06.循环结构

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)

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。关于函数和模块的知识，我们在后续的课程中会为大家讲解。

为了应对上述场景中的问题，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

Version: 1.0
"""
import time

for 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，这就会让for-in代码块中的语句重复 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，上面代码的输出操作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加专业，逼格瞬间拉满。

"""
每隔1秒输出一次“hello, world”，持续1小时


Version: 1.1
"""
import time

for _ 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。

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

"""
从1到100的整数求和

Version: 1.0

"""
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

"""
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

"""
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

"""
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

"""
total = 0
i = 1
while i <= 100:
    total += i
    i += 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

"""
total = 0
i = 2
while i <= 100:
    total += i
    i += 2
print(total)

break和continue

如果把while循环的条件设置为True，即让条件恒成立会怎么样呢？我们看看下面的代码，还是使用while构造循环结构，计算 1 到 100 的偶数和。

"""
从1到100的偶数求和

Version: 1.4

"""
total = 0
i = 2
while True:
    total += i
    i += 2
    if 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，这就是我们常说的“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

"""
total = 0
for i in range(1, 101):
    if i % 2 != 0:
        continue
    total += 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

"""
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，让下面的输出重新另起一行，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

循环结构的应用

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 $\small{n}$，我们可以通过在 2 到 $\small{n - 1}$ 之间寻找有没有 $\small{n}$ 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 $\small{n - 1}$ 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 $\small{\sqrt{n}}$ 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

"""
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')

说明：上面的代码中我们用了布尔型的变量isprime，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isprime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

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。

"""
输入两个正整数求它们的最大公约数

Version: 1.0

"""
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

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。

"""
输入两个正整数求它们的最大公约数

Version: 1.1

"""
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

"""
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.')

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（不包括 100）。变量counter用来记录循环执行的次数，也就是用户一共猜了几次，每循环一次counter的值都会加 1。

知识点总结

一、循环结构的作用

• 循环结构用于让一条或多条语句重复执行，避免复制粘贴大量相同代码。
• Python 中常用的循环结构有for-in循环和while循环。
• 循环体是循环语句下方保持相同缩进的代码块；循环体中的语句会按照循环条件重复执行。
• 选择循环类型的基本原则：已知循环次数或遍历一个序列时优先使用for-in；重复次数不确定、由条件决定时优先使用while。

二、for-in循环

for 变量 in 可迭代对象:
    循环体

• for-in循环会依次取出可迭代对象中的元素，并让循环变量代表当前元素。
• 初学阶段最常见的可迭代对象是range产生的整数序列，后续也可以直接遍历字符串和列表等序列。
• 当循环体不需要使用循环变量时，按照编程惯例把变量写成，例如for in range(10):。
• 循环结束后，未缩进的语句只执行一次，不属于循环体。

三、range函数

• range(stop)：生成从0开始、到stop - 1结束的整数序列。
• range(start, stop)：生成从start开始、到stop - 1结束的整数序列。
• range(start, stop, step)：按步长step生成整数序列，stop始终取不到。
• step为正数时递增，step为负数时递减；递减时起点必须大于终点，否则通常得不到元素。
• range遵循左闭右开规则，即包含起点、不包含终点。复习时要特别检查终点是否需要写成目标值加1。
• 示例：range(1, 101)表示1到100，range(2, 101, 2)表示1到100中的偶数，range(100, 0, -2)表示100到2的偶数。

四、累加、计数和筛选

• 累加问题通常先设置初始值，例如total = 0，再在循环中使用total += value。
• total += value等价于total = total + value。
• 计数问题通常先设置计数器为0，每满足一次条件就执行counter += 1。
• 筛选问题可以把分支结构放进循环中，只处理满足条件的循环变量，例如利用i % 2 == 0筛选偶数。
• 如果可以直接通过range的起点和步长生成目标数据，应优先缩小循环范围；如果有现成的内置函数，如求和可使用sum，应优先考虑简单清晰的写法。

五、while循环

while 条件:
    循环体

• 当条件为True时执行循环体，执行完一次后重新判断条件；条件为False时结束循环。
• while循环通常需要三个要素：循环开始前的控制变量、循环条件、循环体中能改变控制变量的语句。
• 例如从1加到100时，可以设置i = 1，条件为i <= 100，每轮执行i += 1。
• 使用while实现循环时，必须确保条件最终能够变为False，否则会产生死循环。
• while特别适合猜数字、输入校验、持续处理数据直到满足结束条件等场景。

六、break和continue

• break：立即终止当前所在的循环，执行循环后面的语句。
• continue：跳过本轮循环中剩余的代码，直接进入下一轮判断或迭代。
• while True可以构造一个有明确退出位置的循环，通常需要在合适的条件下使用break结束。
• 在嵌套循环中，break只结束它所在的那一层循环，不会同时结束外层循环。
• 使用continue时要确认循环控制变量仍然能够正常变化；否则在while循环中可能造成死循环。

七、嵌套循环

• 在一个循环体中再编写循环，称为嵌套循环。
• 外层循环通常控制行、批次或第一层对象，内层循环控制列、当前行中的元素或第二层对象。
• 乘法口诀表的典型结构是：外层循环控制第几行，内层循环输出这一行中的各个乘法算式。
• 嵌套循环的缩进必须清晰；内层循环结束后，内层循环外但外层循环内的语句仍会执行。
• 嵌套层数越多，循环次数通常越多，编写时应关注循环范围和执行效率。

八、典型算法和应用

• 判断素数：对一个大于1的数，检查它在2到sqrt(num)范围内是否存在因子；找到因子后可用break提前结束。
• 判断素数时可以使用布尔变量is_prime记录结果：先假设为True，找到因子后改为False，循环结束后再统一输出。
• 最大公约数：简单方法是从较小数开始倒序查找公共因子；更高效的方法是欧几里得算法，通过x, y = y % x, x不断缩小问题规模。
• 猜数字游戏：使用random.randrange(1, 101)生成1到100之间的随机整数，利用while反复输入，借助if-elif-else提示大小，猜中后用break结束，并用计数器记录次数。
• 这些例子共同体现了“循环负责重复，分支负责判断，变量负责保存状态”的程序设计思路。

九、复习时的易错点

• range的终点不包含，容易出现少循环一次或多循环一次的问题。
• while循环忘记初始化控制变量，或忘记在循环体中更新控制变量。
• 把break误认为只跳过本轮；实际上break会结束当前循环，跳过本轮应使用continue。
• 循环体和循环结束后的语句缩进错误，导致输出次数不符合预期。
• 累加变量或计数器没有在循环前初始化，或者每轮错误地重新赋值，导致结果无法正确累计。
• 嵌套循环中没有明确每一层循环的任务，容易混淆内外层变量；建议先写清楚每一层的范围和作用。