我们在写程序的时候,极有可能遇到需要重复执行某条指令或某些指令的场景,例如我们需要每隔1秒钟在屏幕上输出一次“hello, world”并持续输出一个小时。如下所示的代码可以完成一次这样的操作,如果要持续输出一个小时,我们就需要把这段代码写3600遍,你愿意这么做吗?
import time
print('hello, world')
time.sleep(1)
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说明:Python 内置
time
模块的sleep
函数可以实现程序的休眠,参数1
表示休眠的秒数,可以使用int
或float
类型,例如0.05
表示50
毫秒。
为了应对上述场景,我们可以在 Python 程序中使用循环结构。所谓循环结构,就是程序中控制某条或某些指令重复执行的结构。有了这样的结构,刚才的代码就不需要写3600遍,而是写一遍然后放到循环结构中重复3600次。在 Python 语言中构造循环结构有两种做法,一种是for-in
循环,另一种是while
循环。
如果明确知道循环执行的次数,我们推荐使用for-in
循环,例如上面说的那个重复3600次的场景,我们可以用下面的代码来实现。 注意,被for-in
循环控制的代码块也是通过缩进的方式来构造,这一点跟分支结构中构造代码块的做法是一样的。我们被for-in
循环控制的代码块称为循环体,通常循环体中的语句会根据循环的设定被重复执行。
"""
每隔1秒输出一次“hello, world”,持续1小时
Author: 骆昊
Version: 1.0
"""
import time
for i in range(3600):
print('hello, world')
time.sleep(1)
复制代码
需要说明的是,上面代码中的range(3600)
可以构造出一个从0
到3599
的范围,当我们把这样一个范围放到for-in
循环中,就可以通过前面的循环变量i
依次取出从0
到3599
的整数,这就让for-in
代码块中的语句可以重复3600次。当然,range
的用法非常灵活,下面的清单给出了使用range
函数的例子:
range(101)
:可以用来产生0
到100
范围的整数,需要注意的是取不到101
。range(1, 101)
:可以用来产生1
到100
范围的整数,相当于是左闭右开的设定,即[1, 101)
。range(1, 101, 2)
:可以用来产生1
到100
的奇数,其中2
是步长(跨度),即每次递增的值,101
取不到。range(100, 0, -2)
:可以用来产生100
到1
的偶数,其中-2
是步长(跨度),即每次递减的值,0
取不到。大家可能已经注意到了,上面的输出和休眠操作都没有用到循环变量i
,对于不需要用到循环变量的for-in
循环结构,按照 Python 的编程惯例,我们通常把循环变量命名为_
,修改后的代码如下所示。虽然结果没什么变化,但是这样写显得你更专业。
"""
每隔1秒输出一次“hello, world”,持续1小时
Author: 骆昊
Version: 1.1
"""
import time
for _ in range(3600):
print('hello, world')
time.sleep(1)
复制代码
上面的代码要执行一个小时,如果想提前结束程序,在 PyCharm 中可以点击运行窗口上的停止按钮,如下图所示。如果在命令提示符或终端中运行代码,可以使用组合键ctrl+c
来终止程序。
下面,我们用for-in
循环实现从1到100的整数求和,即∑n=1100n∑n=1100n。
"""
从1到100的整数求和
Version: 1.0
Author: 骆昊
"""
total = 0
for i in range(1, 101):
total += i
print(total)
复制代码
上面的代码中,变量total
的作用是保存累加的结果。在循环的过程中,循环变量i
的值会从1
一直取到100
。对于变量i
的每个取值,我们都执行了total += i
,它相当于total = total + i
,这条语句实现了累加操作。所以,当循环结束,我们输出变量total
的值,它的值就是从1
累加到100
的结果5050
。注意,print(total)
这条语句前是没有缩进的,它不受for-in
循环的控制,不会重复执行。
我们再来写一个从1到100偶数求和的代码,如下所示。
"""
从1到100的偶数求和
Version: 1.0
Author: 骆昊
"""
total = 0
for i in range(1, 101):
if i % 2 == 0:
total += i
print(total)
复制代码
说明:上面的
for-in
循环中我们使用了分支结构来判断循环变量i
是不是偶数。
我们也可以修改range
函数的参数,将起始值和跨度修改为2
,用更为简单的代码实现从1到100的偶数求和。
"""
从1到100的偶数求和
Version: 1.1
Author: 骆昊
"""
total = 0
for i in range(2, 101, 2):
total += i
print(total)
复制代码
当然, 更为简单的办法是使用 Python 内置的sum
函数求和,这样我们连循环结构都省掉了。
"""
从1到100的偶数求和
Version: 1.2
Author: 骆昊
"""
print(sum(range(2, 101, 2)))
复制代码
如果要构造循环结构但是又不能确定循环重复的次数,我们推荐使用while
循环。while
循环通过布尔值或能产生布尔值的表达式来控制循环,当布尔值或表达式的值为True
时,循环体(while
语句下方保持相同缩进的代码块)中的语句就会被重复执行,当表达式的值为False
时,结束循环。
下面我们用while
循环来实现从1到100的整数求和,代码如下所示。
"""
从1到100的整数求和
Version: 1.1
Author: 骆昊
"""
total = 0
i = 1
while i <= 100:
total += i
i += 1
print(total)
复制代码
相较于for-in
循环,上面的代码我们在循环开始前增加了一个变量i
,我们使用这个变量来控制循环,所以while
后面给出了i <= 100
的条件。在while
的循环体中,我们除了做累加,还需要让变量i
的值递增,所以我们添加了i += 1
这条语句,这样i
的值就会依次取到1
、2
、3
、……,直到101
。当i
变成101
时,while
循环的条件不再成立,代码会离开while
循环,此时我们输出变量total
的值,它就是从1
到100
求和的结果5050
。
如果要实现从1到100的偶数求和,我们可以对上面的代码稍作修改。
"""
从1到100的偶数求和
Version: 1.3
Author: 骆昊
"""
total = 0
i = 2
while i <= 100:
total += i
i += 2
print(total)
复制代码
我们再来看一个极端的场景,把while
循环的条件直接设置为布尔值True
,还是从1到100的偶数求和。
"""
从1到100的偶数求和
Version: 1.4
Author: 骆昊
"""
total = 0
i = 2
while True:
total += i
i += 2
if i > 100:
break
print(total)
复制代码
上面的代码中使用while True
构造了一个条件恒成立的循环,也就意味着如果不做特殊处理,循环是不会结束的,这也就是常说的“死循环”。为了在i
的值超过100
后让循环停下来,我们使用了break
关键字,它的作用是终止循环结构的执行。需要注意的是,break
只能终止它所在的那个循环,这一点在使用嵌套循环结构时需要引起注意,后面我们会讲到什么是嵌套的循环结构。除了break
之外,还有另一个在循环结构中可以使用的关键字continue
,它可以用来放弃本次循环后续的代码直接让循环进入下一轮,代码如下所示。
"""
从1到100的偶数求和
Version: 1.5
Author: 骆昊
"""
total = 0
for i in range(1, 101):
if i % 2 != 0:
continue
total += i
print(total)
复制代码
说明:上面的代码使用
continue
关键字跳过了i
是奇数的情况,只有在i
是偶数的前提下,才会执行到total += i
。
和分支结构一样,循环结构也是可以嵌套的,也就是说在循环结构中还可以构造循环结构。下面的例子演示了如何通过嵌套的循环来输出一个乘法口诀表(九九表)。
"""
打印乘法口诀表
Version: 1.0
Author: 骆昊
"""
for i in range(1, 10):
for j in range(1, i + 1):
print(f'{i}×{j}={i * j}', end='\t')
print()
复制代码
上面的代码中,for-in
循环的循环体中又用到了for-in
循环,外面的循环用来控制产生i
行的输出,而里面的循环则用来控制在一行中输出j
列。显然,里面的for-in
循环的输出就是乘法口诀表中的一整行。所以在里面的循环完成时,我们用了一个print()
来实现换行的效果,最后的输出如下所示。
1×1=1
2×1=2 2×2=4
3×1=3 3×2=6 3×3=9
4×1=4 4×2=8 4×3=12 4×4=16
5×1=5 5×2=10 5×3=15 5×4=20 5×5=25
6×1=6 6×2=12 6×3=18 6×4=24 6×5=30 6×6=36
7×1=7 7×2=14 7×3=21 7×4=28 7×5=35 7×6=42 7×7=49
8×1=8 8×2=16 8×3=24 8×4=32 8×5=40 8×6=48 8×7=56 8×8=64
9×1=9 9×2=18 9×3=27 9×4=36 9×5=45 9×6=54 9×7=63 9×8=72 9×9=81
复制代码
要求:输入一个大于1的正整数,判断它是不是素数。
提示:素数指的是只能被1和自身整除的大于1的整数。例如对于正整数
n
,我们可以通过在2
到n-1
之间寻找有没有n
的因子,来判断它到底是不是一个素数。当然,循环不用从2
开始到n-1
结束,因为对于大于1的正整数,因子应该都是成对出现的,所以循环到nn
就可以结束了。
"""
输入一个大于1的正整数判断它是不是素数
Version: 1.0
Author: 骆昊
"""
num = int(input('请输入一个正整数: '))
end = int(num ** 0.5)
is_prime = True
for i in range(2, end + 1):
if num % i == 0:
is_prime = False
break
if is_prime:
print(f'{num}是素数')
else:
print(f'{num}不是素数')
复制代码
说明:上面的代码中我们用了布尔型的变量
is_prime
,我们先将它赋值为True
,假设num
是一个素数;接下来,我们在2
到num ** 0.5
的范围寻找num
的因子,如果找到了num
的因子,那么它一定不是素数,此时我们将is_prime
赋值为False
,同时使用break
关键字终止循环结构;最后,我们根据is_prime
的值是True
还是False
来给出不同的输出。
要求:输入两个大于0
的正整数,求两个数的最大公约数。
提示:两个数的最大公约数是两个数的公共因子中最大的那个数。
"""
输入两个正整数计算它们的最大公约数和最小公倍数
Version: 1.0
Author: 骆昊
"""
x = int(input('x = '))
y = int(input('y = '))
for i in range(x, 0, -1):
if x % i == 0 and y % i == 0:
print(f'最大公约数: {i}')
break
复制代码
说明:上面代码中
for-in
循环的循环变量值是从大到小的,这样我们找到的能够同时整除x
和y
的因子i
,就是x
和y
的最大公约数,此时我们用break
终止循环。如果x
和y
互质,那么循环会执行到i
变成1
,因为1
是所有正整数的因子,此时x
和y
的最大公约数就是1
。
用上面代码的找最大公约数在执行效率是有问题的。假如x
的值是999999999998
,y
的值是999999999999
,很显然两个数是互质的,最大公约数为1
。但是我们使用上面的代码,循环会重复999999999998
次,这通常是难以接受的。我们可以使用欧几里得算法(辗转相除法)来找最大公约数,它能帮我们更快的得到想要的结果,代码如下所示。
"""
输入两个正整数计算它们的最大公约数
Version: 1.1
Author: 骆昊
"""
x = int(input('x = '))
y = int(input('y = '))
while y % x != 0:
x, y = y % x, x
print(f'最大公约数: {x}')
复制代码
说明:解决问题的方法和步骤可以称之为算法,对于同一个问题,我们可以设计出不同的算法,不同的算法在存储空间的占用和执行效率上都会存在差别,而这些差别就代表了算法的优劣。大家可以对比上面的两段待会,体会一下为什么我们说欧几里得算法是更好的选择。上面的代码中
x, y = y % x, x
语句表示将y % x
的值赋给x
,将x
原来的值赋给y
。
要求:计算机出一个1
到100
之间的随机数,玩家输入自己猜的数字,计算机给出对应的提示信息“大一点”、“小一点”或“猜对了”,如果玩家猜中了数字,计算机提示用户一共猜了多少次,游戏结束,否则游戏继续。
"""
猜数字小游戏
Version: 1.0
Author: 骆昊
"""
import random
answer = random.randrange(1, 101)
counter = 0
while True:
counter += 1
num = int(input('请输入: '))
if num < answer:
print('大一点.')
elif num > answer:
print('小一点.')
else:
print('猜对了.')
break
print(f'你一共猜了{counter}次.')
复制代码
说明:上面的代码使用
import random
导入了 Python 标准库的random
模块,该模块的randrange
函数帮助我们生成了1
到100
范围的随机数。变量counter
用来记录循环执行的次数,也就是用户一共做出了几次猜测,每循环一次counter
的值都会加1
。
学会了 Python 中的分支结构和循环结构,我们就可以解决很多实际的问题了。通过这节课的学习,大家应该已经知道了可以用for
和while
关键字来构造循环结构。如果事先知道循环结构重复的次数,我们通常使用for
循环;如果循环结构的重复次数不能确定,可以用while
循环。此外,我们可以在循环结构中使用break
终止循环,也可以在循环结构中使用continue
关键字让循环结构直接进入下一轮次。