4. Python的流程控制

ゝ一纸荒年。 2024-03-23 00:06 57阅读 0赞

Hi，大家好。我是茶桁。

在前面几节课的基础之上，我们今天开始尝试在Python中控制流程。这中间，让我们来做一些实际的练习。

### Python语句的分类 ###

让我们先了解一下Python语句的分类。

在Python中，可分为`单行代码`和`代码块/组`, 顾名思义，单行代码就是一行的Python代码，而代码块是以冒号作为开始，用缩进划分相同作用域，这样的结构称之为代码块，是一个整体。

# 单行代码
    a = 123
    
    # 代码块
    if a == 123:
        print('True')
    else:
        print('False')

以上代码中输出结果为：

True

在输入代码块的时候，我们要注意使用缩进。在其他语言中代码块可能是`{}`，但是在Python中严格遵守的缩进规则就是代码块。缩进可以是一个Tab距离或者四个空格，可是注意绝对不能混合使用，必须自使用一种方式缩进。

### 流程控制的分类 ###

什么是流程？流程就是计算机执行代码时候的顺序。

流程可以被分为以下几类：

*  顺序结构
 *  分支结构/选择结构
 *  循环结构

#### 顺序结构 ####

顺序结构是系统的默认程序结构，自上而下进行执行。

#### 分支结构 ####

分支结构可以让代码走向不同的方向，不同的分支区间。

分支结构中又包含了单向分支，双分支和多分支以及巢状分支。

##### 单向分支 #####

单向分支就是在条件满足之后，执行后续任务。条件不满足的情况下，则不执行。

比如：

if 条件表达式：
    	一条python代码
      
    a = True
    if a:
        print("True")

执行结果：

True

一个经典案例：

> 程序员下班前女朋友打电话：下班路上买十个包子回来，如果看到卖西瓜的买一个

baozi = 10
    mxg = False
    if mxg:
      baozi = 1
      
    print("买 %s 个包子" %(baozi))

输出结果：

买 10 个包子

正常情况下，我们是直接买了10个包子回家，那如果我们看到了卖西瓜的呢？那么这段代码中等于是我们重新赋值了`mxg`, 就变成：

baozi = 10
    mxg = False
    
    # 走在路上看到了卖西瓜的，重新赋值
    mxg = True
    
    if mxg:
      baozi = 1
      
    print("买 %s 个包子" %(baozi))

输出结果：

买 1 个包子

##### 双分支 #####

双分支就是在单向分支的基础之上，又多了一个“否则”的选项，当条件不满足的时候执行其他操作。

if 条件表达式:
    	一条python代码
    else:
    	另外一条python代码
    	
    person = 'girl'
    if person == 'girl':
    	  # 真区间
        print("上前搭讪：美女，能加个微信吗？")
    else:
    		# 假区间
        print("直接走开。")

执行结果：

上前搭讪：美女，能加个微信吗？

以上就是一个双向的流程控制，这里面的含义为：表达式成立则执行真区间，如果不成立则执行假区间。

##### 多分支 #####

多分支就是在双分支的基础之上再增加其他可能出现的判断条件，用于执行更多的其他操作。

if 条件表达式：
        一条python代码
        ...
    elif 条件表达式：
        一条python代码
        ...
    elif 条件表达式：
        一条python代码
        ...
    ...
    else:
        一条python代码
                ...

这段代码中的`elif`就是可能出现的不同条件，示例如下:

score = 59
    if score >= 90 and score <= 100:
        print("奖励一个手机")
    elif score >= 80 and score < 90:
        print("今晚吃一顿好的奖励一下")
    elif score >= 70 and score < 80:
        print("鼓励：下次努力加油。")
    elif score >= 60 and score < 70:
        print("盯紧复习，争取下次进步。")
    else:
        print("奖励一顿‘竹笋炒肉’")

执行结果：

奖励一顿‘竹笋炒肉’

可以看到以上代码中，是从上到下依次进行判断条件，当所有条件都没有满足的时候，最后走到了`else`区间。

这就是多分支，需要判断多个表达式的结果，会自行其中符合条件的一个。

##### 巢状分支 #####

巢状分支，也就是嵌套分支。也就是if条件语句的嵌套：

if 条件表达式：
        代码语句
        if 条件表达式:
            代码语句
        else:
            代码语句
    else：
        代码语句

示例：

age = 25
    height = 177
    sex = 'male'
    
    if sex == 'male':
        # 可以往后判断
        if age >= 22 and age <= 35:
            # 年龄比较合适
            if height >= 175:
                print("处一下试试...")
        else:
            print("拉到...")
    else:
        print('当闺蜜吧。')

输出结果：

处一下试试...

> 在嵌套分支中我们需要注意，3 ～ 5层嵌套就是极限了，不要再往后嵌套。如果这个层数无法解决你的问题，那么可以重新梳理一下逻辑。基本大部分时候都是逻辑上有问题了。

##### 分支 练习：十二生肖 #####

当用户输入一个四位数的年份，计算当前这个年份对应的生肖：

`申猴 酉鸡 戌狗 亥猪 子鼠 丑牛 寅虎 卯兔 辰龙 已蛇 午马 未羊`

我们先来做一个用户输入的操作

# 获取用户输入的年份
    year = input("请输入四位数的年份: ")
    print(year, type(year))

添加一个`type()`函数是为了验证用户输入之后的数据类型，当我们输入`2023`之后，可以看到输出结果为：

2023 <class 'str'>

证明虽然我们输入的是数字，但是被转成了字符串，那这个时候，我们就需要处理一下了：

# 获取用户输入的年份
    year = int(input("请输入四位数的年份: "))
    print(year, type(year))

输出结果：

2023 <class 'int'>

这下就对了。

原本我们是需要讲位数，以及范围都控制在合理的数据内的。因为时间关系，在这整个示例中，我就不再去做更多的验证判断了。

# 获取用户输入的年份
    year = int(input("请输入四位数的年份: "))
    
    #print(year%12)
    num = year % 12
    
    """
    申猴 酉鸡 戌狗 亥猪 子鼠 丑牛 寅虎 卯兔 辰龙 巳蛇 午马 未羊
    """
    
    if num == 0:
        print(f'{
          year}年是 ==> 申猴')
    elif num == 1:
        print(f'{
          year}年是 ==> 酉鸡')
    elif num == 2:
        print(f'{
          year}年是 ==> 戌狗')
    elif num == 3:
        print(f'{
          year}年是 ==> 亥猪')
    elif num == 4:
        print(f'{
          year}年是 ==> 子鼠')
    elif num == 5:
        print(f'{
          year}年是 ==> 丑牛')
    elif num == 6:
        print(f'{
          year}年是 ==> 寅虎')
    elif num == 7:
        print(f'{
          year}年是 ==> 卯兔')
    elif num == 8:
        print(f'{
          year}年是 ==> 辰龙')
    elif num == 9:
        print(f'{
          year}年是 ==> 巳蛇')
    elif num == 10:
        print(f'{
          year}年是 ==> 午马')
    elif num == 11:
        print(f'{
          year}年是 ==> 未羊')
    else:
        print("您为输入正常的年份")

当我输入`2023`的时候，程序输出结果：

2023年是 ==> 卯兔

程序是正常运行了（排除我没做特殊处理可能会出现的BUG），但是我们看这段代码，已经不能用丑陋来形容了。

让我们再改动一下，还记得咱们第二节课程中所学的`list`吗？这段代码中我们去判断的`num`是不是和`list`的下标是一模一样？OK，让我们利用下标来重新写一下这段代码：

# 获取用户输入的年份
    year = int(input('请输入四位数的年份：'))
    
    # 定义十二生肖 列表
    items = ['申猴', '酉鸡', '戌狗', '亥猪', '子鼠', '丑牛', '寅虎', '卯兔', '辰龙', '巳蛇', '午马', '未羊']
    print(f'{
          year}年是%s年' %(items[year % 12]))

这段代码输出结果为：

2023年是卯兔年

是不是比起第一段代码来优雅多了？

#### 循环结构 ####

在完成了分支结构之后，我们来看一下循环结构。**循环结构非常重要，必须熟练掌握。**

为什么我们需要循环呢？先来看一段代码：

print(1)
    print(2)
    print(3)
    print(4)
    print(5)
    ....

这段代码中，我们重复做了很多次打印的工作。这种事情，其实完全没必要重复去做，交给循环就可以了。

目前在Python中常用的循环有两个，`while`循环和`for...in`循环。

##### while 循环 #####

while 条件表达式:
      	代码内容
        代码内容
        代码内容
        ...

在while循环中，我们通常都会写带有**条件变化的循环**

num = 1
    while num <=10:
        print(f'num为{
          num}')
        num += 1

输出结果：

num为1
    num为2
    num为3
    num为4
    num为5
    num为6
    num为7
    num为8
    num为9
    num为10

在这样一段代码中，在进入循环的时候，判断了一下当前条件是否成立。我们先设定了`num`的值为1，满足进入循环的条件，所以就进入了循环体，然后输出了`num`的值。

之后，每循环一次我们都对`num`做一次+1的处理. 也就是更改了变量。当变量更改后，会重新走到循环体的开始去判断条件。在循环11次之后，`num`就变成了11，不符合进入循环的条件了，循环自然被终止。也可以说，更该变量也是在朝着循环结束的方向在前进。

那么如果我们没有设定这个`num`的条件变化呢，自然就是无限的循环下去，最终导致内存溢出。

##### for循环 #####

通常来说，`for`循环是用来遍历一个容器类型的数据。

for 自定义变量 in 容器数据:
          代码内容,可以使用自定义变量
          代码内容,可以使用自定义变量
          代码内容,可以使用自定义变量

使用`for...in`循环遍历容器类型数据，那么中间的自定义变量就是当前容器类型中的每一个元素。

示例：

n = '123456789'
    for i in n:
        print(i)

输出结果：

1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9

在整个`for...in`循环体内，我们经常使用`range()`函数来迭代输出一个范围，比如：

for i in range(0, 10):
        print(i)

输出结果为：

0
    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9

可以看到我们输出了从`0`开始，一直到`9`结束， 一共输出了`10`个数字。

从结果中，我们大致可以猜到`range()`函数中`(a, b)`的含义为：**从a开始循环输出，输出到b（不包含b）为止**, 比如，我们将刚才的数字改为`range(1,8)`，那么我们最后输出的内容就会是：

1
    2
    3
    4
    5
    6
    7

##### 其他流程控制语句 #####

在循环体中，我们还经常应用一些其他的控制语句，用于程序的正常执行和中止。这其中包括

*  continue语句， 用于跳过当前这一次循环
 *  break语句，用于结束或者跳出
 *  pass语句， 用于占位

num = 1
    while num <= 10:
        num += 1
        # 判断当前的num是否为偶数
        if num % 2 == 0:
            continue # 跳过本次循环，执行下一次循环
        print(num)

输出结果：

3
    5
    7
    9
    11

可以从结果中看到，每次`num`为偶数的时候，打印并未执行，被跳过了。

让我们来更改一下这一段代码：

num = 1
    while num <= 10:
        num += 1
        # 判断当前的num是否为偶数
        if num % 2 == 0:
            continue # 跳过本次循环，执行下一次循环
        if num == 7:
            break # 跳出并结束循环，不再继续执行。
        print(num)

输出结果为：

3
    5

结果中我们可以看到，代码只输出到了5。我们来剖析一下整个代码，当代码为5的时候，`print()`函数还是正常执行了一次，然后再进来的时候，`num`在最前方+1变为了6，执行了`continue`，跳出了本次循环。再进入循环之后，`num` \+1 变成了7，这个时候进入了第二个`if`判断，直接执行了`break`语句，跳出并结束了整个循环。这样，`print()`函数这无法再继续执行下去了。

##### 特殊语句 #####

*  exit()
 *  quit()

这两个特殊语句，均是用于结束程序的执行，`exit()`和`quit()`之后的代码不会执行。在单纯的循环结构中的作用与`break`很像，但是**完全不能混为一谈**。这两个语句是用于结束并退出当前python解释器的，而`break`仅用于结束当前的循环体。

### 练习 ###

#### 打印矩形 ####

让我们循环出十行十列 ★ ☆ ，隔一行换色，再做一个隔一列换色。

在最开始，我们先思考一下，十行十列，那就是完成100次打印。我们先把这部分实现一下：

> 输出结果因为占篇幅，我就不写了，大家自行执行就可以了。

num = 0
    while num < 100:
        print('☆', end = " ")
        num += 1

在这之后，我们需要考虑一下，既然是十行十列，那说明我们每隔10个就需要一次换行：

num = 0
    while num < 100:
        print('☆', end = " ")
        # 判断是否需要换行
        if num % 10 == 9:
            print('\n')
        num += 1

现在打印出了十行`☆`, 每一行十个。第一步我们已经实现了，那么现在，让我们来尝试一下隔一行打印一个不同的。思考一下，其实就是**奇偶数**的问题，想明白之后，接下来就好办了：

# 隔列换色
    num = 0
    while num < 100:
        # 判断当前是基数还是偶数
        if num % 2 == 0:
            print('☆', end = " ")
        else:
            print('★', end = " ")
        # 判断是否需要换行
        if num % 10 == 9:
            print('\n')
        num += 1

隔列换色实现之后，我们再来考虑一下隔行换色，让我们从隔列换色上找一点灵感。既然隔列换色是奇偶数的问题，那么隔行换色，是不是就是每一行的奇偶数问题？

那么我们如何对行数做判断呢？其实很简单，我们只要对当前数字做取整数操作：`num // 10`，然后获取到的整数再来取余就行了。

那么我们就可以这样来实现：

# 隔行换色
    num = 0
    while num < 100:
        # 以当前行数为基数，对2取余，判断奇偶
        if num // 10 % 2 == 0:
            print('☆ ', end = " ")
        else:
            print('★', end = " ")
        # 判断是否需要换行
        if num % 10 == 9:
            print('\n')
        num += 1

大家可以执行去操作一下试试，建议使用Jupyter Notebook，这种实验性的代码块，很方便得到结果。

![image-20230801220517578][]

#### 打印乘法口诀表 ####

这也是Python教学中经常被拿来进行教学的一个经典案例，和上一个练习一样，我们一边分析，便来完善代码。

整个代码中，我们用到了刚才学到的`for...in`循环以及`range()`函数。

首先我们利用`range()`函数，输出1到9，每输出一个换一次行：

# 乘法口诀表
    for x in range(1, 10):
        # 换行
        print()

然后我们在每一行内再做一次循环，输出每一行的序列, 当然还是从1开始。

# 乘法口诀表
    for x in range(1, 10):
        # 第二层循环，内循环
        # 内循环负责当前行的函数，第一行 1列 2行 2列....9行 9列
        for y in range(1, 10):
            print(f'{
          x}x{
          y}={
          x*y}', end=" ")
        # 换行
        print()

这里需要注意，就乘法表而言，我们最大列不能大于这一行的被乘数, 那么我们`range()`需要调整一下：

# 乘法口诀表
    for x in range(1, 10):
        # 第二层循环，内循环
        # 内循环负责当前行的函数，第一行 1列 2行 2列....9行 9列
        for y in range(1, x+1):
            print(f'{
          x}x{
          y}={
          x*y}', end=" ")
        # 换行
        print()

#### 斐波那契数列 ####

再来让我们多做一个练习，斐波那契数列。

在做这个练习之前，首先我们需要了解什么是斐波那契数列。我这里应用一下[维基百科的解释][Link 1]：

> **斐波那契数**所形成的数列称为斐波那契数列。这个数列是由意大利数学家斐波那契在他的《算盘书》中提出。在数学上，**斐波那契数**是以递归的方法来定义：
> 
>  *   F 0 = 0 F\_0=0 F0=0
>  *   F 1 = 1 F\_1=1 F1=1
>  *   F n = F n − 1 + F n − 2 ( n > = 2 ) F\_n=F\_\{n-1\}+F\_\{n-2\}(n>=2) Fn=Fn−1\+Fn−2(n>=2)
> 
> 用文字来说，就是斐波那契数列由0和1开始，之后的斐波那契数就是由之前的两数相加而得出。首几个斐波那契数是：1、 1、 2、 3、 5、 8、 13、 21、 34、 55、 89、 144、 233、 377、 610、 987……

了解之后，让我们来分析一下：

0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13...

第0项如果是0，那么第一项是1， 第二项也是1， 之后的第三项开始，每一项都是前面两个数的和。

因为这个数列是一个无限递归下去的数列，我们不能无限的计算下去，所以需要先知道自己计算多少项：

# 获取用户输入的数据
    num = int(input('你需要计算多少项？'))

之前我们分析得到，第三项开始，每一项是前面两个数的和，那么，我们需要定义两个变量用来承载相加的两个数，再多定义一个初始值，用于判断是否执行循环：

num = int(input('你需要计算多少项？'))
    n1 = 0
    n2 = 1
    count = 2

然后，让我们开始进入正题，需要先判断用户输入的数字是否正整数，我们先不搞那么复杂，只需要简单判断一下是否大于等于0，然后再判断用户输入是否为1， 因为如果是只输出1项，那么就不需要计算了，直接输出`n1`就好了：

num = int(input('你需要计算多少项？'))
    n1 = 0
    n2 = 1
    count = 2
    # 从之后的数字开始计算
    if num <= 0:
        print('请输入一个正整数。')
    elif num == 1:
        print(f'斐波那契数列: {
          n1}')
    else:
        pass # 占位

然后，让我们正式进入循环计算, 现在`n1`为第一项，`n2`就是第二项，直接输出就可以了

之后，我们去判断`count`是否小于用户输入的数字，如果小于，就进入循环。然后再循环内定义一个变量`n3`， 用来承载相加之后得到的结果，作为当前项输出。再讲`n1, n2`重新赋值。不要忘了给`count`加值。

num = int(input('你需要计算多少项？'))
    n1 = 0
    n2 = 1
    count = 2
    # 从之后的数字开始计算
    if num <= 0:
        print('请输入一个正整数。')
    elif num == 1:
        print(f'斐波那契数列: {
          n1}')
    else:
        print(f'斐波那契数列: {
          n1}, {
          n2}', end = ", ")
        while count < num:
            n3 = n1 + n2
            print(n3, end = ", ")
            # 更新数据
            n1, n2 = n2, n3
            count += 1

当我们输入9的时候，输出结果：

斐波那契数列: 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21,

#### 百钱买百鸡 ####

让我们先来说明一下这个题目：

一共有100块钱，需要买100只鸡
    公鸡 3元钱一只，母鸡1元钱一只，小鸡5毛钱一只。
    要求计算，100块钱买100只鸡，一共有多少种方案

在这个题目里，我们可以计算如果只买一种，这公鸡可以有33只，母鸡有100只，小鸡这可以买200只。

这里面我们可以思考一下，这里我们一共需要3个变量和2个常量，变量为公鸡，母鸡以及小鸡；2个常量为100块钱和总共100只鸡。

先让我们从循环体来开始写：

num = 0
    for gj in range(1, 34):
        for mj in range(1, 101):
            for xj in range(1, 201):
                # 判断是否为100只，是否话费100元
                if gj + mj + xj == 100 and gj*3 + mj + xj*0.5 == 100:
                    print(f'公鸡{
          gj}只，母鸡{
          mj}只，小鸡{
          xj}只， 共花费{
          gj*3 + mj + xj*0.5}元')
                    num += 1
    
    print(num)

这里，我们是计算了三只都买的情况，那么其实还有一种额外的情况，就是我们一开始说的，100块钱都买母鸡的情况，也正好是100块钱100只鸡。所以，我们的`num`要从1开始计数

num = 1
    for gj in range(1, 34):
        for mj in range(1, 101):
            for xj in range(1, 201):
                # 判断是否为100只，是否话费100元
                if gj + mj + xj == 100 and gj*3 + mj + xj*0.5 == 100:
                    print(f'公鸡{
          gj}只，母鸡{
          mj}只，小鸡{
          xj}只， 共花费{
          gj*3 + mj + xj*0.5}元')
                    num += 1
    
    print(num)

输出结果（只看num）：

也就是说，我们目前一共有20种组合方案。具体有哪些方案，有兴趣的小伙伴可以执行我所写的代码，会打印出来。

虽然解决问题了，可是这并不是最好的写法。

看看这团垃圾的效率：第一层需要计算34次， 第一层每次计算，第二层都要计算100次，第二层每跑一遍，第三层需要计算200次… 这简直就是一堆米田共。当我们加上一个计数变量稍微统计一下到底计算了多少次

count = 0
    ...
            for xj in range(1, 201):
                count += 1
                # 判断是否为100只，是否话费100元
    ...
    print(count)

可以得到最后结果为：

660000

是不是很恐怖？让我们改动一下代码，优化性能：

让我们来思考一下，100只鸡这个总数是不是固定不变的？那么公鸡，母鸡的计算得到之后，是不是小鸡的数量就得到了。还有必要在进入一次循环吗？肯定没必要了对不对？所以我们这样改动：

count = 0
    num = 1
    for gj in range(1, 34):
        for mj in range(1, 101):
            xj = 100 - gj - mj
            count += 1
            # 判断是否为100只，是否话费100元
            if gj + mj + xj == 100 and gj*3 + mj + xj*0.5 == 100:
                print(f'公鸡{
          gj}只，母鸡{
          mj}只，小鸡{
          xj}只， 共花费{
          gj*3 + mj + xj*0.5}元')
                num += 1
    
    print(f'一共有{
          num}种组合方式。')
    print(f'当前一共计算了{
          count}次')

最后得到的计算结果：

一共有20种组合方式。
    当前一共计算了3300次

从660000次一下下降到了3300次，这个性能的提示是很大的了。

所以，很多问题我们不要只追求解决，要善于多思考。

那么至此，我们这节课也就结束了。让我们最后放几个思考题：

### 思考题 ###

1.  对于我们打印矩阵，完成了隔行上色和隔列上色的问题，我们思考一下该如何解决`三角形和菱形`；
2.  对于乘法表，思考下我们如何完成反向打印。

解决了思考题的小伙伴，可以在评论区留言。期待看到大家的想法。我是茶桁，咱们下次见，下一节课，我们进入「模块化编程」，开始学习函数。

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