从零开始学Python第06课：循环结构

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 timeprint('hello, world')
time.sleep(1)

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。

for-in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 timefor i in range(3600):print('hello, world')time.sleep(1)

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 timefor _ in range(3600):print('hello, world')time.sleep(1)

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。
在这里插入图片描述

下面，我们用for-in循环实现从1到100的整数求和，即 $∑n=1100n\small{\sum_{n=1}^{100}n}$ 。

"""
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)

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)

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)

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)))

while循环

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 += ii += 1
print(total)

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 += ii += 2
print(total)

break和continue

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 += ii += 2if i > 100:break
print(total)

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:continuetotal += i
print(total)

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。

嵌套的循环结构

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()

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

循环结构应用举例

例子1：判断素数

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 $n\small{\sqrt{n}}$ 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 = Falsebreak
if is_prime:print(f'{num}是素数')
else:print(f'{num}不是素数')

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。

例子2：最大公约数和最小公倍数

要求：输入两个大于0的正整数，求两个数的最大公约数和最小公倍数。

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；两个数的最小公倍数则是能够同时被两个数整除的最小的那个数。

"""
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'{x}和{y}的最大公约数是{i}')print(f'{x}和{y}的最小公倍数是{x * y // i}')break

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，而x * y // i就是最小公倍数，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，而最小公倍数就是x * y。

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}')

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。

例子3：猜数字小游戏

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 randomanswer = random.randrange(1, 101)
counter = 0
while True:counter += 1num = 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.')

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。

总结

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。