[Toc] # 第4章 循环结构 今天小墨首先学习了第三种程序结构：循环结构，这是一种神奇的结构，通过它能完成快速完成大量重复的事情，比如一万以内数字的相加。然后学习了一种特殊的循环：死循环。最后小墨学习了随机数的生成，并编写了猜数字的小游戏，一起来看看吧。 # [插画：早上九点、风和日丽的墨馨书屋] 时间：早上9:00 天气：风和日丽 墨博士：小墨，今天我们来做一个很经典的小游戏：猜数字，就像这样： ``` 输入猜的数字：50 小了 输入猜的数字：75 小了 输入猜的数字：88 大了 输入猜的数字：82 大了 输入猜的数字：78 大了 输入猜的数字：76 小了 输入猜的数字：77 猜对了 ``` 小墨：太好了！我哥哥就是游戏工程师，今后也能让他玩玩我做的游戏啦。 墨博士：想要做出这款游戏，我们需要学习循环结构、死循环、随机数等重要的基础语法，并且和前面的分支结构、关系运算符等内容相结合。 小墨：我准备好了。 ## 4.1 为什么需要循环 墨博士：好，小墨，如果现在让你输出5遍HelloWorld，你会怎么做？ 小墨：太简单了，先写一行输出，然后复制粘贴4行出来，如下： ``` print('Hello World !') print('Hello World !') print('Hello World !') print('Hello World !') print('Hello World !') ``` 墨博士：那如果输出10遍、100遍、9527遍呢？ 小墨：…… 墨博士：计算机擅长帮助人们处理重复的事情，这在python等编程语言中就是使用循环结构。 下面我们来学习两种循环结构：while循环和for循环。 ## 4.2 while循环 墨博士：小墨你知道while在英语中是什么意思？ 小墨：for a while，一会儿的意思。 墨博士：while还有一个意思是当……的时候，类似于when，在Python中while取的就是这个意思。它的结构如下： ``` while 条件: 语句 ``` 程序运行流程是： 先执行第1行，判断条件是否满足 如果条件满足，则执行后面的语句 然后再次判断条件，看是否满足 如果仍然满足，则继续执行后面的语句 然后再次判断条件，看是否满足 如果仍然满足，则继续执行后面的语句 ……（不停的运行） 然后再次判断条件，看是否满足 如果仍然满足，则继续执行后面的语句 然后再次判断条件，看是否满足 如果条件不再满足了，则不再继续执行后面的语句 整个while结束。 也就是说，上述语句会一直执行，直到while后面的条件不再满足为止。这个过程就称为**循环**。这里的语句，称为**循环体**。 小墨：这个条件什么时候会不满足呢？ 墨博士：问的好！while循环后跟的语句，通常不会是一句，而是多句（多个语句一起称为语句块）。其中一般就会有一句代码来控制判断条件的变化。 我们以输出10次HelloWorld的例来看： ``` n = 10 while n > 0: print('Hello World !') n = n - 1 ``` 第1行定义一个变量n，并赋值为10。 第2行中while后跟的“n > 0”是一个判断条件，判断n是不是比0大，“while n > 0”连在一起就表示当n大于0的时候，就会一直执行后面跟的代码块，也就是第3、4行内容。 第3行输出“Hello World !” 第4行是很有意思的一行，前面我们说过，“=”号是赋值运算符，它把后面的值赋给前面的变量。本句的意思是说n-1的值重新赋值给变量n。比如n为10，则10-1=9，然后把9赋值给n，此时n就变为9了。 这一句就是控制循环条件的关键一句。 整个程序的运行流程是： ``` 先执行第1行 然后执行第2行，此时判断n是不是大于0，因为此时n的值是10，10大于0，条件满足。 第一轮循环开始： 然后执行第3行，输出“Hello World !”。 然后是第4行，n是10，n = n -1之后n变为9。 此时第一轮循环结束 接着再次执行第2行，判断n是否大于0，因为n此时等于9，所以大于0，条件满足 开始第二轮循环 执行第3行，输出第3行输出“Hello World !” 然后执行第4行，n是9，n = n -1之后n变为8。 此时第二轮循环结束 接着再次执行第2行，判断n是否大于0，因为n此时等于8，所以大于0，条件满足 开始第三轮循环 执行第3行，输出第3行输出“Hello World !” 然后执行第4行，n是8，n = n -1之后n变为7。 此时第三轮循环结束 接着是第四、五、六、七、八、九轮循环 n的值分别变为了6、5、4、3、2、1 接着再次执行第2行，判断n是否大于0，因为n此时等于1，所以大于0，条件满足 开始第十轮循环 执行第3行，输出第3行输出“Hello World !” 然后执行第4行，n是1，n = n -1之后n变为0。 接着再次执行第2行，判断n是否大于0，因为n此时等于0，0不再大于0，条件不再满足，整个循环结束。 ``` 一共循环了十轮，也即第3、4行一共运行了10次，所以输出了10次的“Hello World !”。 小墨：哇啊，厉害！果然比写10遍print输出厉害太多了！这样我想输出100遍HelloWorld只需要把10改成100就可以了。 墨博士：这里的n被称为**循环变量**，你可以打印一下n的值，更能直观的看到程序的运行过程： ``` n = 10 while n > 0: print(n) n = n - 1 ``` 输出结果为： ``` 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ``` 小墨：这个每次看的都是变化前的n的值，我觉得打印下变化后的n值更直观一些。可以把第3行和第4行换一下： ``` n = 10 while n > 0: n = n - 1 print('n的值为：'+str(n)) ``` 输出结果为： ``` n的值为：0 ``` 咦！怎么就输出了一个0？ 墨博士：呵呵，这个正是我想告诉你的。在使用while循环的时候，需要注意后面跟的语句的缩进问题。有同样缩进的才被当成是一个语句块。这个和if后面跟的语句块的缩进是一个道理，要把它们放到while的覆盖范围中。 小墨：哦我懂了，我的第4行代码忘了添加4个空格作为缩进了。改进如下： ``` n = 10 while n > 0: n = n - 1 print('n的值为：'+str(n)) ``` 运行输出结果为： ``` n的值为：9 n的值为：8 n的值为：7 n的值为：6 n的值为：5 n的值为：4 n的值为：3 n的值为：2 n的值为：1 n的值为：0 ``` 墨博士：嗯，while循环使用简单，可读性强，用处还是很多的，为了巩固你的理解，一起来做个练习吧： > 计算1到100的数字相加之和 # [插画：数学老师说：计算1-100相加之和，高斯说：1+100=101=2+99=3+98·······，结果是5050，小墨说：使用循环就可以了] 小墨：这不是数学家高斯小时候做的那道题嘛，1+100=101=2+99=3+98·······，最后就相当于101乘以50，结果是5050。 墨博士：嗯，如果使用Python来计算，思路要回到普通的1+2+3+4+……上来。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，让n的初始值是100，然后利用while循环，让它循环个100次，然后每次都让循环变量减去1。 在循环**外**定义一个变量，用于将所有的n的值都加起来。 ``` # 定义循环变量并初始化为100 n = 100 # 定义相加的结果变量，用于接收所有n相加的结果 sum = 0 while n > 0: # 将每次循环的n都加起来 sum = sum + n n = n - 1 print('计算结果为：'+str(sum)) ``` 墨博士：嗯，不错嘛。这里还有一个小技巧，你看sum = sum + n这句，是将sum的值和n的值相加后再次赋值给sum本身，它有个简单的写法，是sum += n，就相当于sum = sum + n。这里的+=也是个赋值运算符，我们可以称它为累加赋值运算符，表示累加上某些东西之后再赋值（=）。另外需要注意这个+=是一个运算符（不是两个），使用的时候中间不能加空格。 > 墨博士提醒；除了+=，还有-=、*=、/=、%=等，表示减等、乘等、除等、余等。Python中的完整运算符及用法请参考附录B。 小墨：好的我记住了。 ## 4.3 for 循环 墨博士：接下来我们再来说另一种循环：for循环。它的完整结构为: ``` for x in m: 语句 ``` 其中x是一个变量，m需要是一个list类型或tuple类型的数据，这个我们后面单独再说，你可以简单理解为是一堆数据，x就从这一堆数据中逐个取值，如果能取到值，则执行语句，然后取下个值，直到m中的值全被取完了，则循环结束。比如 ``` for x in [1, 2, 3, 4, 5]: print(x) ``` x会从[1, 2, 3, 4, 5]中依次取出值，然后执行后面缩进的print语句。 输出结果为： ``` 1 2 3 4 5 ``` 小墨：这个似乎比while更简洁一些，但是可读性差一些。 墨博士：实际使用时根据情况选择用哪种循环就行。来做个练习吧： > 使用for循环，计算1到10的相加之和。 小墨：结合这上面的while循环中的累加的案例，可以这样写 ``` # 定义变量用于接收累加的结果 sum = 0 for x in [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]: # 累加 sum += x print(sum) ``` 墨博士：不错。不过问题也来了，如果想要计算1到100的相加之和呢，难道要从1写到100吗？太麻烦了！这时候我们可以使用range(n)。 range(n)是一个函数（函数也称为方法）。一个函数就是一个功能，Python提供了很多函数供我们使用，方便我们编写代码。如果把编程比作盖房子，那么函数就是已经做好的门啊窗啊钢筋啊之类的，我们可以直接拿来盖自己的房子，而不需要自己去森林里伐木做门做窗、去矿山上挖矿炼钢。 # [插画：森林里伐木、矿山上挖矿] range(n)中的n是你可以指定的数，这个函数的功能是用于生成0到n-1的整数序列，比如range(5)，就可以得到0 1 2 3 4这五个数。 ``` for x in range(5): print(x) ``` 输出 ``` 0 1 2 3 4 ``` 和使用for x in [0, 1, 2, 3, 4]效果是一样的。 接下来，就交给你了小墨，编写下使用range函数配合for循环计算0到100（包括100）相加的程序吧。 小墨：好的，我试试： ``` sum = 0 # 因为要包括100，这里使用range(101)生成0-100的数，for循环依次取出这些数 for x in range(101): # 累加 sum += x print(sum) ``` 墨博士：嗯，range还有个用法就是传入两个数range(m, n)，可以得到从m到n-1间所有的数，比如range(60,81)就会得到60到80间的所有数，包括60，包括80，但是不包括81。 小墨：所以计算60-80（含）间数字相加的结果的程序可以这样： ``` sum = 0 for x in range(60, 81): # 累加 sum += x print(sum) ``` 墨博士：是的。除了range()函数外，其实我们也已经学了其他的函数了。比如str()用于将整数转为字符串、int()用于将字符串转为整数、甚至print()用于将内容输出到屏幕上、input()用于接收用户的输入等都是函数。你发现什么共同点了吗？ 小墨：共同点……，他们后面都跟着个小括号？ 墨博士：是的！所有的函数后面都跟着有小括号，小括号中会根据需要要求我们传入相应的内容。这个我们会在后面的函数章节详细的讲解。 关于循环的使用我们就先说这么多了。 小墨：博士，我听墨哥哥曾经说过死循环，那是什么？ 墨博士：墨哥哥当时怎么说的？ 小墨：那天墨哥哥手机欠费停机，用网上银行充值，然后需要手机验证码，他就嘟囔了那么一句。 # [插画：手机欠费，请充值] 墨博士：…… ## 4.4 死循环 ### 4.4.1 什么是死循环 墨博士：如果一个循环的循环条件一直被满足，或者说循环体没有结束循环的可能，那么循环体就会一直执行，这种情况称为死循环，也称为无限循环。 小墨：墨哥哥那个就是结束不了了。 墨博士：是的。Python中的死循环一般用while循环来写，写法如下： ``` while True: print("Hello") ``` 因为在Python中，非0都可以用于表示True，0则表示False，所以上面的死循环也可以写成： ``` while 1: print("Hello") ``` 小墨：我来试试。编写代码，F5运行，哇好厉害！IDLE中一直在不停的打印Hello，这个打印要是丰富多彩一些，就有点黑客电影的意思啦。 # [插画补充：黑客电影电脑屏幕] ### 4.4.2 死循环的结束 小墨：诶！不对呀博士，这个我要想结束怎么办？ 墨博士：死循环就是那种没法自己结束的循环，只能我们手动去结束它。在IDLE中想结束死循环使用快捷键Ctrl + C即可，效果如下：  或者直接关闭IDLE，会提示你是否要结束程序，选择确定就把程序结束掉了。 小墨：终于关掉了！这个死循环还挺吓人。它一般用来干什么呢？ 墨博士：后面我们做的很多程序中你都能看到它的身影，另外，死循环还可以与break和continue相结合使用，来做成不定次数的循环。 ## 4.5 break 墨博士：break是打破、中断的意思，在Python中可以用于结束循环 ``` n = 5 while n >= 0: if n == 2: break print(n) n = n - 1 ``` 输出结果为： ``` 5 4 3 ``` 当n为2时，进入if分支，break结束了整个循环，开始执行后面的代码，后面没有代码则整个程序就结束了。 ## 4.6 continue 墨博士：continue是继续的意思，在Python中也用于结束循环，但是区别于break，continue是结束本轮循环并开始下轮循环，break是结束整个循环。比如： ``` for x in range(5): if x == 2: continue print(x) ``` 输出结果为： ``` 0 1 3 4 ``` 当x等于2的时候，进入if x == 2的分支中，执行continue这句，表示本次循环就此结束，不再执行print(x)这句。然后循环继续，x取出range(5)中的3，打印，依次类推。 小墨，这些你都记住了吗？ 小墨：记住了。break用于结束整个循环，continue用于结束本轮循环但不结束整个循环。 ## 4.7 小墨的猜数字游戏 墨博士：好了，接下来就来完成猜数字游戏，规则如下： > 给定一个100以内的数字，然后让用户输入数字去猜，程序判断用户输入的数字是猜大了、小了还是对了，如果大了或小了，则继续猜，如果猜对了则结束程序。 小墨，接下来就看你的啦。 小墨：我先来分析一下：整个过程不知道会猜多少次，所以我没法给固定的猜的次数，应该使用一个死循环让用户能一直猜。而如果猜对了，则使用break结束循环从而结束程序，如果猜错了，就结束本轮循环，让他继续猜，是这样的吧博士。 墨博士：没错，继续说吧。 小墨：我的程序是这样的 ``` n = 65 while True: ni = int(input('输入猜的数字：')) if ni > n: print('大了') continue elif ni < n: print('小了') continue else: print('猜对了') break ``` 博士，不准看我的代码，我已经运行起来了，你来猜一猜吧。 博士：好，我来猜一下： ``` 输入猜的数字：50 小了 输入猜的数字：75 大了 输入猜的数字：63 小了 输入猜的数字：69 大了 输入猜的数字：66 大了 输入猜的数字：65 猜对了 ``` 小墨：你怎么猜这么快？ 墨博士：其实我还可以更快，因为我看到你代码中的n=65了。 小墨：…… 墨博士：哈哈，你看这个游戏，如果事先已经知道了要猜的数字，就毫无可玩性了。如果我们的程序每次运行能自己生成一个随机的数字，连程序的编写者都不知道会是什么的一个数字就好了。 小墨：这样就不能作弊了。那该如何实现呢？ 墨博士：这个用random模块来解决。 ## 4.8 random 墨博士：在python中，一个.py文件就是一个模块，可以看作一堆功能的整体。random模块用来生成随机数。这是Python官方给我们提供的，方便我们编写代码。 小墨：官方还真是周到啊，不光提供给了我们很多函数，还提供给了我们很多模块。 墨博士：是的。函数包含在模块中，一个模块由很多的函数（和其他的东西）组成，一个函数是一个功能，所以说它是一堆功能的整体。 小墨，你来新建一个Python文件，输入以下代码： ``` import random print(random.randint(0, 1)) ``` 注意保存的时候不要把自己新建的这个Python文件起名叫random，会和官方提供的random模块冲突。 **多次**运行，看看程序会输出什么？ 小墨：有时候输出0，有时候输出1，这就是随机吧。 墨博士：嗯第1句import random用于将random模块引入进来，为什么需要引入呢？我用你的课桌来说一下。你看现在你课桌上只有笔记本、水杯和你的仙人球，为什么你不把书包、文具盒、雨伞之类的全放你课桌上，而是把这些东西放在了旁边的架子上呢？ # [插画：小墨的书桌，书桌上有电脑、水杯和仙人球，书桌旁边有饮水机等] 小墨：都放课桌上也放不下呀，即使放的下也乱七八糟的。 墨博士：Python中对于函数的设计也是这样的，它把最常用的放在你手边，你直接就可以用，比如print()函数，str()函数等，而把不常用的放在了另外的模块中搁在了其他的地方，如果你想使用，需要先使用import把模块引入进来，就像你想拿文具盒中的铅笔时才会把文具盒拿过来一样。 小墨：哦我懂了，常用的放手边直接就能用，不常用的放一边先拿过来再用。 墨博士：是这个意思。再来看第2行，print后面括号中的内容是random.randint(0, 1)，前面的random就是我们引入的模块，想使用模块中的函数，需要使用模块后跟点.，点后面的randint就是函数了。 小墨：这个函数和range一样，可以写两个数进去呢。 墨博士：是的，random.randint(a,b)函数会**随机**得到数字 n ，n 为 a 到 b 之间的数字（a <= n <= b），包含 a 和 b本身。这里我们传入0,1就表示，就随机得到0或者1了。 小墨：哦，我明白了，我使用这个random模块把我的程序给改造改造。 墨博士：注意把import那句放到最前面，先引进来，再使用，就像先把文具盒拿过来，再取出其中的铅笔用一个道理。 小墨：知道啦。代码如下： ``` import random n = random.randint(0, 100) while True: ni = int(input('输入猜的数字：')) if ni > n: print('大了') continue elif ni < n: print('小了') continue else: print('猜对了') break ``` 改好了博士，这次你再来猜一猜吧。 博士：好，我来猜一猜： ``` 输入猜的数字：50 小了 输入猜的数字：75 小了 输入猜的数字：88 大了 输入猜的数字：82 大了 输入猜的数字：78 大了 输入猜的数字：76 小了 输入猜的数字：77 猜对了 ``` 小墨：猜的还是挺快的嘛！我要再研究研究，做出一款更好玩的猜数字游戏出来。 ## 4.9 本章小结 墨博士总结：关于循环结构到这里就结束了。 在本章中，你首先学习了两种循环结构的用法，并使用循环完成了100内数字的累加。程序如下： ``` sum = 0 for x in range(60, 81): sum += x print(sum) ``` 这个程序运行结果没问题，但还是有两个地方需要我们注意： 一个就是这个sum，在某些IDE下可能会报警告，这是因为Python中有个自带的sum，他们重名了。所以最好改一下名字，比如叫my_sum 第二个问题是关于变量的，变量需要先初始化才能使用，比如 ``` my_sum print(my_sum) ``` 运行就会报错： ``` NameError: name 'my_sum' is not defined ``` 所以这么这里给sum指定了个0，这个称为变量的初始化。 除了两种循环结构，你还学习了循环条件永远被满足时的特殊循环：死循环，以及break和continue在循环语句中的使用。最后我们一起做了个猜数字的游戏，这个游戏中除了用到了我们学习到的分支结构和循环结构，还用到了random模块去生成随机数，这是很多程序，尤其是游戏中经常会用到的一点。