Python 中为什么没有 Goto 语句？

引言

Python 以其简洁、易读和通用性而闻名，是精心设计的语言力量的证明。goto 语句在计算机编程中具有争议性的历史。最初在早期编程语言（如 GOTO 和 Fortran）中作为一种控制流系统引入，goto 允许程序员无条件地将控制转移到代码的另一部分。然而，随着编程框架的复杂性不断增加，goto 的无限制使用导致了“意大利面条式代码”的泛滥，使得程序逻辑变得混乱且难以跟踪。

goto 的危险在 2014 年苹果 iOS SSL/TLS 实现中出现的“goto fail”漏洞的典型案例中显而易见。该漏洞由一个丢失的 goto 语句引起，突显了非结构化控制流的危险，并强调了更专注的编程实践的必要性。

Python 的设计理念

Python 的创建者 Guido van Rossum 设想了一种注重简洁、易读和优雅的编程语言。这一愿景体现在“Python 之禅”中，这是一系列格言，将 Python 的设计原则提炼成 20 条指导性箴言。“Python 之禅”的关键在于强调清晰性，正如“清晰胜于隐晦”和“显式优于隐式”等格言所体现的。

Python 的设计理念是对那些以牺牲代码清晰性为代价而强调原始性能或简洁性的语言的不足之处的回应。通过倾向于清晰、明确的代码而不是晦涩的语法和微妙的元素，Python 旨在使所有技能水平的开发人员都能更容易地进行编程并从中获得乐趣。

结构化编程：goto 的反面

结构化编程的出现是为了应对像 goto 这样的非结构化控制流构造所造成的混乱。结构化编程范式提倡使用明确的控制结构，如循环、条件和函数，将代码组织成逻辑单元。通过对程序逻辑施加分层结构，结构化编程提高了代码的可读性、可维护性和可靠性。

Python 是结构化编程原则的坚定拥护者。其语法强制执行基于缩进的块结构，这鼓励开发人员以清晰有序的方式编写代码。通过坚持一致的空格样式，Python 代码变得更容易理解，并且由于控制流错位而导致的错误也更少。

Python 中缺少 goto：原因和影响

Python 有意省略 goto 语句反映了其对设计理念和结构化编程原则的承诺。通过摒弃 goto，Python 可以防止开发人员诉诸于非结构化控制流，从而提高代码的清晰性和可维护性。Python 鼓励使用函数、循环和异常处理等替代结构，而不是依赖 goto 进行代码导航。

Python 中没有 goto 对软件开发有几项影响：

• 可读性：Python 代码通常更清晰、更易于理解，因为它没有 goto。通过消除任意的控制流跳转，Python 促进了更容易理解和推理的代码。
• 可维护性：由于没有 goto，用 Python 编写的代码库通常更容易维护。开发人员可以自信地浏览和修改代码，知道控制流遵循结构化且可预测的路径。
• 协作：Python 对清晰度和结构化编程的强调有助于开发人员之间的协作。同事们可以更有效地审查、重构和扩展彼此的代码，而不必被混乱的控制流所困扰。
• 调试：没有 goto 可以简化调试过程，因为开发人员可以更轻松地跟踪代码的执行路径。通过坚持结构化编程原则，Python 限制了逻辑错误和运行时错误的发生。

goto 在 Python 中的替代方案

虽然 Python 没有本地的 goto 语句，但开发人员可以使用替代方法实现类似的功能。一些常见的替代方法包括：

函数调用：将要“跳转”的代码块封装到一个函数中，并在需要时调用它。这促进了代码的模块化和可读性。

循环控制语句：使用 break 和 continue 等循环控制语句来调整循环内的控制流。这可以保持代码结构，同时提供循环执行的灵活性。

异常处理：使用 Python 强大的异常处理机制来处理异常情况。虽然它不能直接替代 goto，但异常处理允许在特殊情况下进行结构化控制流。

使用字典的状态机：与使用 goto 相比，状态机是处理复杂控制流的一种更结构化的方法。

应用

错误处理

• Python 使用 try-except 块来替代跳转到错误处理例程。这使得错误处理靠近可能失败的代码，从而提高了可读性和可维护性。
• try 块包装了可能引发错误的 代码，而 except 块则处理发生的错误。可选的 else 和 finally 块分别用于处理没有错误发生时应运行的代码和清理代码。

循环控制

• Python 中的循环（如 for 和 while）提供内置的控制机制（break、continue）来管理执行流程，而无需 goto。
• break 完全退出循环，continue 跳过当前迭代并继续执行下一个迭代，而 return 则退出函数。这些控件使循环的行为清晰易懂。

函数封装

• 与使用 goto 跳转到程序的其他部分不同，Python 鼓励将代码分解为函数。这封装了行为，使代码模块化且可重用。
• 函数提供了一种对代码进行逻辑组织的方式。每个函数执行一项特定任务，而主程序逻辑可以根据需要调用这些函数，从而确保了清晰且有序的流程。

状态机

• 状态机可以通过在状态之间转换来处理复杂的控制流，而无需 goto，这取决于输入和内部逻辑。
• 状态机使用当前状态和一组规则来确定下一个状态。这种方法在解析器、用户界面和游戏逻辑等应用程序中特别有用，其中控制流程取决于一系列事件和条件。

递归

• 递归允许函数调用自身来解决可以分解为相似子问题的问题。这可以替代计算（如遍历树和图）中的 goto。
• 递归函数将一个问题分解为该问题更小的实例，并解决每个实例。基本情况可防止无限递归，确保终止。

生成器和协程

• 生成器和协程管理控制流，用于生成值序列和处理异步任务，而无需 goto。
• 生成器使用 yield 语句惰性地生成值序列。协程（通常与 async 和 await 一起使用）通过暂停和恢复执行来管理异步任务，从而能够有效地处理 I/O 密集型任务。

结论

Python 选择放弃 goto 语句，反映出其在软件开发中优先考虑清晰度、简单性和效率的深思熟虑的努力。通过坚持结构化编程原则并拥抱“Python 之禅”，Python 已成为世界上最流行和最受欢迎的编程语言之一。

虽然对于熟悉提供 goto 的语言的开发人员来说，没有 goto 可能会显得有些限制，但 Python 提供了足够的替代方案来促进结构化、逻辑化的代码。通过让开发人员编写清晰、可维护且可扩展的代码，Python 使个人和团队能够构建持久的、健壮的、可扩展的软件系统。从这个意义上说，Python 中没有 goto 并不是一种限制，而是 Python 对清晰度、简洁性和卓越的编程的持久承诺的体现。