[Toc] # 第4章 循環結構 今天小墨首先學習了第三種程序結構：循環結構，這是一種神奇的結構，通過它能完成快速完成大量重復的事情，比如一萬以內數字的相加。然后學習了一種特殊的循環：死循環。最后小墨學習了隨機數的生成，并編寫了猜數字的小游戲，一起來看看吧。 # [插畫：早上九點、風和日麗的墨馨書屋] 時間：早上9:00 天氣：風和日麗 墨博士：小墨，今天我們來做一個很經典的小游戲：猜數字，就像這樣： ``` 輸入猜的數字：50 小了 輸入猜的數字：75 小了 輸入猜的數字：88 大了 輸入猜的數字：82 大了 輸入猜的數字：78 大了 輸入猜的數字：76 小了 輸入猜的數字：77 猜對了 ``` 小墨：太好了！我哥哥就是游戲工程師，今后也能讓他玩玩我做的游戲啦。 墨博士：想要做出這款游戲，我們需要學習循環結構、死循環、隨機數等重要的基礎語法，并且和前面的分支結構、關系運算符等內容相結合。 小墨：我準備好了。 ## 4.1 為什么需要循環 墨博士：好，小墨，如果現在讓你輸出5遍HelloWorld，你會怎么做？ 小墨：太簡單了，先寫一行輸出，然后復制粘貼4行出來，如下： ``` print('Hello World !') print('Hello World !') print('Hello World !') print('Hello World !') print('Hello World !') ``` 墨博士：那如果輸出10遍、100遍、9527遍呢？ 小墨：…… 墨博士：計算機擅長幫助人們處理重復的事情，這在python等編程語言中就是使用循環結構。 下面我們來學習兩種循環結構：while循環和for循環。 ## 4.2 while循環 墨博士：小墨你知道while在英語中是什么意思？ 小墨：for a while，一會兒的意思。 墨博士：while還有一個意思是當……的時候，類似于when，在Python中while取的就是這個意思。它的結構如下： ``` while 條件: 語句 ``` 程序運行流程是： 先執行第1行，判斷條件是否滿足 如果條件滿足，則執行后面的語句 然后再次判斷條件，看是否滿足 如果仍然滿足，則繼續執行后面的語句 然后再次判斷條件，看是否滿足 如果仍然滿足，則繼續執行后面的語句 ……（不停的運行） 然后再次判斷條件，看是否滿足 如果仍然滿足，則繼續執行后面的語句 然后再次判斷條件，看是否滿足 如果條件不再滿足了，則不再繼續執行后面的語句 整個while結束。 也就是說，上述語句會一直執行，直到while后面的條件不再滿足為止。這個過程就稱為**循環**。這里的語句，稱為**循環體**。 小墨：這個條件什么時候會不滿足呢？ 墨博士：問的好！while循環后跟的語句，通常不會是一句，而是多句（多個語句一起稱為語句塊）。其中一般就會有一句代碼來控制判斷條件的變化。 我們以輸出10次HelloWorld的例來看： ``` n = 10 while n > 0: print('Hello World !') n = n - 1 ``` 第1行定義一個變量n，并賦值為10。 第2行中while后跟的“n > 0”是一個判斷條件，判斷n是不是比0大，“while n > 0”連在一起就表示當n大于0的時候，就會一直執行后面跟的代碼塊，也就是第3、4行內容。 第3行輸出“Hello World !” 第4行是很有意思的一行，前面我們說過，“=”號是賦值運算符，它把后面的值賦給前面的變量。本句的意思是說n-1的值重新賦值給變量n。比如n為10，則10-1=9，然后把9賦值給n，此時n就變為9了。 這一句就是控制循環條件的關鍵一句。 整個程序的運行流程是： ``` 先執行第1行 然后執行第2行，此時判斷n是不是大于0，因為此時n的值是10，10大于0，條件滿足。 第一輪循環開始： 然后執行第3行，輸出“Hello World !”。 然后是第4行，n是10，n = n -1之后n變為9。 此時第一輪循環結束 接著再次執行第2行，判斷n是否大于0，因為n此時等于9，所以大于0，條件滿足 開始第二輪循環 執行第3行，輸出第3行輸出“Hello World !” 然后執行第4行，n是9，n = n -1之后n變為8。 此時第二輪循環結束 接著再次執行第2行，判斷n是否大于0，因為n此時等于8，所以大于0，條件滿足 開始第三輪循環 執行第3行，輸出第3行輸出“Hello World !” 然后執行第4行，n是8，n = n -1之后n變為7。 此時第三輪循環結束 接著是第四、五、六、七、八、九輪循環 n的值分別變為了6、5、4、3、2、1 接著再次執行第2行，判斷n是否大于0，因為n此時等于1，所以大于0，條件滿足 開始第十輪循環 執行第3行，輸出第3行輸出“Hello World !” 然后執行第4行，n是1，n = n -1之后n變為0。 接著再次執行第2行，判斷n是否大于0，因為n此時等于0，0不再大于0，條件不再滿足，整個循環結束。 ``` 一共循環了十輪，也即第3、4行一共運行了10次，所以輸出了10次的“Hello World !”。 小墨：哇啊，厲害！果然比寫10遍print輸出厲害太多了！這樣我想輸出100遍HelloWorld只需要把10改成100就可以了。 墨博士：這里的n被稱為**循環變量**，你可以打印一下n的值，更能直觀的看到程序的運行過程： ``` n = 10 while n > 0: print(n) n = n - 1 ``` 輸出結果為： ``` 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ``` 小墨：這個每次看的都是變化前的n的值，我覺得打印下變化后的n值更直觀一些。可以把第3行和第4行換一下： ``` n = 10 while n > 0: n = n - 1 print('n的值為：'+str(n)) ``` 輸出結果為： ``` n的值為：0 ``` 咦！怎么就輸出了一個0？ 墨博士：呵呵，這個正是我想告訴你的。在使用while循環的時候，需要注意后面跟的語句的縮進問題。有同樣縮進的才被當成是一個語句塊。這個和if后面跟的語句塊的縮進是一個道理，要把它們放到while的覆蓋范圍中。 小墨：哦我懂了，我的第4行代碼忘了添加4個空格作為縮進了。改進如下： ``` n = 10 while n > 0: n = n - 1 print('n的值為：'+str(n)) ``` 運行輸出結果為： ``` n的值為：9 n的值為：8 n的值為：7 n的值為：6 n的值為：5 n的值為：4 n的值為：3 n的值為：2 n的值為：1 n的值為：0 ``` 墨博士：嗯，while循環使用簡單，可讀性強，用處還是很多的，為了鞏固你的理解，一起來做個練習吧： > 計算1到100的數字相加之和 # [插畫：數學老師說：計算1-100相加之和，高斯說：1+100=101=2+99=3+98·······，結果是5050，小墨說：使用循環就可以了] 小墨：這不是數學家高斯小時候做的那道題嘛，1+100=101=2+99=3+98·······，最后就相當于101乘以50，結果是5050。 墨博士：嗯，如果使用Python來計算，思路要回到普通的1+2+3+4+……上來。你想一下怎么做。 小墨：普通的1+2+3的思路，嗯……可以把上面的程序改一改，讓n的初始值是100，然后利用while循環，讓它循環個100次，然后每次都讓循環變量減去1。 在循環**外**定義一個變量，用于將所有的n的值都加起來。 ``` # 定義循環變量并初始化為100 n = 100 # 定義相加的結果變量，用于接收所有n相加的結果 sum = 0 while n > 0: # 將每次循環的n都加起來 sum = sum + n n = n - 1 print('計算結果為：'+str(sum)) ``` 墨博士：嗯，不錯嘛。這里還有一個小技巧，你看sum = sum + n這句，是將sum的值和n的值相加后再次賦值給sum本身，它有個簡單的寫法，是sum += n，就相當于sum = sum + n。這里的+=也是個賦值運算符，我們可以稱它為累加賦值運算符，表示累加上某些東西之后再賦值（=）。另外需要注意這個+=是一個運算符（不是兩個），使用的時候中間不能加空格。 > 墨博士提醒；除了+=，還有-=、*=、/=、%=等，表示減等、乘等、除等、余等。Python中的完整運算符及用法請參考附錄B。 小墨：好的我記住了。 ## 4.3 for 循環 墨博士：接下來我們再來說另一種循環：for循環。它的完整結構為: ``` for x in m: 語句 ``` 其中x是一個變量，m需要是一個list類型或tuple類型的數據，這個我們后面單獨再說，你可以簡單理解為是一堆數據，x就從這一堆數據中逐個取值，如果能取到值，則執行語句，然后取下個值，直到m中的值全被取完了，則循環結束。比如 ``` for x in [1, 2, 3, 4, 5]: print(x) ``` x會從[1, 2, 3, 4, 5]中依次取出值，然后執行后面縮進的print語句。 輸出結果為： ``` 1 2 3 4 5 ``` 小墨：這個似乎比while更簡潔一些，但是可讀性差一些。 墨博士：實際使用時根據情況選擇用哪種循環就行。來做個練習吧： > 使用for循環，計算1到10的相加之和。 小墨：結合這上面的while循環中的累加的案例，可以這樣寫 ``` # 定義變量用于接收累加的結果 sum = 0 for x in [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]: # 累加 sum += x print(sum) ``` 墨博士：不錯。不過問題也來了，如果想要計算1到100的相加之和呢，難道要從1寫到100嗎？太麻煩了！這時候我們可以使用range(n)。 range(n)是一個函數（函數也稱為方法）。一個函數就是一個功能，Python提供了很多函數供我們使用，方便我們編寫代碼。如果把編程比作蓋房子，那么函數就是已經做好的門啊窗啊鋼筋啊之類的，我們可以直接拿來蓋自己的房子，而不需要自己去森林里伐木做門做窗、去礦山上挖礦煉鋼。 # [插畫：森林里伐木、礦山上挖礦] range(n)中的n是你可以指定的數，這個函數的功能是用于生成0到n-1的整數序列，比如range(5)，就可以得到0 1 2 3 4這五個數。 ``` for x in range(5): print(x) ``` 輸出 ``` 0 1 2 3 4 ``` 和使用for x in [0, 1, 2, 3, 4]效果是一樣的。 接下來，就交給你了小墨，編寫下使用range函數配合for循環計算0到100（包括100）相加的程序吧。 小墨：好的，我試試： ``` sum = 0 # 因為要包括100，這里使用range(101)生成0-100的數，for循環依次取出這些數 for x in range(101): # 累加 sum += x print(sum) ``` 墨博士：嗯，range還有個用法就是傳入兩個數range(m, n)，可以得到從m到n-1間所有的數，比如range(60,81)就會得到60到80間的所有數，包括60，包括80，但是不包括81。 小墨：所以計算60-80（含）間數字相加的結果的程序可以這樣： ``` sum = 0 for x in range(60, 81): # 累加 sum += x print(sum) ``` 墨博士：是的。除了range()函數外，其實我們也已經學了其他的函數了。比如str()用于將整數轉為字符串、int()用于將字符串轉為整數、甚至print()用于將內容輸出到屏幕上、input()用于接收用戶的輸入等都是函數。你發現什么共同點了嗎？ 小墨：共同點……，他們后面都跟著個小括號？ 墨博士：是的！所有的函數后面都跟著有小括號，小括號中會根據需要要求我們傳入相應的內容。這個我們會在后面的函數章節詳細的講解。 關于循環的使用我們就先說這么多了。 小墨：博士，我聽墨哥哥曾經說過死循環，那是什么？ 墨博士：墨哥哥當時怎么說的？ 小墨：那天墨哥哥手機欠費停機，用網上銀行充值，然后需要手機驗證碼，他就嘟囔了那么一句。 # [插畫：手機欠費，請充值] 墨博士：…… ## 4.4 死循環 ### 4.4.1 什么是死循環 墨博士：如果一個循環的循環條件一直被滿足，或者說循環體沒有結束循環的可能，那么循環體就會一直執行，這種情況稱為死循環，也稱為無限循環。 小墨：墨哥哥那個就是結束不了了。 墨博士：是的。Python中的死循環一般用while循環來寫，寫法如下： ``` while True: print("Hello") ``` 因為在Python中，非0都可以用于表示True，0則表示False，所以上面的死循環也可以寫成： ``` while 1: print("Hello") ``` 小墨：我來試試。編寫代碼，F5運行，哇好厲害！IDLE中一直在不停的打印Hello，這個打印要是豐富多彩一些，就有點黑客電影的意思啦。 # [插畫補充：黑客電影電腦屏幕] ### 4.4.2 死循環的結束 小墨：誒！不對呀博士，這個我要想結束怎么辦？ 墨博士：死循環就是那種沒法自己結束的循環，只能我們手動去結束它。在IDLE中想結束死循環使用快捷鍵Ctrl + C即可，效果如下：  或者直接關閉IDLE，會提示你是否要結束程序，選擇確定就把程序結束掉了。 小墨：終于關掉了！這個死循環還挺嚇人。它一般用來干什么呢？ 墨博士：后面我們做的很多程序中你都能看到它的身影，另外，死循環還可以與break和continue相結合使用，來做成不定次數的循環。 ## 4.5 break 墨博士：break是打破、中斷的意思，在Python中可以用于結束循環 ``` n = 5 while n >= 0: if n == 2: break print(n) n = n - 1 ``` 輸出結果為： ``` 5 4 3 ``` 當n為2時，進入if分支，break結束了整個循環，開始執行后面的代碼，后面沒有代碼則整個程序就結束了。 ## 4.6 continue 墨博士：continue是繼續的意思，在Python中也用于結束循環，但是區別于break，continue是結束本輪循環并開始下輪循環，break是結束整個循環。比如： ``` for x in range(5): if x == 2: continue print(x) ``` 輸出結果為： ``` 0 1 3 4 ``` 當x等于2的時候，進入if x == 2的分支中，執行continue這句，表示本次循環就此結束，不再執行print(x)這句。然后循環繼續，x取出range(5)中的3，打印，依次類推。 小墨，這些你都記住了嗎？ 小墨：記住了。break用于結束整個循環，continue用于結束本輪循環但不結束整個循環。 ## 4.7 小墨的猜數字游戲 墨博士：好了，接下來就來完成猜數字游戲，規則如下： > 給定一個100以內的數字，然后讓用戶輸入數字去猜，程序判斷用戶輸入的數字是猜大了、小了還是對了，如果大了或小了，則繼續猜，如果猜對了則結束程序。 小墨，接下來就看你的啦。 小墨：我先來分析一下：整個過程不知道會猜多少次，所以我沒法給固定的猜的次數，應該使用一個死循環讓用戶能一直猜。而如果猜對了，則使用break結束循環從而結束程序，如果猜錯了，就結束本輪循環，讓他繼續猜，是這樣的吧博士。 墨博士：沒錯，繼續說吧。 小墨：我的程序是這樣的 ``` n = 65 while True: ni = int(input('輸入猜的數字：')) if ni > n: print('大了') continue elif ni < n: print('小了') continue else: print('猜對了') break ``` 博士，不準看我的代碼，我已經運行起來了，你來猜一猜吧。 博士：好，我來猜一下： ``` 輸入猜的數字：50 小了 輸入猜的數字：75 大了 輸入猜的數字：63 小了 輸入猜的數字：69 大了 輸入猜的數字：66 大了 輸入猜的數字：65 猜對了 ``` 小墨：你怎么猜這么快？ 墨博士：其實我還可以更快，因為我看到你代碼中的n=65了。 小墨：…… 墨博士：哈哈，你看這個游戲，如果事先已經知道了要猜的數字，就毫無可玩性了。如果我們的程序每次運行能自己生成一個隨機的數字，連程序的編寫者都不知道會是什么的一個數字就好了。 小墨：這樣就不能作弊了。那該如何實現呢？ 墨博士：這個用random模塊來解決。 ## 4.8 random 墨博士：在python中，一個.py文件就是一個模塊，可以看作一堆功能的整體。random模塊用來生成隨機數。這是Python官方給我們提供的，方便我們編寫代碼。 小墨：官方還真是周到啊，不光提供給了我們很多函數，還提供給了我們很多模塊。 墨博士：是的。函數包含在模塊中，一個模塊由很多的函數（和其他的東西）組成，一個函數是一個功能，所以說它是一堆功能的整體。 小墨，你來新建一個Python文件，輸入以下代碼： ``` import random print(random.randint(0, 1)) ``` 注意保存的時候不要把自己新建的這個Python文件起名叫random，會和官方提供的random模塊沖突。 **多次**運行，看看程序會輸出什么？ 小墨：有時候輸出0，有時候輸出1，這就是隨機吧。 墨博士：嗯第1句import random用于將random模塊引入進來，為什么需要引入呢？我用你的課桌來說一下。你看現在你課桌上只有筆記本、水杯和你的仙人球，為什么你不把書包、文具盒、雨傘之類的全放你課桌上，而是把這些東西放在了旁邊的架子上呢？ # [插畫：小墨的書桌，書桌上有電腦、水杯和仙人球，書桌旁邊有飲水機等] 小墨：都放課桌上也放不下呀，即使放的下也亂七八糟的。 墨博士：Python中對于函數的設計也是這樣的，它把最常用的放在你手邊，你直接就可以用，比如print()函數，str()函數等，而把不常用的放在了另外的模塊中擱在了其他的地方，如果你想使用，需要先使用import把模塊引入進來，就像你想拿文具盒中的鉛筆時才會把文具盒拿過來一樣。 小墨：哦我懂了，常用的放手邊直接就能用，不常用的放一邊先拿過來再用。 墨博士：是這個意思。再來看第2行，print后面括號中的內容是random.randint(0, 1)，前面的random就是我們引入的模塊，想使用模塊中的函數，需要使用模塊后跟點.，點后面的randint就是函數了。 小墨：這個函數和range一樣，可以寫兩個數進去呢。 墨博士：是的，random.randint(a,b)函數會**隨機**得到數字 n ，n 為 a 到 b 之間的數字（a <= n <= b），包含 a 和 b本身。這里我們傳入0,1就表示，就隨機得到0或者1了。 小墨：哦，我明白了，我使用這個random模塊把我的程序給改造改造。 墨博士：注意把import那句放到最前面，先引進來，再使用，就像先把文具盒拿過來，再取出其中的鉛筆用一個道理。 小墨：知道啦。代碼如下： ``` import random n = random.randint(0, 100) while True: ni = int(input('輸入猜的數字：')) if ni > n: print('大了') continue elif ni < n: print('小了') continue else: print('猜對了') break ``` 改好了博士，這次你再來猜一猜吧。 博士：好，我來猜一猜： ``` 輸入猜的數字：50 小了 輸入猜的數字：75 小了 輸入猜的數字：88 大了 輸入猜的數字：82 大了 輸入猜的數字：78 大了 輸入猜的數字：76 小了 輸入猜的數字：77 猜對了 ``` 小墨：猜的還是挺快的嘛！我要再研究研究，做出一款更好玩的猜數字游戲出來。 ## 4.9 本章小結 墨博士總結：關于循環結構到這里就結束了。 在本章中，你首先學習了兩種循環結構的用法，并使用循環完成了100內數字的累加。程序如下： ``` sum = 0 for x in range(60, 81): sum += x print(sum) ``` 這個程序運行結果沒問題，但還是有兩個地方需要我們注意： 一個就是這個sum，在某些IDE下可能會報警告，這是因為Python中有個自帶的sum，他們重名了。所以最好改一下名字，比如叫my_sum 第二個問題是關于變量的，變量需要先初始化才能使用，比如 ``` my_sum print(my_sum) ``` 運行就會報錯： ``` NameError: name 'my_sum' is not defined ``` 所以這么這里給sum指定了個0，這個稱為變量的初始化。 除了兩種循環結構，你還學習了循環條件永遠被滿足時的特殊循環：死循環，以及break和continue在循環語句中的使用。最后我們一起做了個猜數字的游戲，這個游戲中除了用到了我們學習到的分支結構和循環結構，還用到了random模塊去生成隨機數，這是很多程序，尤其是游戲中經常會用到的一點。