3.4.2 while 循环 · 程序设计思想与方法

### 3.4.2 while 循环 for 循环要求预先确定循环的次数，但有很多问题难以预先确定循环次数，只知道在什么条件下需要循环，这时可以使用 while 语句。Python 语言中 while 语句的常用格式是： ``` while <布尔表达式>: <循环体> ``` 其语义是：当布尔表达式计算为 True 时，执行一遍循环体，执行完毕控制转回 while 语句的开始处重新测试布尔表达式；当布尔表达式计算为 False 时，控制转向下一条语句。注意，循环体部分相对于 while 部分要左缩进。while 语句的流程图如图 3.9 所示。 ![](https://box.kancloud.cn/2016-02-22_56cafcde1ae46.png) 图 3.9 while 循环的流程图显然，while 语句的循环次数取决于布尔表达式何时变成 False，而不是预先确定循环次数。稍微深入思考一下就会发现一个问题：万一布尔表达式永远不会变成 False 怎么办？如果进入循环语句时布尔表达式计算为 True，而循环体又不会影响布尔表达式的值，那么执行完循环体后控制回到循环入口处时，布尔表达式仍然为 True。这种情况下 while 循环永远不会停下来，称为无穷循环。程序中如果有一个无穷循环就意味着程序无法终止，我们常说程序进入了“死循环”，这是程序设计中经常出现的错误。要想避免无穷循环，必须使循环体对布尔表达式的值产生影响，例如改变布尔表达式中所用到的变量的值。在实际编程中，while 循环有一些常用的套路或称模式，值得读者熟记于心。下面通过“对一批数据求和”的例子来介绍这些循环模式。交互式循环考虑这样的应用：用户不断输入数据，程序得到数据后不断累加，最后算出输入数据的总和。显然，这是一个“输入——累加”的反复循环的过程。由于用户输入数据的个数不是预先给定的，故无法用 for 循环来实现，而 while 语句则能轻松解决这个问题。为了对循环进行控制，我们每次循环前都询问用户是否还有新数据。这种通过与用户进行交互来决定是否需要循环的模式称为交互式循环，可以用伪代码表达如下： ``` 将循环控制变量 moredata 初始化为"yes" while moredata 值为"yes": 获得用户输入的下一个数据处理该数据询问用户是否还有输入数据，为变量 moredata 赋值 ``` 下面是利用交互式循环实现的完整程序。【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 ``` 下面是这个程序的执行情况： ``` 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 ``` 要说明的是，这个程序通过检查 moredata[0]来控制是否循环，因此只要用户输入的首字母是"y"就能进入循环体执行，而任何非 y 开头的输入都导致停止循环。此版本有个不好的地方：用户需要不停地先回答是否还有数据，有的话再输入数据。这对用户来说有点烦琐。也就是说，交互式循环其实并不适合“输入 n 个数据求和”的问题。哨兵循环解决“输入数据求和”问题的更好方法是使用哨兵循环，即不断执行“输入——累加” 这个循环体，直至遇到一个称为“哨兵”的特殊数据值。任何值都可以当作哨兵，关键是它必须与正常数据值相互区别。哨兵循环的一般模式如下： ``` 前导输入 while 不是哨兵：处理数据循环尾输入 ``` 首先，在循环开始之前需要利用“前导输入”获取第一个数据。如果该数据是哨兵，则不会进入循环，控制转向 while 的下一条语句；如果是正常数据，则进入循环处理之。在循环体的末尾读取下一个数据，并转到循环开始处的哨兵测试。如此周而复始，直至遇见哨兵循环才终止。注意，哨兵循环用到了两条一模一样的输入语句：一条是位于循环体之前的“前导输入”，另一条是位于循环体末尾的“循环尾输入”。这两条输入语句缺一不可：少了前导输入则无法进入循环；少了循环尾输入则无法读取下一数据，从而循环一直在对第一个数据进行处理，导致无穷循环。使用哨兵循环，需要选择一个特殊数据作为哨兵。这个特殊数据一般和正常数据属于同样的类型，以便能被 while 语句统一检测。如果哨兵数据和正常数据属于不同类型，那么 while 语句的条件表达式就会变复杂，因为需要处理两种类型的数据。具体选择什么数据作为哨兵，要看具体的应用场景。例如，假设我们输入的数据是考试成绩（非负数），那么可以选－1 作为哨兵，因为负数是不可能成为合法考试成绩的。又假如我们输入的数据是人名（字符串），那么可以选空串作为哨兵。一个很常用的场景是文件处理，即输入的数据来自一个文件，这时可以很自然地在文件末尾存放一个特殊数据作为哨兵，很多语言甚至提供专门的测试文件尾的手段（如常量 EOF①或函数 eof()之类）。关于文件处理详见第 6 章。下面我们用哨兵循环来实现求和程序。【程序 3.11】eg3_11.py ``` sum = 0 x = input("Input a number (-1 to quit): ") while x >= 0: sum = sum + x x = input("Input a number (-1 to quit): ") print "The sum is", sum ``` 可见哨兵循环与交互式循环不同，不需要用户不停地回答 yes 来处理数据。下面是此程序的执行情况： ``` 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 中待求和的数据是任意实数的话，那么－1 可能是正常数据，不能作为哨兵。事实上，所有实数都不能作为哨兵。这时可以采用字符串类型来解决问题，因为正常的输入数据（正数、负数和 0）都可以表示为由阿拉伯数字组成的非空字符串，从而包含非数字字符的字符串都可以用作哨兵。最简单最常用的特殊字符串是空字符串""（注意两个引号之间没有东西），当用户在输入时直接键入回车，Python 即返回空串。当然，这种做法中对数据的处理要麻烦一点，需要将字符串转换为数值类型以便进行求和计算。下面是以字符串方式输入数值数据的求和程序版本：【程序 3.12】eg3_12.py ``` sum = 0 x = raw_input("Input a number (<Enter> to quit): ") while x != "": sum = sum + eval(x) x = raw_input("Input a number (<Enter> to quit): ") print "The sum is", sum ``` 执行示例如下： ``` 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 ``` 此运行示例的第四行中，输入时直接按回车键，导致 Python 将空串赋值给了 x，从而使循环终止。 > ① 意为 End-Of-File 在哨兵循环模式中有一个容易犯错误的地方：当用户的前导输入本身就是哨兵，从而导致循环一次也不执行时，while 后面的语句可能没有预料这种情况，导致无法正确执行。例如，我们将程序 3.11 改成计算平均值，算法基本不变：反复输入数据，在循环中累加数据总和 sum 及数据计数 count，当用户输入哨兵－1 时退出循环并计算平均值。代码如下： ``` sum = 0 count = 0 x = input("Input a number (-1 to quit): ") while x >= 0: sum = sum + x count = count + 1 x = input("Input a number (-1 to quit): ") print "The average is", sum / count ``` 运行此程序，并且首先输入－1，看看会发生什么？是的，由于未进入循环，sum 和 count 都保持为初始值 0，while 的下一条语句在计算平均值的时候发生了除数为 0 的错误！后测试循环前面介绍的 while 循环例子都是“前测试”循环，即先检测循环条件，再进入循环。显然，如果首次测试条件得到 False，则循环体就会一次也不执行。有些实际应用问题要求循环体必须至少执行一次，例如“输入合法性检查”问题。用户输入数据，程序检查用户的输入是否合法：如果合法则程序继续向后执行，否则就回到前面要求用户重新输入，直至输入合法为止。这种输入合法性检查在程序设计中是非常普遍的，好的程序员应该尽量对用户的输入进行合法性检查。为了实现输入合法性检查，显然需要先获得用户的输入，然后进入循环语句，即循环至少会执行一次，最后再测试条件决定是否继续循环。因此，我们需要一种“后测试”循环结构。有一些语言提供了 repeat-until 或者 do-while 循环结构来实现后测试循环，其语义分别是 “重复做某事，直至满足某条件”和“做某事，当满足条件时重复”。这种循环结构的流程图如图 3.10 所示①。 ![](https://box.kancloud.cn/2016-02-22_56cafcde2f9a3.png) 图 3.10 后测试循环控制结构从图中可见循环体至少执行一次，而循环条件检测位于循环体的最后，这正是“后测试”名称的由来。 > ① 细微差别：这个流程图其实是 repeat-until 结构。将 True 和 False 互换位置，才是 do-while 结构。 Python 语言没有提供类似 repeat-until 结构的语句，但我们不难用 while 来实现后测试循环：只要保证循环条件初始为 True，自然就会执行一次循环体，而后续循环由条件测试决定。例如，假设程序要求用户输入一个正数，则可用下面的代码片段来检查输入合法性： ``` x = -1 while x < 0: x = input("Please input a positive number: ") ``` 其中第一行的作用是使首次条件检测为真，因此循环体至少执行一次；接下去的条件检测就相当于位于循环体最后，整个语句也就等价于后测试循环。不难看出，程序 3.10 中的交互式循环将 moredata 初始化为 True，因此实际上是后测试循环的一种，效果是使用户至少输入一个数据。 while 计数器循环虽然一般来说 for 语句用于固定次数的循环，while 语句用于不定次数的循环，但两者之间并无本质不同，完全可以用 while 来实现固定次数的循环。为了循环 n 次，用 while 实现的计数器循环模式如下： ``` 计数器 count 置为 0 while count < n: 处理代码 count ＝ count + 1 ``` 可见，用 while 语句实现计数器循环时需要手动控制循环控制变量 count 的变化，而 for 语句是自动处理的。使用时具体要注意两点：第一，必须为 count 赋初值，否则 while 后的布尔表达式无法计算；第二，必须在循环体中改变 count 的值，否则会导致无穷循环。例如，前面罚写 10 遍“烦”字的计数器循环，可以用 while 语句实现如下： ``` >>> i = 0 >>> while i < 10: print "烦", i = i + 1 烦烦烦烦烦烦烦烦烦烦 ``` 在此例中，i 初值为 0，以后每次循环都加 1，由于从 0 到 9 都是满足循环条件的，所以总共执行 10 次循环。第 10 次循环后，i 值为 10，不满足循环条件，故退出循环，控制转到下一条语句。上面的 while 计数器循环模式是让计数器从小到大变化，同样常用的还有让计数器从大到小变化的模式： ``` 计数器 count 置为 n while count > 0 处理代码 count ＝ count - 1 ``` 使用这种模式实现上面的例子，代码如下： ``` >>> i = 10 >>> while i > 0: print "烦", i = i - 1 烦烦烦烦烦烦烦烦烦烦 ``` 值得一提的是，计算机编程中我们经常是从 0 开始计数的，而不是日常生活中的从 1 开始。上例中的 while 语句都是对从 0 到 9 的 10 个值进行循环。如果读者更习惯从 1 开始计数，也可以先为 count 赋予初值 1，然后在循环体中不断加 1，从而实现对从 1 到 10 的 10 个值进行循环，这样能与日常说的第 1 次、第 2 次、…、第 10 次在序数上对应起来。但是要注意的是，这时需要将循环条件改成 count<=10 或 count<11。循环控制变量的边界值是初学者容易犯错的地方，经常导致循环次数多 1 次或少 1 次。