2
//i = 3
//i = 4

for文が開始されると、まず 初期化処理 が実行されます。

int i = 0

この部分ですね。
変数 i を宣言して 0 で初期化しています。

次に 条件式 がチェックされます。
そして、条件式が true の間は、ループ文と更新処理を繰り返し実行します。

条件式は

i < 5

の部分です。

i 変数は 0 で初期化したので、条件式は最初 0 < 5 となり、結果は true ですね。
よって、ループ文 が実行されます。

ループ文は

System.out.println("i = " + i);

の部分です。
※System.out.println は、値をコンソールに出力するためのメソッドです。

ループ文の実行が終わると、更新処理 が実行されます。
更新処理は、

i++

の部分です。
i 変数に 1 を加算します。

ここまで終わると、あとは 条件式 のチェックに戻って繰り返します。
(初期化処理 は最初の１回だけ実行されます)

i 変数は、繰り返しのたびに 0 → 1 → 2 → 3 ... と増えていきます。
そして、i が 5 になった次の条件式のチェックは 5 < 5 となり、結果は false で for文が終わります。

コンソールには、

i = 0
i = 1
i = 2
i = 3
i = 4

と出力されます。

もう一度、処理の流れをまとめてみましょう。

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    System.out.println("i = " + i);
}

フローチャート図で書くと次のようになります。

それでは、もう少し詳しく見ていきましょう。

初期化処理

for (初期化処理; ; ) {
    ... ループ文 ...
}

初期化処理は、for文が開始された直後に１回だけ実行されます。
主な用途としては、カウンタ変数の宣言および初期化です。

for (int i = 0; ...; ...) {
    ...
}

上記の例では、変数 i を宣言して 0 で初期化しています。
変数宣言以外では、文 や、クラスのメソッド呼び出しなども書くことができます。

int num = 0;

// コンパイルOK
for (num += 10; ; ) {
    ...
}

// コンパイルOK
for (System.out.println("abc"); ; ) {
    ...
}

しかし、式 は書けません。コンパイルエラーになります。

int num = 5;

// コンパイルエラー
for (num + 5; ; ) {
    ...
}

// コンパイルエラー
for (num == 5; ; ) {
    ...
}

初期化処理で宣言された変数は、for文の内側のみで使えます。

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    // コンパイルOK
    System.out.println("i = " + i);
}

for文の外側では使えません。スコープ外となります。

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    ...
}

// コンパイルエラー
System.out.println("i = " + i);

もし初期化処理が不要なときは、空 にすることもできます。

// 意図的に、変数 i の宣言を初期化処理の外側にします。
int i = 0;
for (; i < 5; i++) {
}

// コンパイルOK
System.out.println("i = " + i);

条件式

for (; 条件式; ) {
    ... ループ文 ...
}

条件式は、結果が boolean(真偽値) となる 式 のみ許容します。
boolean にならないものはコンパイルエラーとなります。

例えば < や > による大小の比較や、== による比較は、結果が boolean となる式です。

// 式 : 5 > 3
final var exp1 = 5 > 3;
System.out.println(exp1); // true

// 式 : 4 < -1
final var exp2 = 4 < -1;
System.out.println(exp2); // false

// 式 : 10 == 10
final var exp3 = 10 == 10;
System.out.println(exp3); // true

int num = 0;

// コンパイルOK
for (; num > 3; ) {
    ...
}

// コンパイルOK
for (; num < -1; ) {
    ...
}

// コンパイルOK
for (; num == 10; ) {
    ...
}

もしくは、結果が boolean となるメソッドの呼び出しも OK です。
例えば、文字列の比較に使う equals メソッドは boolean を返します。

final var exp1 = "abc".equals("abc");
System.out.println(exp1); // true

final var exp2 = "abc".equals("xyz");
System.out.println(exp2); // false

var str = "abc";

// コンパイルOK
for (; str.equals("xyz"); ) {
    ...
}

複数の条件式を使いたい場合は && や || といった論理演算も使えます。

final var exp1 = 5 > 3;
System.out.println(exp1); // true

final var exp2 = "abc".equals("xyz");
System.out.println(exp2); // false

final var exp3 = exp1 && exp2;
System.out.println(exp3); // false

final var exp4 = exp1 || exp2;
System.out.println(exp4); // true

var num = 5;
var str = "abc";

// コンパイルOK
for (; num > 3 && str.equals("xyz"); ) {
    ...
}

// コンパイルOK
for (; num > 3 || str.equals("xyz"); ) {
    ...
}

足し算、引き算など + や - を使った式は、結果が数値となります。
boolean ではないので for文の条件式には使えません。

// 式 : 5 + 3
final var exp1 = 5 + 3;
System.out.println(exp1); // 8

// 式 : 4 - 1
final var exp2 = 4 - 1;
System.out.println(exp2); // 3

var num = 5;

// コンパイルエラー
for (; num + 3; ) {
    ...
}

// コンパイルエラー
for (; num - 1; ) {
    ...
}

条件式は省略することができます。
その場合は、true を直接指定したときと同じになります。

// 条件式を省略。
for (; ; ) {
    ...
}

// こう書くのと同じです。
for (; true; ) {
    ...
}

更新処理

for (; ; 更新処理) {
    ... ループ文 ...
}

更新処理は、ループ文が終わるたびに実行されます。
主な用途としては、カウンタ変数の更新です。

for (...; ...; i++) {
    ...
}

上記の例では、ループ文が終わるたびに、変数 i を +1 します。

更新処理では、文 やクラスのメソッド呼び出しなどを書くことができます。

int num = 0;

// コンパイルOK
for (; ; num += 10) {
    ...
}

// コンパイルOK
for (; ; System.out.println("abc")) {
    ...
}

式 は書けません。コンパイルエラーになります。

int num = 5;

// コンパイルエラー
for (; ; num + 5) {
    ...
}

// コンパイルエラー
for (; ; num == 5) {
    ...
}

初期化処理には書けた変数の宣言もできません。

// コンパイルエラー
for (; ; int i = 0) {
    ...
}

もし更新処理が不要なときは、空 にすることもできます。

for (int i = 0; i < 5; ) {
    i++;
    System.out.println("i = " + i);
}

// 結果
// ↓
//i = 1
//i = 2
//i = 3
//i = 4
//i = 5

break文

for (; ; ) {
    ... ループ文 ...

    if (...) {
        break;
    }
}

さて、今までのコード例では、for文を終わらせるには条件式を false にする必要がありました。

しかし、条件式以外の任意の箇所で for文から抜けたい (終わらせたい) ことがあるかもしれません。
そんなときに使えるのが break文です。

break文は、ループ文の中で次のように書きます。

break;

コード例で見てみましょう。

for (int i = 0; ; i++) {
    System.out.println("------");
    System.out.println("loop : start");

    System.out.println("  i = " + i);

    if (i == 2) {
        System.out.println("Break!");
        break;
    }

    System.out.println("loop : end");
}

// 結果
// ↓
//------
//loop : start
//  i = 0
//loop : end
//------
//loop : start
//  i = 1
//loop : end
//------
//loop : start
//  i = 2
//Break!

今回は、for文を break文で終わらせたいので、条件式は省略しています。
これで、条件式では for文は終わらなくなりました。

for (int i = 0; ; i++) {
    ...
}

ループ文が繰り返されるたびに、更新処理で i 変数を 1 ずつ加算します。
そして、i == 2 になったときに "Break!" と出力して break文 で for文を抜けます。

System.out.println("------");
System.out.println("loop : start");

System.out.println("  i = " + i);

if (i == 2) {
    System.out.println("Break!");
    break;
}

System.out.println("loop : end");

結果は次のように出力されます。

------
loop : start
  i = 0
loop : end
------
loop : start
  i = 1
loop : end
------
loop : start
  i = 2
Break!

ここで注目したいのが、i = 2 のときのループ処理では、最後の "loop : end" が出力されない ことです。
break文で for文を抜けると、break以降の処理は実行されません。

continue文

for (; ; ) {
    ... ループ文 ...

    if (...) {
        continue;
    }
}

continue文を使うと、ループ文の処理をそこでやめて for文の更新処理へジャンプする、という制御ができます。

continue文は、ループ文の中で次のように書きます。

continue;

文章では少しわかりにくいかもしれません。
コード例で見てみましょう。

for (int i = 0; i < 4; i++) {
    System.out.println("------");
    System.out.println("loop : start");

    System.out.println("  i = " + i);

    if (i % 2 == 1) {
        System.out.println("Continue!");
        continue;
    }

    System.out.println("loop : end");
}

// 結果
// ↓
//------
//loop : start
//  i = 0
//loop : end
//------
//loop : start
//  i = 1
//Continue!
//------
//loop : start
//  i = 2
//loop : end
//------
//loop : start
//  i = 3
//Continue!

条件式は i < 4 です。

for (int i = 0; i < 4; i++) {
    ...
}

ループ文が繰り返されるたびに、更新処理で i 変数を 1 ずつ加算します。
そして、i が奇数のとき (i % 2 == 1) は "Continue!" と出力して continue文 を実行します。

System.out.println("------");
System.out.println("loop : start");

System.out.println("  i = " + i);

if (i % 2 == 1) {
    System.out.println("Continue!");
    continue;
}

System.out.println("loop : end");

結果は次のように出力されます。

------
loop : start
  i = 0
loop : end
------
loop : start
  i = 1
Continue!
------
loop : start
  i = 2
loop : end
------
loop : start
  i = 3
Continue!

i が偶数のときは continue文は実行されません。
そのため、ループ処理の最初で "loop : start" と出力され、ループ処理の最後で "loop : end" と出力されます。

i が奇数のときは continue文が実行されます。
continue文が実行されると、すぐに for文の更新処理 (i++) へジャンプします。"loop : end" は出力されません。

無限ループに注意

基本for文を使うときは、無限ループに注意しましょう。

もし無限ループが起きてしまうと、不具合の症状の１例としては、アプリは反応がなくなりフリーズしてしまいます。
アプリのクラッシュと並んで、致命的なバグの１つですね。

次のコード例を見てみましょう。

for (double num = 1.0; num > 0.0; num *= 10) {
    System.out.println(num);
}

num は浮動小数点数(double)です。

num が 0 より大きい間、ループを続けます。
そして、更新処理では num を 10倍していきます。

出力は次のようになります。

10.0
100.0
1000.0
10000.0
100000.0
1000000.0
... 省略 ...
9.999999999999999E306
9.999999999999998E307
Infinity
Infinity
Infinity
... 省略 ...

num の値が、10 → 100 → 1000 → 10000 ... と増えているのがわかりますね。
さらに続けていくと、最終的には正の無限大(Infinity) となります。

Infinity は、そこからいくら 10倍しても Infinity のままです。
そして Infinity は 0 より大きいので、この for文は永遠に実行し続けることになります。

これが無限ループです。

基本for文を使うときは、条件式や break文で、きちんとループが終了するかを常に気にかけなければなりません。
これがなかなか神経を使うのですよね…

もし 拡張for文 (for-eachループ文) が使えるケースであれば、そちらを使うことをおすすめします。
拡張for文は、なんと条件式を使わずにループ処理が可能です。(その代わり使えるケースは限定的です)

{ } の省略

for (初期化処理; 条件式; 更新処理)
    ループ文

ループ文が １つの文 のみの場合は { } を省略することができます。

// 通常の書きかた
for (int i = 0; i < 3; i++) {
    System.out.println("i = " + i);
}

// こう書いたり…
for (int i = 0; i < 3; i++)
    System.out.println("i = " + i);

// こう書くこともできます。
for (int i = 0; i < 3; i++) System.out.println("i = " + i);

ただし、{ } を省略すると、思わぬコーディングミスを誘発してしまうかもしれません。

次のコード例を見てみましょう。

var num = 0;
for (; num < 3; ) System.out.println("num = " + num); num++;

さて、ぱっと見て、どのような結果になるかわかりますでしょうか。

実は、この for文は無限ループします。
コンソールには

num = 0
num = 0
num = 0
num = 0
num = 0
...

と、"num = 0" が出力され続けます。

なぜこのような結果になるのか考えてみましょう。

for文の { } を省略したので、ループ文は

System.out.println(num);

の １つの文 だけが対象となります。
その後ろの

num++;

の文は、for文の外側となります。
つまり次のコードと同じ意味になります。

var num = 0;
for (; num < 3; ) {
    System.out.println("num = " + num);
}
num++;

num 変数は for文で変わることはないので、いつまでも条件式は false にならず無限ループしてしまう…というわけでした。

{ } がないと、どこまでが ループ文なのか分かりにくくなることがあります。
個人的には、１つの文のみの場合でも { } は省略しないほうがよいんじゃないかな…と思います。

代替えとなる方法

Java言語には、for文の代わりとなるものがいくつか用意されています。
ここではそれらを簡単にご紹介します。

while文

初期化処理と更新処理が不要なときは while文が使えます。

while (条件式) {
    ... ループ文 ...
}

これが基本の形となります。

処理の流れは次のようになります。

コード例です。

{
    int i = 0;
    while (i < 3) {
        System.out.println("i = " + i);
        i++;
    }
}

// 結果
// ↓
//i = 0
//i = 1
//i = 2

これは for文を使って次のように書くのと同じです。

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    System.out.println("i = " + i);
}

// 結果
// ↓
//i = 0
//i = 1
//i = 2

while文については、よろしければ下記の記事もご参照ください。

• while文の基本 (文法)

拡張for文

for (T value : "配列" か "Iterable" を実装したクラス) {
    ...
}

拡張for文は、配列 もしくは Iterable を実装したオブジェクトに対して、繰り返し処理を行います。
例えば List は Iterable を実装しています。

条件式は必要とせず、すべての要素に対して繰り返し処理が実行できます。

Iterable は基本有限なので、無限ループの心配はほぼありません。 (実装次第では無限にもできますが…)

List の要素に順次アクセスして出力する例です。

final var list = List.of("aaa", "bbb", "ccc");

for (final var value : list) {
    System.out.println("value = " + value);
}

// 結果
// ↓
//value = aaa
//value = bbb
//value = ccc

これは 基本for文を使って次のように記述するのと同じです。

final var list = List.of("aaa", "bbb", "ccc");

for (final var it = list.iterator(); it.hasNext(); ) {
    final var value = it.next();
    System.out.println("value = " + value);
}

// 結果
// ↓
//value = aaa
//value = bbb
//value = ccc

拡張for文については、よろしければ下記の記事もご参照ください。

• 拡張for文 (for-eachループ文)

Stream API

拡張for文をさらに発展させたものとして、Stream API があります。
こちらは少し難易度が高めなので、Javaに慣れてからでよいとは思います。

Stream API を使って List の要素を大文字に変換してから出力する例です。

final var list = List.of("aaa", "bbb", "ccc");

list.stream().map(String::toUpperCase).forEach(value -> {
    System.out.println("value = " + value);
});

// 結果
// ↓
//value = AAA
//value = BBB
//value = CCC

Stream API については下記の記事で詳しく解説していますので、興味がありましたらご参照ください。

• ストリームの基本 (Stream)

公式ドキュメント

さらに詳しく 基本for文について知りたい場合は、公式のJava言語仕様に記載があります。
(残念ながら公式の日本語訳はないようです)

まとめ

基本for文を使うと、プログラムを繰り返し処理させることができます。
特に、繰り返し回数を変数で管理したいときに便利です。

ただし、場合によっては 基本for文より優れた方法もあります。
例えば、拡張for文 や Stream API です。

もしそれらが使える状況であれば、ぜひそちらを使うことも検討してみましょう。

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