“笨办法”学Python 3基础篇 - 数据容器与程序结构
“笨办法”学Python 3基础篇系列文章
“笨办法”学Python 3基础篇 第一部分-打印与输入
“笨办法”学Python 3基础篇 第二部分-文件操作
“笨办法”学Python 3基础篇 第三部分-函数
“笨办法”学Python 3基础篇 第四部分-数据容器与程序结构
“笨办法”学Python 3基础篇 第五部分-面向对象的类
“笨办法”学Python 3基础篇 第六部分-项目骨架与自动测试
“笨办法”学Python 3基础篇 第七部分-搭建简易的网站
第四部分 数据容器与程序结构
- “笨办法”学Python 3基础篇系列文章
- 前言
- 4.1 程序逻辑结构-分支 if、elif、else
-
- 4.1.1 语法格式
- 4.1.2 让我们来做一个简易口算训练器
-
- 4.1.2.1 随机数 - random用法
- 4.1.2.2 生成随机运算符 - if + else + random
- 4.1.2.3 运算函数
- 4.1.2.4 综合
- 4.2 程序逻辑结构-循环 for 和 while
-
- 4.2.1 for + 列表
- 4.2.2 while + 列表
- 4.2.3 挑战一个更复杂的口算训练器
- 4.3 更复杂的列表操作
- 结语
前言
上个礼拜一直在忙本人学校教学大纲修订的任务，自3月23日至3月30日止，期间耗费了较多精力，因此本来计划的上周要继续总结假期学习内容的博文也来不及写了。昨天又是上课又是开会，回家还得教育孩子，实在是没精力敲打键盘了。今天终于得空，继续进行Python3 假期学习内容的总结。
本篇主要是总结常用的程序逻辑结构-分支和循环，并将分支、循环和数据容器-列表相结合进行总结。
4.1 程序逻辑结构-分支 if、elif、else
在学C语言或者Verilog HDL语言时，进行算法级的描述常用到的逻辑控制结构为分支结构（也叫做条件结构）和循环结构。分支结构用于进行条件的判断，从而根据判断结果做出决定，以 if、elif、else 的使用最常见。循环结构则是用于逻辑的迭代，数据的遍历，以 for、while 的使用最常见。如果我们不想只局限于打印和输入，那么就必然会用到这两个程序逻辑结构来设计更复杂的功能。
4.1.1 语法格式
不同于C语言，在Python3 中分支的基本语法结构为：
分支结构以 if 开头，后接布尔表达式和 ： 号。行尾冒号的作用是告诉Python接下来你要创建一个新代码块，下接的代码块必修进行缩进，以此来告诉Python这些代码处于该段代码快中，与创建函数时相同。根据布尔表达式的真或假，选择运行 if 代码块还是 elif 代码块。如果所有情况都不满足，则执行默认的 else 代码块。
4.1.2 让我们来做一个简易口算训练器
现在，我们可以用分支结构来解决一个简单的问题：
设计一个简易整数口算训练机，提供口算习题并能够判断口算结果是否正确
分析这个问题，这样一个简单的口算训练机，需要实现如下功能：
- 用随机数生成口算的操作数；
- 用随机数和分支结构生成运算符(加法和减法)；
- 用函数求出正确答案；
- 提问与等待解答；
- 分支结构判断口算结果，做出对错决定。
4.1.2.1 随机数 - random用法
为了生成随机数，我们需要import一个叫做 random 的模块，这是一个Python安装时就有的系统模块，不需要额外安装扩展包。然后通过random模块去调用不同的随机数生成方法，常用的为：
- random.random() : 返回生成的一个实数，在[0,1)范围内；
- random.uniform(num1,num2) : 返回生成的一个实数，范围在[num1,num2)之间；
- random.randint(num1,num2): 返回生成的一个整数，范围为num1到num2。
来看这样一段代码：
import random
print(random.random())
print(random.random()*100)
print(random.uniform(100,101))
print(random.randint(0,100))
第一行代码为引入random模块，后面四行代码分别实现生成[0,1)的随机实数、生成[0,100)的随机实数、生成[100, 101)的随机实数、生成0-100的随机整数。在PowerShell运行后，结果为：
4.1.2.2 生成随机运算符 - if + else + random
在掌握了random模块生成随机数的方法后，我们就需要将生成的随机数按照数值大小划分出两个部分，即[0,50)和[50,100)这两个部分。每个部分作为一个判断条件，执行减法函数或加法函数的调用，具体的分支结构（伪代码）为：
if 随机数处于[0,50) :
调用加法函数add
else :
调用减法函数sub
具体的实现代码为
import random
def gen():
op1 = random.randint(0, 100)
op2 = random.randint(0, 100)
op3 = random.random()*100
if op3 < 50:
return add(op1, op2)
elif op3 >= 50 and op1 >= op2:
return sub(op1, op2)
else:
return sub(op2, op1)
在这段代码中，我们通过 gen() 这个函数来负责随机数和随机运算符的生成。op1 和 op2是运算时的两个操作数，通过op3来判断生成加法还是减法。如果op3小于50，则调用加法函数实现 op1 + op2；如果op3大于等于50且op1大于op2，返回sub(op1,op2), 实现 op1 - op2; 否则返回sub(op2, op1), 实现 op2 - op1。
4.1.2.3 运算函数
运用“笨办法”学Python 3基础篇 第三部分-函数
中的设计方法，加法和减法函数功能为：
- print 当前算式
- 等待输入口算结果
- 分支结构判断结果
- print 运算结果
具体的代码为：
from sys import exit
def add(augend, addend):
print(f"{augend} + {addend} = ", end = "")
result = int(input())
if result == augend + addend:
print(f"The result is true.")
exit(0)
else:
print(f"The result is false.")
exit(0)
def sub(augend, subend):
print(f"{augend} - {subend} = ", end = "")
result = int(input())
if result == augend - subend:
print(f"The result is true.")
exit(0)
else:
print(f"The result is false.")
exit(0)
为了计算成功后，能够退出脚本, 我们引入了exit模块。通过使用exit(0)来正常退出程序，回到PowerShell。
4.1.2.4 综合
完成了随机数生成、随机运算符和运算函数后，剩下的就是综合了。综合后的代码为：
from sys import exit
import random
def gen():
op1 = random.randint(0, 100)
op2 = random.randint(0, 100)
op3 = random.random()*100
if op3 < 50:
return add(op1, op2)
elif op3 >= 50 and op1 >= op2:
return sub(op1, op2)
else:
return sub(op2, op1)
def add(augend, addend):
print(f"{augend} + {addend} = ", end = "")
result = int(input())
if result == augend + addend:
print(f"The result is true.")
exit(0)
else:
print(f"The result is false.")
exit(0)
def sub(augend, subend):
print(f"{augend} - {subend} = ", end = "")
result = int(input())
if result == augend - subend:
print(f"The result is true.")
exit(0)
else:
print(f"The result is false.")
exit(0)
print("Welcome! Are you ready to start a math test?")
print("Y/N", end='')
decide = input('> ')
if (decide == 'Y'):
gen()
else:
print("Coward!")
当然，这里少不了用分支结构设计一下对话方式，通过输入Y来执行gen()函数，通过N来输出字符串。运行PowerShell后得到的结果为
4.2 程序逻辑结构-循环 for 和 while
循环结构是另一种常用的逻辑控制结构。常用到的是for和while。
4.2.1 for + 列表
在开始使用for循环之前，我们需要在某个位置存放循环的结果，也就是需要一个数据的容器。最好的方法是使用列表。列表的定义非常简单，以 [ 开头打开列表，然后写下要放入列表的东西，用逗号隔开，就跟函数的参数一样，最后需要用右括号 ] 表明列表结束。例如：
- hairs = [‘brown’, ‘blond’, ‘red’]
如果想要遍历hairs这个列表的所有元素，此时我们就需要用到for循环了。for循环的基本语法结构为：
for 变量 in 序列：
代码
else:
代码
这里的序列可以是列表或者字符串， else后面的是可选项。下面我们来看如何遍历hairs这个列表，并打印出每个元素。代码如下：
hairs = ['brown', 'blond', 'red']
for color in hairs:
print(f"Your hair is {color}!")
for number in range(3):
print(f"My hair is {hairs[number]}, too!")
在这段代码中，第一个for循环将hairs列表中的元素在每次循环时依次赋值给了color，实现了列表元素的遍历。第二个for循环中序列则采用了range(3)函数，实现了0，1，2三个整数的遍历。每遍历一个整数，number变量就赋值为该整数并从hairs列表中切片出对应元素。PowerShell运行结果如图所示。
4.2.2 while + 列表
如果要使用while循环来实现，则首先我们得了解while循环的基本语法结构：
while(布尔条件)：
代码1
else：
代码2
当布尔条件为真时，执行代码1；否则执行else的代码块。当然else是可以省略的。
用while代替for循环来编列hairs列表遇到最主要的问题是需要找出布尔条件。可以采用计数器+列表元素的个数来作为布尔条件实现循环的结束。具体代码如下：
hairs = ['brown', 'blond', 'red']
count = 0
while(count < len(hairs)):
print(f"Her hair is {hairs[count]}!")
count += 1
在该段代码中，定义了一个计数器count，每遍历列表中的一个元素，累计加1。通过len()获得了列表元素的个数。当计数器count等于列表元素个数时跳出循环。PoweShell运行结果为：
4.2.3 挑战一个更复杂的口算训练器
之前我们的口算训练程序每次只能做一次运算。现在我们可以用逻辑循环结构来为口算训练程序添加如下功能：
- 用户可以设置每次训练的口算题数；
- 用循环结构重复生成随机口算式子并计分；
- 打印出最终正确率，并退出程序
具体的实现代码为：
from sys import exit
import random
def gen():
op1 = random.randint(0, 100)
op2 = random.randint(0, 100)
op3 = random.random()*100
if op3 < 50:
return add(op1, op2)
elif op3 >= 50 and op1 >= op2:
return sub(op1, op2)
else:
return sub(op2, op1)
def add(augend, addend):
print(f"{augend} + {addend} = ", end = "")
result = int(input())
if result == augend + addend:
return 1
else:
return 0
def sub(augend, subend):
print(f"{augend} - {subend} = ", end = "")
result = int(input())
if result == augend - subend:
return 1
else:
return 0
print("Welcome! Are you ready to start a math test?")
print("Y/N", end='')
decide = input('> ')
if (decide == 'N'):
print("Coward!")
exit(0)
else:
print("How many exercises do you want to try?", end='')
count = int(input('> '))
score = 0
while count != 0:
score += gen()
count -= 1
print(f"Your final test score is {score}.")
exit(0)
在这段代码中，我们对add()和sub()函数做了稍微的修改，不再让它们打印出每次计算的结果，而是返回1或者是0。在程序控制段，修改了条件分支的顺序，避免了while循环和if条件分支程序块的语法错误。同时，通过count变量实现了口算题的计数，通过while循环实现了正确率score的累计加1。循环结束条件则为计数器递减为0。最后打印出正确率结果并启用exit(0)退出程序。
PoweShell的运行结果为：
4.3 更复杂的列表操作
在4.1和4.2节中，我们已经简单接触到了列表，实现了列表元素的遍历。当然还可以对列表的元素做很多操作, 比如添加和弹出元素等，具体可参考列表list。
接下来，我们将运用列表添加元素来继续解决口算练习器的问题：
用户能够浏览上一次口算训练做错的题目和自己的答案
为了实现这一功能，我们需要创建一个列表mistakes，用来存储错题和正确的答案。然后通过for 循环，遍历mistakes列表中的每个错题，并打印出来。具体的代码为：
from sys import exit
import random
def gen():
op1 = random.randint(0, 100)
op2 = random.randint(0, 100)
op3 = random.random()*100
if op3 < 50:
return add(op1, op2)
elif op3 >= 50 and op1 >= op2:
return sub(op1, op2)
else:
return sub(op2, op1)
def add(augend, addend):
print(f"{augend} + {addend} = ", end = "")
result = int(input())
if result == augend + addend:
return 1
else:
mistakes.append(f'{augend} + {addend} = {result}, the right answer is {augend + addend}' )
return 0
def sub(augend, subend):
print(f"{augend} - {subend} = ", end = "")
result = int(input())
if result == augend - subend:
return 1
else:
mistakes.append(f'{augend} - {subend} = {result}, the right answer is {augend - subend}')
return 0
print("Welcome! Are you ready to start a math test?")
print("Y/N", end='')
decide = input('> ')
if (decide == 'N'):
print("Coward!")
exit(0)
else:
mistakes = []
print("How many exercises do you want to try?", end='')
count = int(input('> '))
success = count
score = 0
while count != 0:
score += gen()
count -= 1
if score == success:
print(f"Congratulations! You got all exercises right!")
exit(0)
else:
print(f"Your final test score is {score}.")
print("Here is your wrong record: ")
for var in mistakes:
print(var)
exit(0)
代码的修改部分主要为定义了一个名为mistakes的空列表，并在add和sub函数中采用了mistakes.append实现了列表元素的添加（默认从列表末尾添加，具体用法可参考列表list）。结果为：
结语
数据容器更重要的一个概念是：字典。这篇文章由于中途有事，又写了两天，没有来得及写字典。后面要加快进度，把字典放在后续总结，并多以案例来总结学到的基本编程理论，这样能更快速的消化。