Python從菜鳥到高手（10）：循環

  我們現在已經知道了如何使用if語句讓程序沿著不同的路徑執行，不過程序最大的用處就是利用CPU和GPU強大的執行能力不斷重復執行某段代碼，想想Google的AlphaGo與柯潔的那場人機大戰，盡管表面上是人工智能的勝利，其實人工智能只是算法，人工只能算法之所以會快速完成海量的數據分享，循環在其中的作用功不可沒。

  對于初次接觸程序設計的讀者，可能還不太理解循環到底什么東西。下面先看一下循環的偽代碼。

1. 查看銀行卡余額
2. 沒有發工資，等待1分鐘，繼續執行1
3. Oh，yeah，已經發工資了，繼續執行4.
4. 去消費

  我們可以看到，這段偽代碼重復展示了一個循環到底是怎樣的。對于一個循環來說，首先要有一個循環條件。如果條件為True，繼續執行循環，如果條件為False，則退出循環，繼續執行循環后面的語句。對于這段偽代碼來說，循環條件就是“是否已經將工資打到銀行卡中”，如果銀行卡中沒有工資，那么循環條件為True，繼續執行第1步（繼續查看銀行卡余額），期間會要求等待1分鐘，其實這個過程可以理解為循環要執行的時間。如果發現工資已經打到銀行卡上了，那么循環條件就為False，這時就退出循環，去消費。

  在Python語言中，有兩類語句可以實現這個循環操作，這就是while循環和for循環，本文將詳細講解這兩類循環的使用方法。

1. while循環

  為了更方便理解while循環，下面先用“笨”方法實現在Python控制臺輸出1到10共10個數字。

print(1)

print(2)

print(3)

print(4)

print(5)

print(6)

print(7)

print(8)

print(9)

print(10)

  我們可以看到，在上面這段代碼中，調用了10次print函數輸出了1到10共10個數字，不過這只是輸出了10個數字，如果要輸出10000個或更多數字呢？顯然用這種一行一行寫代碼的方式實現顯得相當笨重，下面就該我們的主角while循環出場了。

  現在就直接用Python代碼解釋一下while循環的用法。

x = 1
while x <= 10:
    print(x)
    x += 1

  我們可以看到，while關鍵字的后面是條件表達式，最后用冒號（:）結尾，這說明while循環也是一個代碼塊，因此，在while循環內部的語句需要用縮進的寫法。

  在上面的代碼中，首先在while循環的前面定義一個x變量，初始值為1。然后開始進入while循環。在第1次執行while循環中的語句時，會用print函數輸出x變量的值，然后x變量的值加1，最后while循環中的語句第1次執行完畢，然后會重新判斷while后面的條件，這時x變量的值是2，x <= 10的條件仍然滿足，所以while循環將繼續執行（第2次執行），直到while循環執行了10次，這時x變量的值是11，x <= 10不再滿足，所以while循環結束，繼續執行while后面的語句。

  while循環是不是很簡單呢？其實下一節要介紹的for循環也并不復雜，只是用法與while循環有一些差異。

2. for循環

  while循環的功能非常強大，它可以完成任何形式的循環，從技術上說，有while循環就足夠了，那么為什么還要加一個for循環呢？其實對于某些循環，while仍然需要多寫一些代碼，為了更進一步簡化循環的代碼，Python語句推出了for循環。

  for循環主要用于對一個集合進行循環（序列和其他可迭代的對象），每次循環，會從集合中取得一個元素，并執行一次代碼塊。直到集合中所有的元素都被枚舉（獲得集合中的每一個元素的過程稱為枚舉）了，for循環才結束（退出循環）。

  在使用for循環時需要使用到集合的概念，由于現在還沒有講到集合，所以本節會給出最簡單的集合（列表）作為例子，在后面的章節中，會詳細介紹集合與for循環的使用方法。

  在使用for循環之前，先定義一個keywords列表，該列表的元素是字符串。然后使用for循環輸出keywords列表中的所有元素值。

>>> keywords = ['this', 'is', 'while', 'for','if']     # 定義一個字符串列表
>>> for keyword in keywords:                        # 用for循環輸出列表中的元素
...     print(keyword)
... 
this
is
while
for
if

  上面這段for循環的代碼非常號理解，for語句中將保存集合元素的變量和集合變量用in關鍵字分隔。在本例中，keywords是集合，當for循環執行時，沒執行一次循環，就會依次從keywords列表中獲取一個元素值，直到迭代（循環的另一種說法）到列表中的最后一個元素“if”為止。
  可能有的讀者會發現，for循環盡管迭代集合很方便，但可以實現while循環對一個變量進行循環嗎？也就是說，變量在循環外部設置一個初始值，在循環內部，通過對變量的值不斷改變來控制循環的執行。其實for循環可以用變通的方式來實現這個功能，我們可以想象，如果定義一個數值類型的列表，列表的元素值就是1到10，那么不就相當于變量x從1變到10了嗎！

>>> numbers = [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]
>>> for number in numbers:
...     print(number, end=" ")          # 輸出1到10共10個數字
... 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 >>>

  如果使用這種方式，從技術上說是可以實現這個功能的，不過需要手工填寫所有的數字太麻煩了，因此，我們可以使用一個range函數來完成這個工作。range函數有兩個參數，分別是數值范圍的最小值和最大值加1，要注意，range函數會返回一個半開半閉區間的列表，如果要生成1到10的列表，應該使用range(1, 11)。

>>> for num in range(1,11):  # 用range函數生成元素值為1到10的列表，并對這個列表進行迭代
...     print(num, end=" ")
... 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 >>>

  本例演示了使用順序結構，while循環和for循環輸出相鄰數字的方法，其中for循環使用了range函數快速生成一個包含大量相鄰數字的列表，并對這些列表進行迭代。

print(1,end=" ")
print(2,end=" ")
print(3,end=" ")
print(4,end=" ")
print(5,end=" ")
print(6,end=" ")
print(7,end=" ")
print(8,end=" ")
print(9,end=" ")
print(10)

# 用while循環輸出1到10
print("用while循環輸出1到10")
x = 1
while x <= 10:
    print(x,end=" ")
    x += 1

#  定義一個列表
numbers = [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]
print("\n用for循環輸出列表中的值（1到10）")
for num in numbers:
    print(num, end= " ")
# 用range函數生成一個元素值從1到9999的列表
numbers = range(1,10000)        
print("\n用for循環輸出列表中的值（1到9999）")
for num in numbers:
    print(num, end= " ")
print("\n用for循環輸出列表中的值的乘積（1到99）")
# 用range函數生成一個元素值為0到99的的列表，并對該列表進行迭代
for num in range(100):          # range函數如果只指定一個參數，產生的列表元素值從0開始
    print(num * num, end= " ")

程序運行結果如下圖所示。

《Python從菜鳥到高手》開始轉載了，敬請關注

3. 跳出循環

  在前面介紹的while循環中，是通過while后面的條件表達式的值確定是否結束循環的，不過在很多時候，需要在循環體內部之間跳出循環，這就要使用到break語句。

>>> x = 0
>>> while x < 100:
...     if x == 5:
...         break;
...     print(x)
...     x += 1
... 
0
1
2
3
4

  在上面的代碼中，while循環的條件語句是x < 100，而x變量的初始值是0，因此，如果在while循環中，每次循環都對x變量值加1，那么while循環會循環100次。不過在while循環中通過if語句進行了判斷，當x的值是5時，執行break語句退出循環。所以這個while循環只會執行6次（x從0到5），當執行到最后一次時，執行了break語句推出while循環，而后面的語句都不會調用，所以這段程序只會輸出0到4共5個數字。

  與break語句對應的還有另外一個continue語句，與break語句不同的是，continue語句用來終止本次循環，而break語句用來徹底退出循環。continue語句終止本次循環后，會立刻開始執行下一次循環。

>>> x = 0
>>> while x < 3:
...     if x == 1:
...         continue;
...     print(x)
...     x += 1
... 
0

  在上面的代碼中，當x等于1時執行了continue語句，因此，if條件語句后面的所有語句都不會執行，while循環會繼續執行下一次循環。不過這里有個問題，當我們執行這段代碼時，會發現進入死循環了。所謂死循環，是指while循環的條件表達式的值永遠為True，也就是循環永遠不會結束。死循環是在使用循環時經常容易犯的一個錯誤。

  現在讓我們來分析一下這段代碼。如果要讓while循環正常結束的話，x必須大于等于3，但當x等于1時執行了continue語句，所以if語句后面的所有語句在本次循環中都不會被執行了，但while循環最后一條語句是x += 1，這條語句用于在每次循環中將x變量的值加1。但這次沒有加1，所以下一次循環，x變量的值仍然是1，也就是說，if語句的條件永遠滿足，因此，continue語句將永遠執行下去，所以x變量的值永遠不可能大于等于3了。最終導致的后果是while循環中的語句會永遠執行下去，也就是前面提到的死循環。

  解決的方法也很簡單，只要保證執行continue語句之前讓變量x加1即可。或者將x += 1放到if語句的前面，或放到if語句中。

>>> x = 0
>>> while x < 3:
...     if x == 1:
...         x += 1              #  需要在此處為x加1，否則將進入死循環
...         continue
...     print(x)
...     x += 1
... 
0
2

  break和continue語句同樣支持for循環，而且支持嵌套循環。不過要注意，如果在嵌套循環中使用break語句，那么只能退出當前層的循環，不能退出最外層的循環。在實例3.8中會為讀者演示循環更復雜的使用方法。

  本例除了演示while和for循環的基本用法以外，還在滿足一定條件的前提下，通過break語句終止了整個while和for循環，以及使用continue語句終止了while和for語句的本次循環，最后在while循環中嵌套了一個for循環，從而形成一個嵌套循環，在這個嵌套循環中，輸出了二維列表 中的所有元素值。在Python語句中，嵌套循環可以嵌套任意多成的循環。

x = 0
while x < 100:                              # 開始while循環
    if x == 5:                              # 當x == 5時終止循環
        break;
    print(x, end=" ") 
    x += 1
names = ["Bill", "Mike", "Mary"]            # 定義一個列表變量
print("\nbreak語句在for循環中的應用")
for name in names:                          # 對names列表進行迭代
    if not name.startswith("B"):                # 遇到列表元素值不是以B開頭的，就終止for循環
        break;
    print(name)

print("break語句在for循環中的應用")
for name in names:                          #  對names列表進行迭代
    #  遇到列表元素值以B開頭的，會跳過本次循環，繼續執行下一次循環
    if name.startswith("B"):        
        continue;
    print(name, end=" ")

print("\n嵌套循環")
arr1 = [1,2,3,4,5]
arr2 = ["Bill", "Mary", "John"]
arr = [arr1, arr2]                          #  定義一個二維列表變量
i = 0;
while i < len(arr):                     #  使用嵌套循環枚舉二維列表中的每一個元素值
    for value in arr[i]:
        print(value, end = " ")         #  輸出二維列表中的元素值
    i += 1
    print()

程序運行結果如下圖所示。

《Python從菜鳥到高手》已經出版，開始連載了，購買送視頻課程