(5)從護士到C#開發者-C#基礎進階:例外處理與程式控制

在上一節課中，我學習了型別轉換、算術運算子、關係運算子、邏輯運算子以及各種分支結構，瞭解了這些語法的含義和執行過程。今天的課程聚焦於如何讓我們編寫的程式更具穩固性，減少出錯的可能性。我學習了另一種分支結構 switch - case，並將其與上節課所學的分支結構進行了對比。此外，還學習了迴圈結構，這是目前所學內容中較為重要且複雜的一部分。為了更好地吸收和理解這些知識，我放慢了學習腳步，透過不斷編寫程式碼來鞏固和加深理解。下面是我這節課所學的具體內容：

一、例外捕獲

在護理工作中，我們經常需要處理各種意外情況。比如給病人測量體溫時溫度計可能故障，輸液時可能會出現堵管等情況。同樣，在程式設計中，我們也需要處理各種例外情況。C#提供了例外處理機制來幫助我們優雅地處理這些問題。

1. try-catch 基本語法

try
{
    // 可能出現例外的程式碼
}
catch (Exception ex)
{
    // 處理例外的程式碼
}

2. 實際應用範例

以下是一個在護理工作中錄入病人生命徵象資料的範例：

try
{
    Console.Write("請輸入病人體溫: ");
    double temperature = Convert.ToDouble(Console.ReadLine());

    if (temperature < 35 || temperature > 42)
    {
        throw new Exception("體溫資料異常，請重新檢查");
    }

    Console.Write("請輸入收縮壓: ");
    int systolicPressure = Convert.ToInt32(Console.ReadLine());

    if (systolicPressure < 60 || systolicPressure > 200)
    {
        throw new Exception("血壓資料異常，請重新測量");
    }

    Console.WriteLine($"記錄的體溫為: {temperature}°C");
    Console.WriteLine($"記錄的收縮壓為: {systolicPressure}mmHg");
}
catch (FormatException)
{
    Console.WriteLine("輸入格式錯誤，請輸入有效的數字");
}
catch (OverflowException)
{
    Console.WriteLine("輸入的數值超出範圍");
}
catch (Exception ex)
{
    Console.WriteLine($"發生錯誤: {ex.Message}");
    // 可以在這裡記錄錯誤日誌
}
finally
{
    Console.WriteLine("資料錄入操作完成");
    // 無論是否發生例外，都會執行的清理工作
}

3. 常見例外型別

在護理資訊系統中，我們經常會遇到以下幾種例外：

FormatException: 當輸入的資料格式不正確時擲出，如輸入字母而不是數字
OverflowException: 當數值超出型別範圍時擲出
ArgumentException: 當參數值不符合要求時擲出
NullReferenceException: 試圖存取空物件時擲出

4. 自訂例外

有時我們需要根據業務邏輯擲出自訂例外：

public class VitalSignException : Exception
{
    public VitalSignException(string message) : base(message)
    {
    }
}

try
{
    int heartRate = 150;
    if (heartRate > 120)
    {
        throw new VitalSignException("心率異常升高，需要立即處理！");
    }
}
catch (VitalSignException ex)
{
    Console.WriteLine($"生命徵象異常: {ex.Message}");
    // 這裡可以新增緊急處理流程
}

5. 最佳實務

只捕獲預期的例外，避免捕獲所有例外
在適當的層級處理例外
記錄例外資訊以便後續分析
使用 finally 區塊進行清理工作
提供有意義的錯誤資訊

二、變數的範圍

變數的範圍指的是能夠使用該變數的範圍。就像在醫院裡，不同科別的護士只能查看自己科別的病人資訊一樣，變數也有其使用範圍的限制。

1. 區域變數

區域變數的範圍從宣告它的括號開始，到該括號對應的結束括號結束。這就像護理站內部使用的暫存記錄單：

void RecordPatientVitals()
{
    // temperature 只在這個方法內有效
    double temperature = 36.5;

    if (temperature > 37.3)
    {
        // fever 只在if陳述式區塊內有效
        string fever = "發燒";
        Console.WriteLine(fever);
    }
    // 這裡無法使用 fever 變數

    {
        // pulse 只在這個程式碼區塊內有效
        int pulse = 80;
    }
    // 這裡無法使用 pulse 變數
}

2. 類別層級變數（成員變數）

類別層級變數的範圍在整個類別內部都是可見的，就像病房的護理記錄單可以被所有班次的護士存取：

public class Patient
{
    // 這些變數在整個類別中都可以存取
    private string patientName;
    private int patientAge;
    private string bedNumber;

    public void AdmitPatient(string name, int age)
    {
        patientName = name;  // 可以存取類別層級變數
        patientAge = age;    // 可以存取類別層級變數
    }

    public void AssignBed(string bed)
    {
        bedNumber = bed;     // 可以存取類別層級變數
    }
}

3. 全域變數（靜態變數）

靜態變數可以被整個程式存取，類似於醫院的通用規章制度：

public class HospitalConstants
{
    // 這些靜態變數可以在任何地方存取
    public static readonly double NORMAL_TEMPERATURE = 37.0;
    public static readonly int NORMAL_SYSTOLIC_PRESSURE = 120;
    public static readonly int NORMAL_DIASTOLIC_PRESSURE = 80;
}

public class NursingRecord
{
    public void CheckTemperature(double temperature)
    {
        // 可以在任何類別中存取 HospitalConstants 的靜態變數
        if (temperature > HospitalConstants.NORMAL_TEMPERATURE)
        {
            Console.WriteLine("體溫偏高");
        }
    }
}

4. 變數遮蔽

當區域變數和類別層級變數同名時，區域變數會「遮蔽」類別層級變數：

public class VitalSigns
{
    private double temperature = 36.5; // 類別層級變數

    public void UpdateTemperature(double temperature) // 參數
    {
        // 這裡的 temperature 指的是參數，而不是類別層級變數
        Console.WriteLine($"新的體溫: {temperature}");

        // 使用 this 關鍵字存取類別層級變數
        this.temperature = temperature;
    }
}

5. 範圍的最佳實務

變數的範圍應該儘可能小，這樣可以減少出錯的可能
避免使用全域變數，因為它們可能被任何程式碼修改
使用有意義的變數名稱，反映其用途
及時釋放不再使用的資源
注意變數的生命週期，避免存取已經超出範圍的變數

三、`switch - case` 陳述式

在護理工作中，我們經常需要根據不同的情況作出不同的處理決定。switch - case 陳述式就像我們在護理工作中使用的標準處理流程，根據不同的情況選擇相應的處理方案。

1. 支援的型別

switch 陳述式支援以下型別的表達式：

整數型別（int、long、byte等）
字元型別（char）
字串型別（string）
列舉型別（enum）
布林型別（bool）- C# 7.0 及以上版本
模式比對（C# 7.0 及以上版本）
- 型別模式
- 常數模式
- var 模式
- 屬性模式（C# 8.0 及以上）

範例：

// 列舉型別範例
enum PatientStatus
{
    Normal,
    Fever,
    Pain,
    Critical
}

PatientStatus status = PatientStatus.Fever;
switch (status)
{
    case PatientStatus.Normal:
        Console.WriteLine("繼續觀察");
        break;
    case PatientStatus.Fever:
        Console.WriteLine("進行降溫處理");
        break;
    case PatientStatus.Pain:
        Console.WriteLine("給予止痛治療");
        break;
    case PatientStatus.Critical:
        Console.WriteLine("立即通知醫生");
        break;
}

// 模式比對範例（C# 7.0+）
object obj = "護理記錄";
switch (obj)
{
    case string s:
        Console.WriteLine($"這是一個字串：{s}");
        break;
    case int n:
        Console.WriteLine($"這是一個整數：{n}");
        break;
    case null:
        Console.WriteLine("物件為空");
        break;
    default:
        Console.WriteLine("未知型別");
        break;
}

2. 基本語法

switch (表達式)
{
    case 常數1:
        陳述式1;
        break;
    case 常數2:
        陳述式2;
        break;
    default:
        預設陳述式;
        break;
}

3. 實際應用範例

例如，根據病人的疼痛等級採取不同的護理措施：

int painLevel = 3; // 疼痛等級（0-10）
switch (painLevel)
{
    case 0:
        Console.WriteLine("無需止痛處理");
        break;
    case 1:
    case 2:
    case 3:
        Console.WriteLine("建議非藥物治療，如按摩、熱敷等");
        break;
    case 4:
    case 5:
    case 6:
        Console.WriteLine("考慮口服止痛藥");
        break;
    case 7:
    case 8:
    case 9:
    case 10:
        Console.WriteLine("需要立即處理，考慮注射止痛藥");
        break;
    default:
        Console.WriteLine("無效的疼痛等級");
        break;
}

4. 注意事項

break 陳述式的重要性：每個 case 分支都必須以 break 結束，否則會繼續執行下一個 case
case 的合併：多個 case 可以共用同一個處理邏輯，如範例中的疼痛等級分組
default 分支：用於處理所有未明確指定的情況，類似於護理中的緊急應變措施

5. 分支結構的對比

if、if-else 和 switch 的區別

條件型別：
- if：可以判斷任何回傳布林值的條件
- if-else：同樣可以判斷任何布林條件，但提供了替代方案
- switch：只能判斷相等性，且要求使用常數表達式
適用場景：
- if：適合單一條件判斷
- if-else：適合兩種及以上情況的判斷
- switch：適合多個等值條件的判斷
效能考量：
- 當分支較少時，三者效能相近
- 當分支較多時，switch 通常比多個 if-else 效能更好，因為編譯器會最佳化成跳躍表

if-else if 和 switch-case 的詳細對比

// 使用 if-else if
if (patientStatus == "發燒")
{
    Console.WriteLine("進行物理降溫");
    CheckTemperature();
}
else if (patientStatus == "疼痛")
{
    Console.WriteLine("評估疼痛等級");
    PainAssessment();
}
else if (patientStatus == "出血")
{
    Console.WriteLine("立即止血");
    StopBleeding();
}
else
{
    Console.WriteLine("繼續觀察");
}

// 使用 switch-case
switch (patientStatus)
{
    case "發燒":
        Console.WriteLine("進行物理降溫");
        CheckTemperature();
        break;
    case "疼痛":
        Console.WriteLine("評估疼痛等級");
        PainAssessment();
        break;
    case "出血":
        Console.WriteLine("立即止血");
        StopBleeding();
        break;
    default:
        Console.WriteLine("繼續觀察");
        break;
}

主要區別：

語法結構：
- if-else if 結構更靈活，可以處理複雜的條件判斷
- switch-case 結構更規範，程式碼更整潔
條件限制：
- if-else if 可以使用任何條件表達式
- switch-case 只能使用相等性比較
執行流程：
- if-else if 會逐個判斷條件
- switch-case 直接跳轉到匹配的 case
程式碼維護：
- 當分支較多時，switch-case 的可讀性和可維護性通常更好
- if-else if 適合處理複雜的邏輯判斷
效能考量：
- 對於大量分支的情況，switch-case 通常效能更好
- 對於少量分支，兩者效能差異不大

6. 使用建議

當需要根據一個變數的不同值執行不同操作時，優先使用 switch-case
當分支較多時，switch-case 的可讀性通常優於 if-else
對於複雜的條件判斷（如範圍判斷），使用 if-else 更合適
確保所有可能的情況都有相應的處理邏輯

四、迴圈結構

在護理工作中，我們經常需要重複執行某些操作，比如每小時測量一次生命徵象，或者給病房的每個病人查房。在程式設計中，迴圈結構就是用來處理這種重複性工作的。

1. while 迴圈

while 迴圈會在條件為真時重複執行程式碼區塊。就像我們在護理工作中，需要持續監測病人的體溫直到體溫恢復正常：

double temperature = 39.0;
while (temperature > 37.3)
{
    Console.WriteLine($"目前體溫：{temperature}°C，需要繼續降溫");
    // 模擬降溫處理
    temperature -= 0.2;
    Console.WriteLine("進行物理降溫...");
    Thread.Sleep(1000); // 模擬等待一段時間
}
Console.WriteLine("體溫已恢復正常");

2. do-while 迴圈

do-while 迴圈至少會執行一次程式碼區塊，然後再判斷條件。這類似於我們必須先給病人測量一次體溫，然後才能決定是否需要繼續監測：

int painLevel;
do
{
    Console.WriteLine("請評估疼痛等級（0-10）：");
    painLevel = Convert.ToInt32(Console.ReadLine());

    if (painLevel > 0)
    {
        Console.WriteLine("實施止痛措施...");
        // 進行止痛處理
    }
} while (painLevel > 3); // 當疼痛等級大於3時繼續監測

3. for 迴圈

for 迴圈通常用於知道具體迴圈次數的情況。比如查房時需要檢查每個病床的病人：

int bedCount = 6; // 假設病房有6張床
for (int bedNumber = 1; bedNumber <= bedCount; bedNumber++)
{
    Console.WriteLine($"正在查看{bedNumber}號床的病人");
    // 進行查房操作
    CheckPatientStatus(bedNumber);
}

4. foreach 迴圈

foreach 迴圈用於走訪集合中的每個元素。例如，查看所有待處理的護理任務：

List<string> nursingTasks = new List<string>
{
    "測量生命徵象",
    "更換藥液",
    "傷口護理",
    "病歷記錄"
};

foreach (string task in nursingTasks)
{
    Console.WriteLine($"執行護理任務：{task}");
    // 執行護理任務
    PerformNursingTask(task);
}

5. 迴圈控制陳述式

break 陳述式：立即退出迴圈

while (true)
{
    double temperature = MeasureTemperature();
    if (temperature <= 37.3)
    {
        Console.WriteLine("體溫正常，停止監測");
        break; // 體溫正常時退出迴圈
    }
    // 繼續監測
}

continue 陳述式：跳過目前迴圈的剩餘部分，繼續下一次迴圈

for (int bedNumber = 1; bedNumber <= 6; bedNumber++)
{
    if (IsBedEmpty(bedNumber))
    {
        continue; // 如果床位空著，跳過目前迴圈
    }
    // 對有病人的床位進行護理操作
    ProvideNursing(bedNumber);
}

6. 迴圈的最佳實務

選擇合適的迴圈型別：
- 不確定迴圈次數時使用 while
- 至少需要執行一次時使用 do-while
- 知道具體迴圈次數時使用 for
- 走訪集合時使用 foreach
避免無限迴圈：
- 確保迴圈條件最終會變為 false
- 在適當的時候使用 break 陳述式退出迴圈
效能考量：
- 避免在迴圈中進行不必要的計算
- 儘可能減少迴圈巢狀的層數
- 合理使用 continue 陳述式跳過不需要的操作
程式碼可讀性：
- 使用有意義的迴圈變數名稱
- 適當新增註解說明迴圈的目的
- 保持迴圈主體的簡潔
例外處理：
- 在迴圈中加入適當的例外處理
- 考慮迴圈過程中可能出現的錯誤情況

7. 迴圈的應用場景

資料處理：

List<Patient> patients = GetAllPatients();
foreach (Patient patient in patients)
{
    UpdatePatientRecord(patient);
}

輸入驗證：

string input;
do
{
    Console.Write("請輸入有效的體溫數值（35-42）：");
    input = Console.ReadLine();
} while (!IsValidTemperature(input));

定時任務：

while (isNightShift)
{
    // 每兩小時查房一次
    CheckPatients();
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromHours(2));
}

透過這些迴圈結構，我們可以更有效率地處理重複性的護理工作，提高工作效率和準確性。在程式設計中，合理使用迴圈結構可以讓我們的程式碼更簡潔、更易維護。

五、程式偵錯

在護理工作中，我們經常需要核對醫囑執行情況，檢查護理記錄是否準確。同樣，在程式設計中，我們也需要檢查程式是否按照預期執行。程式偵錯就是這樣一個核查和糾錯的過程。

1. 偵錯方法

F11 逐陳述式偵錯（單步偵錯）
- 逐行執行程式碼，詳細查看每一步的執行情況
- 就像我們一步步核對醫囑執行過程
- 適合定位具體問題所在的程式碼行
F10 逐程序偵錯
- 以程序為單位執行程式碼，跳過函式內部的詳細執行過程
- 類似於查房時關注重點項目，暫時略過次要細節
- 適合快速了解程式整體執行流程
中斷點偵錯
- 在關鍵程式碼行設定中斷點，程式執行到中斷點處會暫停
- 就像在交接班前重點檢查某些特殊病人的情況
- 方便查看特定位置的變數值和程式狀態

2. 偵錯範例

public class PatientMonitor
{
    public void MonitorVitalSigns(Patient patient)
    {
        // 設定中斷點，檢查病人基本資訊
        var temperature = MeasureTemperature(patient);

        if (temperature > 37.3)
        {
            // 使用F11可以進入函式內部查看測量過程
            // 使用F10可以跳過處理函式的內部細節
            HandleFever(patient, temperature);
        }

        // 繼續監測其他生命徵象
        CheckBloodPressure(patient);
        CheckHeartRate(patient);
    }
}

3. 偵錯技巧

合理設定中斷點
- 在可能出問題的程式碼處設定中斷點
- 在關鍵業務邏輯的起始點設定中斷點
- 在例外處理程式碼處設定中斷點
使用監看視窗
- 新增關鍵變數到監看視窗
- 即時觀察變數值的變化
- 驗證資料處理的正確性
條件中斷點
- 設定只在特定條件下觸發的中斷點
- 例如，只在體溫超過 39 度時暫停程式

總結

在這一課中，我們學習了以下重要內容：

例外處理
- try-catch 結構的使用
- 不同型別例外的處理方法
- 自訂例外的建立和使用
變數範圍
- 區域變數、類別層級變數和靜態變數的區別
- 變數遮蔽現象
- 範圍的最佳實務
分支結構
- switch-case 陳述式的基本用法
- 支援的資料型別和模式比對
- 與 if-else 結構的對比和選擇
迴圈結構
- while、do-while、for、foreach 的使用場景
- 迴圈控制陳述式（break、continue）
- 迴圈的最佳實務和效能考量
程式偵錯
- 單步偵錯和逐程序偵錯
- 中斷點的設定和使用
- 偵錯工具的有效利用

身為一名從護理轉職到程式開發的學習者，我發現程式設計概念與護理工作有許多相似之處。就像護理工作需要嚴謹的操作規程、清晰的記錄和及時的例外處理一樣，程式設計也需要規範的程式碼結構、清晰的邏輯和完善的錯誤處理。

透過這些基礎知識的學習，我逐漸建立起了程式設計思維，能夠更好地理解和解決程式設計問題。在接下來的學習中，我將繼續深入探索 C# 程式設計的更多特性，為成為一名優秀的開發者打下堅實的基礎。