Python基础之控制结构

0. 学习目标

Python 是简洁、易学、面向对象的编程语言。它不仅拥有强大的原生数据类型，也提供了简单易用的控制语句。在《Python基础教程》的系列博文中，我们已经介绍了 Python 中的内置原生数据类型，并且也了解了程序如何利用输入、输出语句与用户进行交互。本节的主要目标是介绍 Python 的控制语句，为接下来的学习奠定基础，本文会完整的介绍学习数据结构和算法所需的 Python 基础知识及基本思想，并给出相应的实战示例及解释。

• 理解并掌握 Python 条件语句与循环语句
• 掌握 Python 条件语句与循环语句的复杂嵌套以及列表解析式

1. 代码块与缩进

代码块是一组语句，Python 中用于定义代码块的语法对于所有控制结构来说是相同的，可用于满足条件时执行代码( if 语句)，也可用于代码多次执行(循环)等。代码块是通过缩进代码(可以使用空格或制表符)来创建的。在Python中，使用冒号 (:) 指出接下来是一个代码块，在同一个代码块中，各行代码的缩进量(一般每级缩进 4 个空格)必须相同：

if condition is True:
    print('this is a block')
    print('another line of this block')
print('escaped the previous block')

在指定函数体和类体时，代码块的原则同样适用。

2. 条件语句

以上示例语句都是逐条执行的，但实际应用中让程序选择执行特定的语句块是必备的。这时布尔类型就派上用场了。
用作布尔表达式时，标准值 False 和 None、数值 0、空序列(如空字符串、空元组和空字典等)都被视为假，而其他值均被视为真。这意味着任何 Python 值都可解释为真值，但 True 和 False 为标准真值。在 C 语言中，标准真值为 0 (表示假)和 1 (表示真)。实际上，True 和 False 是 0 和 1 的别名，其作用是完全相同的：

>>> bool('')
False
>>> bool([0])
True
>>> bool('Hello world')
True
>>> True == 1
True
>>> True + 2
3

程序运行时，Python 会在需要时自动将任意值转换为布尔值，而无需显式地进行转换：

# test_bool.py
string_test = 'Hello world'
if string_test:
    print('Automatic conversion ')

以上脚本执行结果如下，表明 Python 执行了自动转换：

Automatic conversion

需要注意的是，虽然值转换为真值后可能相等，例如 bool({}) == bool([]) == False，但本身它们并不相等，即 {} != []：

>>> bool({
     }) == bool([])
True
>>> {
     } == []
False

2.1 if 语句

条件语句(也称 if 语句)能够有条件地执行代码，如果条件( if 和冒号之间的表达式)为真，就执行后续代码块；如果条件为假，就不执行：

if flag == True:
    flag = False
print(flag)

上示 if 语句也称单路分支结构，如果 flag 为 True，则将其变为 False，再打印 flag 值。还有另一种条件结构称为二元分支(也称 if...else 语句)：

answer = input('Please enter your answer: ')
if answer == 'A':
    print('Right!')
else:
    print('Error!')

在上述例子中，Python 会检查用户输入答案，如果输入为 A，则打印 “Right!”，否则，会执行else 分支打印 “Error!”。
要检查多个条件，可使用 elif，elif 是 else if 的缩写，可以将其理解为包含条件的 else 子句：

num = int(input('Please enter a number: ')) 
if num > 0: 
    print('The number is positive') 
elif num < 0: 
    print('The number is negative') 
else: 
    print('The number is zero') 

需要注意的是，在使用 elif 时，最后的 else 是必需的，它用来在所有分支条件都不满足的情况下提供默认分支。
上述三种条件结构可以用以下流程图表示：

综上，我们可以总结出 Python 中，条件语句的最一般形式：

if first_condition:
    first_block
elif second_condition:
    second_block
elif third_condition:
    third_block
else:
    fourth_block

每个条件都是一个布尔表达式，每个代码块包含一个或多个满足条件时要执行的语句。如果第一个条件为真，则执行第一个代码块，而不会评估其他条件。如果第一个条件失败，则继续判断第二个条件，以此类推。if 语句可以包括任意数量的 elif 子句 (也可以为 0 个)，最后一个 else 子句是可选的。

2.2 if 语句的嵌套

条件结构支持嵌套，即在 if 语句中调用任意数量的 if 语句：

if alcohol < 20:
    print('Does not constitute drinking behavior!')
else:
    if alcohol > 80:
        print('Already meet drinking and driving standards!')
    else:
        print('Has reached the standard for drunk driving!')

上述程序所表达的逻辑可以用流程图表示：

2.3 断言

为了让程序在错误条件出现时立即中止，Python 还提供了类似 if 语句的关键字：assert，使用此关键字可以要求某些条件必须得到满足。assert 语句类似检查点，当我们知道程序的执行必须满足特定条件，才能正确地运行时，使用assert 语句可以及时终止程序运行，类似网站注册时邮箱格式正确性的检查：

>>> mail_1 = '[email protected]'
>>> assert mail_1.endswith('.com')
>>> mail_2 = '[email protected]'
>>> assert mail_2.endswith('.com')
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in <module>
AssertionError

为了说明程序终止的原因，可以在 assert 语句后添加说明字符串：

>>> assert mail_2.endswith('.com'),' Email must end with .com '
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in <module>
AssertionError:  Email must end with .com

3. 循环

我们已经学习了如何在条件为真(或假)时执行代码块，但如何重复操作代码块多次呢？例如，打印 1—100 内的所有的偶数。我们当然可以写出 50 行 print 语句，但如果是这样，我们就不需要 Python 了。
Python 提供了两种不同的循环结构。while 循环允许对布尔条件进行重复测试，直到条件不能得到满足。for 循环提供了遍历序列的迭代(例如字符串的字符、列表的元素或给定范围内的数字等)。

3.1 while 循环

while 语句会在给定条件为真时重复执行代码块。例如，在下面的示例中，变量 number 被初始化为 0，并且在 while 循环中，它每迭代一次就递增 1，每次执行循环体前，首先进行条件判断，因此直到 number 等于 5 时结束循环：

number = 0
while number < 5:
    print('A total of {} time(s)'.format(number))
    number += 1

程序运行结果如下：

A total of 0 time(s)
A total of 1 time(s)
A total of 2 time(s)
A total of 3 time(s)
A total of 4 time(s)

3.2 for 循环

while 语句可用于在条件为真时反复执行代码块，但有时候我们可能需要为序列中每个元素执行代码块。
为了介绍 for 循环，我们首先要了解可迭代对象，可迭代对象是可使用 for 循环进行遍历的对象，对于现阶段，我们可以只需将可迭代对象视为序列即可。
for 语句可以用于遍历一个序列中的每个元素：

fruits = ['apple', 'orange', 'banana', 'lemon']
for fruit in fruits:
    print(fruit)

for 语句将列表 fruits 中的每一个值依次赋给变量 fruit。然后，代码块就会被执行。for 语句的常见用法是在一定的值范围内进行有限次数的迭代。
我们已经在介绍数据类型 list 时，简单的介绍过内置函数 range 用于创建范围，range 语法类似于切片，包含起始位置，但不包含结束位置。实际上，如果只提供了一个位置，将把这个位置视为结束位置，而起始位置为 0。同时也可以为 range 函数提供步长参数，在范围内每隔若个元素提取一个元素：

for i in range(0, 10, 2):
    print('The square of {} equals {}'.format(i, i**2))

程序的输出结果如下：

The square of 0 equals 0
The square of 2 equals 4
The square of 4 equals 16
The square of 6 equals 36
The square of 8 equals 64

使用 for 循环还可以遍历字典，默认情况下，是遍历字典的键，如果需要遍历所有的值或键-值对，就需要用到字典的 values 和 items 方法了：

fruits = {
     'apple': 5.0, 'orange': 3.5, 'banana': 4.0}
for k in fruits:
    print(k, 'corresponds to', fruits[k])

上示代码等价于：

fruits = {
     'apple': 5.0, 'orange': 3.5, 'banana': 4.0}
for k, v in fruits.items():
    print(k, 'corresponds to', v)

3.3 中断循环

通常，循环会不断地执行代码块，直到条件为假或迭代完序列中的所有元素。但有时，我们可能需要开始新迭代(跳到下一次迭代开头，并不结束循环)或直接结束循环。
break
要结束循环，可使用 break，假设要找到最大的三位水仙花数(每个位上的数字的 3 次幂之和等于它本身的三位数)，可以从 999 开始向下迭代，找到一个水仙花数后，无需继续迭代，直接跳出循环：

for i in range(999, 99, -1):
    b = i % 10
    t = (i // 10) % 10
    h = i // 100
    if b ** 3 + t ** 3 + h ** 3 == i:
        print(i)
        break

运行此程序，将在打印 407 后结束，在上述示例中，可以看到通过将 range 的步长设置为负数，让 range 反向迭代。
常规的 while 循环会在循环开头时进行判断用来结束循环，但有时我们想要循环在循环体中结束，这时就需要用到 while True/break 语法了，使用 while True 可以使循环永不结束，然后在循环体内使用 if 语句，当 if 语句的条件得到满足时调用 break 结束循环，例如在登陆界面中，只有用户输入了正确的用户名才能进行下一步操作：

users = ['root', 'admin', 'user_1']
while True:
    user = input('Please enter your name: ')
    if user in users:
        break
    print('User does not exist!')
print('The user name is correct!')

continue
当指定语句 continue 时，它结束当前迭代，并跳到下一次迭代开头。这基本上意味着跳过循环体中余下的语句，但不结束循环，例如计算所有水仙花数，如果使用语句 continue，则可以写为：

for i in range(100, 1000):
    b = i % 10
    t = (i // 10) % 10
    h = i // 100
    if b ** 3 + t ** 3 + h ** 3 != i:
        continue
    print(i)

程序输出结果如下：

153
370
371
407

4. 控制语句综合嵌套

控制语句可以进行复杂的综合嵌套，可以通过打印九九乘法表来综合使用控制语句：

for i in range(1, 10):
    for j in range(1, 10):
        if i > j:
            print('{} * {} = {}'.format(i, j, i*j), end = '\t')
        elif i == j:
            print('{} * {} = {}'.format(i, j, i*j))
        else:
            continue

5. 列表解析式

列表推导是利用列表创建新列表的方式，列表推导的工作原理类似于 for 循环：

>>> [i**2 for i in range(10)]
[0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]

在列表推导中也可以进行嵌套，例如添加更多的 for 循环和 if 语句：

>>> [[i, j] for i in range(10) for j in range(10) if i % 3 == 0 and j % 4 == 0]
[[0, 0], [0, 4], [0, 8], [3, 0], [3, 4], [3, 8], [6, 0], [6, 4], [6, 8], [9, 0], [9, 4], [9, 8]]

等价于：

new_list = []
for i in range(10):
    for j in range(1):
        if i % 3 == 0 and j % 4 == 0:
            new_list.append([i, j])

除了列表推导式外，还可以使用花括号来执行字典推导：

>>> print({
     i: i**3 for i in range(10)})
{
     0: 0, 1: 1, 2: 8, 3: 27, 4: 64, 5: 125, 6: 216, 7: 343, 8: 512, 9: 729}

Python基础相关链接

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