### 3.4.2 while 循環 for 循環要求預先確定循環的次數，但有很多問題難以預先確定循環次數，只知道在什么 條件下需要循環，這時可以使用 while 語句。Python 語言中 while 語句的常用格式是： ``` while <布爾表達式>: <循環體> ``` 其語義是：當布爾表達式計算為 True 時，執行一遍循環體，執行完畢控制轉回 while 語句的開始處重新測試布爾表達式；當布爾表達式計算為 False 時，控制轉向下一條語句。注意， 循環體部分相對于 while 部分要左縮進。while 語句的流程圖如圖 3.9 所示。  圖 3.9 while 循環的流程圖 顯然，while 語句的循環次數取決于布爾表達式何時變成 False，而不是預先確定循環次 數。稍微深入思考一下就會發現一個問題：萬一布爾表達式永遠不會變成 False 怎么辦？如 果進入循環語句時布爾表達式計算為 True，而循環體又不會影響布爾表達式的值，那么執行 完循環體后控制回到循環入口處時，布爾表達式仍然為 True。這種情況下 while 循環永遠不 會停下來，稱為無窮循環。程序中如果有一個無窮循環就意味著程序無法終止，我們常說程 序進入了“死循環”，這是程序設計中經常出現的錯誤。要想避免無窮循環，必須使循環體對 布爾表達式的值產生影響，例如改變布爾表達式中所用到的變量的值。 在實際編程中，while 循環有一些常用的套路或稱模式，值得讀者熟記于心。下面通過“對 一批數據求和”的例子來介紹這些循環模式。 交互式循環 考慮這樣的應用：用戶不斷輸入數據，程序得到數據后不斷累加，最后算出輸入數據的 總和。顯然，這是一個“輸入——累加”的反復循環的過程。由于用戶輸入數據的個數不是 預先給定的，故無法用 for 循環來實現，而 while 語句則能輕松解決這個問題。為了對循環進 行控制，我們每次循環前都詢問用戶是否還有新數據。這種通過與用戶進行交互來決定是否 需要循環的模式稱為交互式循環，可以用偽代碼表達如下： ``` 將循環控制變量 moredata 初始化為"yes" while moredata 值為"yes": 獲得用戶輸入的下一個數據 處理該數據 詢問用戶是否還有輸入數據，為變量 moredata 賦值 ``` 下面是利用交互式循環實現的完整程序。 【程序 3.10】eg3_10.py ``` sum = 0 moredata = "yes" while moredata[0] == "y": x = input("Input a number: ") sum = sum + x moredata = raw_input("More numbers? (yes/no) ") print "The sum is", sum ``` 下面是這個程序的執行情況： ``` Input a number: 2 More numbers? (yes/no) yes Input a number: 5 More numbers? (yes/no) yeah Input a number: 8 More numbers? (yes/no) no The sum is 15 ``` 要說明的是，這個程序通過檢查 moredata[0]來控制是否循環，因此只要用戶輸入的首字 母是"y"就能進入循環體執行，而任何非 y 開頭的輸入都導致停止循環。 此版本有個不好的地方：用戶需要不停地先回答是否還有數據，有的話再輸入數據。這 對用戶來說有點煩瑣。也就是說，交互式循環其實并不適合“輸入 n 個數據求和”的問題。 哨兵循環 解決“輸入數據求和”問題的更好方法是使用哨兵循環，即不斷執行“輸入——累加” 這個循環體，直至遇到一個稱為“哨兵”的特殊數據值。任何值都可以當作哨兵，關鍵是它 必須與正常數據值相互區別。哨兵循環的一般模式如下： ``` 前導輸入 while 不是哨兵： 處理數據 循環尾輸入 ``` 首先，在循環開始之前需要利用“前導輸入”獲取第一個數據。如果該數據是哨兵，則 不會進入循環，控制轉向 while 的下一條語句；如果是正常數據，則進入循環處理之。在循 環體的末尾讀取下一個數據，并轉到循環開始處的哨兵測試。如此周而復始，直至遇見哨兵 循環才終止。 注意，哨兵循環用到了兩條一模一樣的輸入語句：一條是位于循環體之前的“前導輸入”， 另一條是位于循環體末尾的“循環尾輸入”。這兩條輸入語句缺一不可：少了前導輸入則無法 進入循環；少了循環尾輸入則無法讀取下一數據，從而循環一直在對第一個數據進行處理， 導致無窮循環。 使用哨兵循環，需要選擇一個特殊數據作為哨兵。這個特殊數據一般和正常數據屬于同 樣的類型，以便能被 while 語句統一檢測。如果哨兵數據和正常數據屬于不同類型，那么 while 語句的條件表達式就會變復雜，因為需要處理兩種類型的數據。具體選擇什么數據作為哨兵，要看具體的應用場景。例如，假設我們輸入的數據是考試成績（非負數），那么可以選－1 作 為哨兵，因為負數是不可能成為合法考試成績的。又假如我們輸入的數據是人名（字符串）， 那么可以選空串作為哨兵。一個很常用的場景是文件處理，即輸入的數據來自一個文件，這 時可以很自然地在文件末尾存放一個特殊數據作為哨兵，很多語言甚至提供專門的測試文件 尾的手段（如常量 EOF①或函數 eof()之類）。關于文件處理詳見第 6 章。 下面我們用哨兵循環來實現求和程序。 【程序 3.11】eg3_11.py ``` sum = 0 x = input("Input a number (-1 to quit): ") while x &gt;= 0: sum = sum + x x = input("Input a number (-1 to quit): ") print "The sum is", sum ``` 可見哨兵循環與交互式循環不同，不需要用戶不停地回答 yes 來處理數據。下面是此程序的執行情況： ``` Input a number (-1 to quit): 2 Input a number (-1 to quit): 5 Input a number (-1 to quit): 8 Input a number (-1 to quit): -1 The sum is 15 ``` 如果程序 3.11 中待求和的數據是任意實數的話，那么－1 可能是正常數據，不能作為哨 兵。事實上，所有實數都不能作為哨兵。這時可以采用字符串類型來解決問題，因為正常的 輸入數據（正數、負數和 0）都可以表示為由阿拉伯數字組成的非空字符串，從而包含非數 字字符的字符串都可以用作哨兵。最簡單最常用的特殊字符串是空字符串""（注意兩個引號 之間沒有東西），當用戶在輸入時直接鍵入回車，Python 即返回空串。當然，這種做法中對 數據的處理要麻煩一點，需要將字符串轉換為數值類型以便進行求和計算。下面是以字符串 方式輸入數值數據的求和程序版本： 【程序 3.12】eg3_12.py ``` sum = 0 x = raw_input("Input a number (&lt;Enter&gt; to quit): ") while x != "": sum = sum + eval(x) x = raw_input("Input a number (&lt;Enter&gt; to quit): ") print "The sum is", sum ``` 執行示例如下： ``` Input a number (<Enter> to quit): 2 Input a number (<Enter> to quit): 5 Input a number (<Enter> to quit): -8 Input a number (<Enter> to quit): The sum is -1 ``` 此運行示例的第四行中，輸入時直接按回車鍵，導致 Python 將空串賦值給了 x，從而使循環 終止。 > ① 意為 End-Of-File 在哨兵循環模式中有一個容易犯錯誤的地方：當用戶的前導輸入本身就是哨兵，從而導致循環一次也不執行時，while 后面的語句可能沒有預料這種情況，導致無法正確執行。例如， 我們將程序 3.11 改成計算平均值，算法基本不變：反復輸入數據，在循環中累加數據總和 sum 及數據計數 count，當用戶輸入哨兵－1 時退出循環并計算平均值。代碼如下： ``` sum = 0 count = 0 x = input("Input a number (-1 to quit): ") while x &gt;= 0: sum = sum + x count = count + 1 x = input("Input a number (-1 to quit): ") print "The average is", sum / count ``` 運行此程序，并且首先輸入－1，看看會發生什么？是的，由于未進入循環，sum 和 count 都保持為初始值 0，while 的下一條語句在計算平均值的時候發生了除數為 0 的錯誤！ 后測試循環 前面介紹的 while 循環例子都是“前測試”循環，即先檢測循環條件，再進入循環。顯 然，如果首次測試條件得到 False，則循環體就會一次也不執行。有些實際應用問題要求循環 體必須至少執行一次，例如“輸入合法性檢查”問題。用戶輸入數據，程序檢查用戶的輸入 是否合法：如果合法則程序繼續向后執行，否則就回到前面要求用戶重新輸入，直至輸入合 法為止。這種輸入合法性檢查在程序設計中是非常普遍的，好的程序員應該盡量對用戶的輸 入進行合法性檢查。為了實現輸入合法性檢查，顯然需要先獲得用戶的輸入，然后進入循環 語句，即循環至少會執行一次，最后再測試條件決定是否繼續循環。因此，我們需要一種“后 測試”循環結構。 有一些語言提供了 repeat-until 或者 do-while 循環結構來實現后測試循環，其語義分別是 “重復做某事，直至滿足某條件”和“做某事，當滿足條件時重復”。這種循環結構的流程圖 如圖 3.10 所示①。  圖 3.10 后測試循環控制結構 從圖中可見循環體至少執行一次，而循環條件檢測位于循環體的最后，這正是“后測試”名稱的由來。 > ① 細微差別：這個流程圖其實是 repeat-until 結構。將 True 和 False 互換位置，才是 do-while 結構。 Python 語言沒有提供類似 repeat-until 結構的語句，但我們不難用 while 來實現后測試循環：只要保證循環條件初始為 True，自然就會執行一次循環體，而后續循環由條件測試決定。 例如，假設程序要求用戶輸入一個正數，則可用下面的代碼片段來檢查輸入合法性： ``` x = -1 while x < 0: x = input("Please input a positive number: ") ``` 其中第一行的作用是使首次條件檢測為真，因此循環體至少執行一次；接下去的條件檢測就 相當于位于循環體最后，整個語句也就等價于后測試循環。 不難看出，程序 3.10 中的交互式循環將 moredata 初始化為 True，因此實際上是后測試 循環的一種，效果是使用戶至少輸入一個數據。 while 計數器循環 雖然一般來說 for 語句用于固定次數的循環，while 語句用于不定次數的循環，但兩者之 間并無本質不同，完全可以用 while 來實現固定次數的循環。為了循環 n 次，用 while 實現的 計數器循環模式如下： ``` 計數器 count 置為 0 while count < n: 處理代碼 count ＝ count + 1 ``` 可見，用 while 語句實現計數器循環時需要手動控制循環控制變量 count 的變化，而 for 語句是自動處理的。使用時具體要注意兩點：第一，必須為 count 賦初值，否則 while 后的布 爾表達式無法計算；第二，必須在循環體中改變 count 的值，否則會導致無窮循環。 例如，前面罰寫 10 遍“煩”字的計數器循環，可以用 while 語句實現如下： ``` >>> i = 0 >>> while i < 10: print "煩", i = i + 1 煩 煩 煩 煩 煩 煩 煩 煩 煩 煩 ``` 在此例中，i 初值為 0，以后每次循環都加 1，由于從 0 到 9 都是滿足循環條件的，所以 總共執行 10 次循環。第 10 次循環后，i 值為 10，不滿足循環條件，故退出循環，控制轉到 下一條語句。 上面的 while 計數器循環模式是讓計數器從小到大變化，同樣常用的還有讓計數器從大 到小變化的模式： ``` 計數器 count 置為 n while count > 0 處理代碼 count ＝ count - 1 ``` 使用這種模式實現上面的例子，代碼如下： ``` >>> i = 10 >>> while i > 0: print "煩", i = i - 1 煩 煩 煩 煩 煩 煩 煩 煩 煩 煩 ``` 值得一提的是，計算機編程中我們經常是從 0 開始計數的，而不是日常生活中的從 1 開始。上例中的 while 語句都是對從 0 到 9 的 10 個值進行循環。如果讀者更習慣從 1 開始計數， 也可以先為 count 賦予初值 1，然后在循環體中不斷加 1，從而實現對從 1 到 10 的 10 個值進 行循環，這樣能與日常說的第 1 次、第 2 次、…、第 10 次在序數上對應起來。但是要注意的 是，這時需要將循環條件改成 count&lt;=10 或 count&lt;11。循環控制變量的邊界值是初學者容易 犯錯的地方，經常導致循環次數多 1 次或少 1 次。