第3章 程序控制結(jié)構(gòu)

第3章程序控制結(jié)構(gòu)董付國微信公眾號：Python小屋本章學(xué)習(xí)目標理解條件表達式的值與True/False的等價關(guān)系熟練掌握選擇結(jié)構(gòu)的語法和應(yīng)用熟練掌握for和while循環(huán)結(jié)構(gòu)的語法和應(yīng)用熟練掌握break和continue語句的作用與應(yīng)用熟練掌握異常處理結(jié)構(gòu)的語法和應(yīng)用熟練掌握選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、異常處理結(jié)構(gòu)嵌套使用的語法和應(yīng)用養(yǎng)成對用戶輸入進行有效性檢查的習(xí)慣3.1條件表達式在選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)中，都要根據(jù)條件表達式的值來確定下一步的執(zhí)行流程。選擇結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的條件是否滿足來決定要不要執(zhí)行特定的代碼，循環(huán)結(jié)構(gòu)根據(jù)條件是否成立來決定要不要重復(fù)執(zhí)行特定的代碼。在Python中，幾乎所有合法表達式都可以作為條件表達式，包括單個常量或變量，以及使用各種運算符和函數(shù)調(diào)用連接起來的表達式。條件表達式的值等價于True時表示條件成立，等價于False時表示條件不成立。一個值等價于True是指，這個值作為內(nèi)置函數(shù)bool()的參數(shù)會使得該函數(shù)返回True。3.2選擇結(jié)構(gòu)如果細分的話，程序控制結(jié)構(gòu)包括順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和異常處理結(jié)構(gòu)。在正常情況下，程序中的代碼是從上往下逐條語句執(zhí)行的，也就是按先后順序執(zhí)行程序中的每行代碼。如果程序中有選擇結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)不同的條件來決定執(zhí)行哪些代碼和不執(zhí)行哪些代碼。如果程序中有循環(huán)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)相應(yīng)的條件是否滿足來決定需要多次重復(fù)執(zhí)行哪些代碼。如果有異常處理結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)是否發(fā)生錯誤以及錯誤的類型來決定應(yīng)該如何處理。選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、異常處理結(jié)構(gòu)都是臨時改變程序流程的方式。從宏觀上講，如果把每個選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)或異常處理結(jié)構(gòu)的多行代碼看作一個大的語句塊，整個程序仍是順序執(zhí)行的。從微觀上講，選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、異常處理結(jié)構(gòu)內(nèi)部語句塊中的多行簡單語句之間仍是順序結(jié)構(gòu)。3.2.1單分支選擇結(jié)構(gòu)if條件表達式:語句塊前面的代碼條件成立？語句塊后面的代碼是否3.2.1單分支選擇結(jié)構(gòu)例3-1程序員小明的妻子打電話讓小明下班路上買飯回來，和小明說“回來路上買10個包子，如果看到旁邊有賣西瓜的就買一個”。結(jié)果，小明回到家后妻子發(fā)現(xiàn)他只買了一個包子，問他怎么回事，小明說“我看到旁邊有賣西瓜的”。編寫程序模擬小明的腦回路。#要買的包子數(shù)量num=10flag=input('有賣西瓜的嗎？輸入Y/N：')ifflag=='Y':num=1print(f'實際買的包子數(shù)量為：{num}')3.2.2雙分支選擇結(jié)構(gòu)if條件表達式:語句塊1else:語句塊2前面的代碼條件成立？語句塊2后面的代碼是否語句塊13.2.2雙分支選擇結(jié)構(gòu)例3-2周五晚上放學(xué)時，小明和小強兩位同學(xué)相約周六的安排，說好如果不下雨就一起打羽毛球，如果下雨就一起寫作業(yè)。周六早上，兩個人根據(jù)是否下雨來決定最終要做的事情。編寫程序，輸入Y表示下雨、N表示不下雨，模擬二人做決定的過程，并輸出二人的最終決定。flag=input('今天下雨嗎？輸入Y/N：')ifflag=='Y':print('一起寫作業(yè)。')else:print('一起打羽毛球。')3.2.3嵌套的選擇結(jié)構(gòu)if條件表達式1:語句塊1elif條件表達式2:語句塊2[elif條件表達式3:語句塊3......else:語句塊n]if條件表達式1:語句塊1if條件表達式2:語句塊2[else:語句塊3]else:if條件表達式4:語句塊4[elif條件表達式5:語句塊5else:語句塊6]3.2.3嵌套的選擇結(jié)構(gòu)例3-3對學(xué)生作業(yè)或考試進行打分時，一般有百分制和字母等級兩種方式。這兩種打分標準之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，例如[90,100]區(qū)間對應(yīng)字母A，[80,90)區(qū)間對應(yīng)字母B，[70,80)區(qū)間對應(yīng)字母C，[60,70)區(qū)間對應(yīng)字母D，[0,60)區(qū)間對應(yīng)字母F。編寫程序，輸入一個百分制成績，輸出對應(yīng)的字母等級。3.2.3嵌套的選擇結(jié)構(gòu)score=float(input('請輸入一個百分制成績：'))ifscore<0orscore>100:print('無效成績')else:#如果score本來的值是實數(shù)，例如81.5#整除10之后得到8.0形式的數(shù)字，不影響后續(xù)的計算score=score//10ifscorein(9,10):print('A')elifscore==8:print('B')elifscore==7:print('C')elifscore==6:print('D')else:print('F')3.2.4多分支選擇結(jié)構(gòu)在Python3.9之前的版本中，沒有提供真正意義上的的多分支選擇結(jié)構(gòu)，如果確實需要的話，可以通過字典構(gòu)造跳轉(zhuǎn)表來實現(xiàn)。例如下面的代碼，status={200:'ok',201:'Created',202:'Accepted',203:'Non-AuthoritativeInformation',204:'NoContent'}s=int(input('請輸入狀態(tài)碼：'))print('對應(yīng)的狀態(tài)為：',status.get(s,'unknown'))Python3.10新增了軟關(guān)鍵字（只在特定場合作為關(guān)鍵字，普通場合也可以作變量名）match和case，實現(xiàn)了真正意義上的多分支選擇結(jié)構(gòu)。3.2.4多分支選擇結(jié)構(gòu)例3-4編寫程序，使用多分支選擇結(jié)構(gòu)實現(xiàn)HTTP狀態(tài)碼到含義的轉(zhuǎn)換。code=int(input('請輸入HTTP狀態(tài)碼：'))matchcode:case200:print('ok')case201:print('Created')case202:print('Accepted')case203:print('Non-AuthoritativeInformation')case204:print('NoContent')case401|403|404:#同時匹配401、403、404這三種情況print('Notallowed')case_:#通配符，表示任意內(nèi)容，如果前面的都不匹配，就執(zhí)行這里的代碼print('Sorry,pleasetrylater.')3.2.4多分支選擇結(jié)構(gòu)下面的代碼演示了下畫線在元組中表示任意內(nèi)容的用法：while(point:=input('表示三維空間坐標的元組，0表示結(jié)束：'))!='0':point=eval(point)matchpoint:case(0,0,0):print('坐標原點')case(0,_,_):print('YOZ平面上的點')case(_,0,_):print('XOZ平面上的點')case(_,_,0):print('XOY平面上的點')3.2.4多分支選擇結(jié)構(gòu)在match...case...多分支選擇結(jié)構(gòu)中，下畫線除了上面的用法之外，還可以和星號組合使用，例如下面的代碼中“*_”表示從當(dāng)前位置往后還有0到任意多項：while(content:=eval(input('請輸入列表：')))!=0:matchcontent:case[1,2,3,4,*_]:print('前4項匹配成功')case[1,2,3,*_]:print('前3項匹配成功')case[1,2,*_]:print('前2項匹配成功')case[1,*_]:print('前1項匹配成功')case[*_]:print('匹配失敗')case_:print('格式不對')3.2.4多分支選擇結(jié)構(gòu)在下面的代碼中，使用if對當(dāng)前匹配項進行約束，如果條件不成立就繼續(xù)檢查下一項是否匹配，其中的x和y可以是任意變量名。match(3,5):case(x,y)ifx<y:print('<')case(x,y)ifx==y:print('==')case(x,y)ifx>y:print('>')3.3循環(huán)結(jié)構(gòu)循環(huán)結(jié)構(gòu)根據(jù)指定的條件是否滿足來決定是否需要重復(fù)執(zhí)行特定的代碼，Python中主要有for循環(huán)和while循環(huán)兩種形式。循環(huán)結(jié)構(gòu)可以嵌套，也可以和選擇結(jié)構(gòu)以及異常處理結(jié)構(gòu)互相嵌套，來表示更加復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯。如果使用嵌套循環(huán)結(jié)構(gòu)的話，最外層的循環(huán)變化最慢，越內(nèi)層的循環(huán)變化速度越快。3.3.1for循環(huán)結(jié)構(gòu)Python語言中的for循環(huán)非常適合用來遍歷可迭代對象中的元素，語法形式為：for循環(huán)變量in可迭代對象:循環(huán)體[else:else子句代碼塊]其中，方括號內(nèi)的else子句可以沒有，也可以有，根據(jù)要解決的問題來確定。for循環(huán)結(jié)構(gòu)執(zhí)行過程為：對于可迭代對象中的每個元素（使用循環(huán)變量引用），都執(zhí)行一次循環(huán)體中的代碼。在循環(huán)體中可以使用循環(huán)變量，也可以不使用循環(huán)變量。3.3.1for循環(huán)結(jié)構(gòu)如果for循環(huán)結(jié)構(gòu)帶有else子句，其執(zhí)行過程為：如果循環(huán)因為遍歷完可迭代對象中的全部元素而自然結(jié)束，則繼續(xù)執(zhí)行else結(jié)構(gòu)中的語句，如果是因為執(zhí)行了break語句提前結(jié)束循環(huán)則不會執(zhí)行else中的語句。在for循環(huán)結(jié)構(gòu)中定義的循環(huán)變量在循環(huán)結(jié)構(gòu)結(jié)束之后仍可以訪問，只要不超出當(dāng)前函數(shù)或文件即可；交互模式中for循環(huán)定義的循環(huán)變量在重啟Shell之前一直有效。3.3.2while循環(huán)結(jié)構(gòu)Python語言中的while循環(huán)結(jié)構(gòu)主要適用于無法提前確定循環(huán)次數(shù)的場合，一般不用于循環(huán)次數(shù)可以確定的場合，雖然也可以這樣用。While循環(huán)結(jié)構(gòu)的語法形式如下：while條件表達式:循環(huán)體[else:else子句代碼塊]其中，方括號內(nèi)的else子句可以沒有，也可以有，取決于具體要解決的問題。當(dāng)條件表達式的值等價于True時就一直執(zhí)行循環(huán)體，直到條件表達式的值等價于False或者循環(huán)體中執(zhí)行了break語句。如果是因為條件表達式不成立而結(jié)束循環(huán)，就繼續(xù)執(zhí)行else中的代碼塊。如果是因為循環(huán)體內(nèi)執(zhí)行了break語句使得循環(huán)提前結(jié)束，則不再執(zhí)行else中的代碼塊。3.3.2while循環(huán)結(jié)構(gòu)例3-5小明買回來一對兔子，從第3個月開始就每個月生一對兔子，生的每一對兔子長到第3個月也開始每個月都生一對兔子，每一對兔子都是這樣從第3個月開始每個月生一對兔子，那么每個月小明家的兔子總數(shù)構(gòu)成一個數(shù)列，這就是著名的斐波那契數(shù)列，如圖3-3所示。編寫程序，輸入一個正整數(shù)，輸出斐波那契數(shù)列中小于該整數(shù)的所有整數(shù)。3.3.2while循環(huán)結(jié)構(gòu)number=int(input('請輸入一個正整數(shù)：'))#序列解包，同時為多個變量賦值a,b=1,1whilea<number:print(a,end='')#序列解包a,b=b,a+b連續(xù)三次運行結(jié)果如下：請輸入一個正整數(shù)：10001123581321345589144233377610987請輸入一個正整數(shù)：3500112358132134558914423337761098715972584請輸入一個正整數(shù)：10000112358132134558914423337761098715972584418167653.3.3break與continue語句break語句和continue語句在while循環(huán)和for循環(huán)中都可以使用，并且一般常與選擇結(jié)構(gòu)或異常處理結(jié)構(gòu)結(jié)合使用，但不能在循環(huán)結(jié)構(gòu)之外使用這兩個語句。一旦break語句被執(zhí)行，將使得break語句所屬層次的循環(huán)結(jié)構(gòu)提前結(jié)束；如果break語句所在的循環(huán)帶有else子句，那么執(zhí)行break之后不會執(zhí)行else子句中的代碼。continue語句的作用是提前結(jié)束本次循環(huán)，忽略continue之后的所有語句，提前進入下一次循環(huán)。3.3.3break與continue語句例3-6編寫程序，輸出500以內(nèi)最大的素數(shù)（即499）。所謂素數(shù)，是指除了1和自身之外沒有其他因數(shù)的正整數(shù)，最小的素數(shù)是2?？梢宰C明，如果一個正整數(shù)n是素數(shù)，那么從2到n的平方根之間必然沒有因數(shù)。forninrange(500,1,-1):

#從大到小遍歷ifn%2==0andn!=2:continueforiinrange(3,int(n**0.5)+1,2):ifn%i==0:#如果有n的因數(shù)，n就不是素數(shù)break#提前結(jié)束內(nèi)循環(huán)else:#如果內(nèi)循環(huán)自然結(jié)束，繼續(xù)執(zhí)行這里的代碼print(n)#輸出素數(shù)break#結(jié)束外循環(huán)3.3.4循環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化編寫程序?qū)崿F(xiàn)預(yù)定功能之后應(yīng)考慮對代碼進行優(yōu)化以追求更高的執(zhí)行效率。解決實際問題時，首先應(yīng)對問題進行全面、深入分析，得到最優(yōu)的算法之后再動手寫代碼。在代碼層面也有很多優(yōu)化的思路，例如使用合適的數(shù)據(jù)類型、利用緩存機制、只導(dǎo)入模塊中確實用到的對象、減少不必要的計算等。具體到循環(huán)結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量減少循環(huán)體中的重復(fù)計算，能在循環(huán)外進行的計算就不要放到循環(huán)體中，能在外循環(huán)中進行的計算就不要放到內(nèi)循環(huán)中。3.3.4循環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化下面的代碼用來生成幾個數(shù)字能夠組成的所有3位數(shù)，digits=(1,2,3,4,5)foriindigits:forjindigits:forkindigits:print(i*100+j*10+k)在上面的代碼中，最內(nèi)層循環(huán)中的乘法計算就屬于不必要的重復(fù)計算，可以考慮往外提，修改為下面的代碼，從而獲得更高的執(zhí)行效率。digits=(1,2,3,4,5)foriindigits:i=i*100forjindigits:j=i+j*10forkindigits:print(j+k)3.4異常處理結(jié)構(gòu)--3.4.1異常概念與表現(xiàn)形式異常是指代碼運行時由于輸入的數(shù)據(jù)不合法或者某個條件臨時不滿足發(fā)生的錯誤。例如，除法運算中除數(shù)為0，變量名不存在或拼寫錯誤，要打開的文件不存在、權(quán)限不足或者用法不對（例如試圖寫入以只讀模式打開的文件），操作數(shù)據(jù)庫時SQL語句語法不正確或指定的表名、字段名不存在，要求輸入整數(shù)但實際輸入的內(nèi)容無法使用內(nèi)置函數(shù)int()轉(zhuǎn)換為整數(shù)，要訪問的屬性不存在，文件傳輸過程中網(wǎng)絡(luò)連接突然斷開，這些情況都會引發(fā)代碼異常。代碼一旦引發(fā)異常就會崩潰，如果得不到正確的處理會導(dǎo)致整個程序中止運行。3.4.1異常概念與表現(xiàn)形式一般而言，在異常信息的最后一行明確給出了異常的類型或者導(dǎo)致錯誤的原因，倒數(shù)第二行會給出導(dǎo)致崩潰的那一行代碼。把下面的代碼保存為文件“測試.py”并運行。values=eval(input('請輸入一個列表：'))num=int(input('請輸入一個整數(shù)：'))print('最后一次出現(xiàn)的位置：',values.rindex(num))3.4.2異常處理結(jié)構(gòu)語法與應(yīng)用（1）try...except...else...finally...異常處理結(jié)構(gòu)的完整語法形式如下：try:#可能會引發(fā)異常的代碼塊except異常類型1as變量1:#處理異常類型1的代碼塊[except異常類型2as變量2:#處理異常類型2的代碼塊....][else:#如果try塊中的代碼沒有引發(fā)異常，就執(zhí)行這里的代碼塊][finally:#不論try塊中的代碼是否引發(fā)異常，也不論異常是否被處理#總是最后執(zhí)行這里的代碼塊]3.4.2異常處理結(jié)構(gòu)語法與應(yīng)用(2)assert斷言在程序中某些位置，可能需要某個條件必須得到滿足才能繼續(xù)執(zhí)行后面的代碼。這時，可以使用斷言語句assert來確認某個條件是否滿足，要求的條件滿足時不會有任何提示，什么也不會發(fā)生，默默地繼續(xù)執(zhí)行后面的代碼，如果要求的條件不滿足則會引發(fā)異常。斷言語句assert的語法形式如下：assertcondition,information其中，condition可以是任何表達式，assert要求這個表達式的值必須等價于True，否則就會引發(fā)異常，information用來指定異常具體信息的字符串。3.4.2異常處理結(jié)構(gòu)語法與應(yīng)用>>>assert3==5,'兩個數(shù)字不相等'AssertionError:兩個數(shù)字不相等>>>a=input('輸入密碼：')輸入密碼：1234>>>b=input('再輸入一次密碼：')再輸入一次密碼：12345>>>try:asserta==bexcept:print('兩次輸入的密碼不一樣')兩次輸入的密碼不一樣>>>assertint(a:=input('請輸入一個大于0的正整數(shù)：'))>0請輸入一個大于0的正整數(shù)：3>>>print(a)33.4.2異常處理結(jié)構(gòu)語法與應(yīng)用（3）raise關(guān)鍵字關(guān)鍵字raise可以用來在程序中顯式引發(fā)異?；蛘咧匦聮伋鲎詈笠粋€異常。如果raise關(guān)鍵字后面沒有任何表達式就重新拋出當(dāng)前程序執(zhí)行過程中最后一個異常，如果當(dāng)前沒有異常就簡單地拋出一個RuntimeError表示發(fā)生了錯誤。#當(dāng)前沒有異常，直接拋出RuntimeError>>>raiseRuntimeError:Noactiveexceptiontoreraise#重新拋出最后發(fā)生的一個錯誤>>>try:print('A'+32)except:raiseTraceback(mostrecentcalllast):File"<pyshell#19>",line2,in<module>print('A'+32)TypeError:canonlyconcatenatestr(not"int")tostr3.5綜合例題解析例3-7編寫程序，接收一個正整數(shù)n，輸出所有的n位水仙花數(shù)。如果一個n位正整數(shù)的各位數(shù)字的n次方之和等于這個數(shù)字本身，那么這個正整數(shù)是水仙花數(shù)。例如153是3位水仙花數(shù)，因為153=1^3+5^3+3^3，再例如370、371、407都是3位水仙花數(shù)，1634、8208、9474是4位水仙花數(shù)，54748、92727、93084是5位水仙花數(shù)，只有548834這一個6位水仙花數(shù)，7位水仙花數(shù)有1741725、4210818、9800817、9926315。3.5綜合例題解析fromtimeimporttimetry:n=int(input('請輸入一個正整數(shù)：'))assertn>0except:print('輸入的不是正整數(shù)。')else:func=lambdad:int(d)**n#記錄當(dāng)前時間start=time()#遍歷所有n位正整數(shù)fornuminrange(10**(n-1),10**n):ifsum(map(func,str(num)))==num:print(num)#記錄當(dāng)前時間end=time()#輸出兩次調(diào)用time()函數(shù)的時間差，也就是中間一段代碼的運行時間print(f'用時：{end-start}秒')運行結(jié)果為：請輸入一個正整數(shù)：8246780502467805188593477用時：428.76689076423645秒3.5綜合例題解析例3-8編寫程序，打印九九乘法表。foriinrange(1,10):forjinrange(1,i+1):#{i*j:<2d}表示計算并替換表達式i*j的值#把計算結(jié)果格式化為2位字符串，不足2位的使用空格填充#<表示左對齊，也就是在右側(cè)填充空格print(f'{i}*{j}={i*j:<2d}',end='')print()3.5綜合例題解析例3-9編寫程序，求解雞兔同籠問題。通過鍵盤輸入雞和兔的總數(shù)以及腿的數(shù)量，計算并輸出雞、兔各有多少只。在數(shù)學(xué)上，這是個二元一次方程組的求解問題，假設(shè)使用m表示雞和兔的頭的數(shù)量，使用n表示腿的數(shù)量，使用x表示雞的數(shù)量，使用y表示兔的數(shù)量，那么方程求解的過程為：3.5綜合例題解析try:m=int(input('請輸入雞和兔的總數(shù)：'))n=int(input('請輸入籠子里腿的總數(shù)：'))except:print('兩個數(shù)字必須都是整數(shù)。')else:y=(n-2*m)/2x=m-yify==int(y)andy>0andx>0:print(f'雞{x}只，兔{y}只。')else:print('無解。')運行結(jié)果為：請輸入雞和兔的總數(shù)：30請輸入籠子里腿的總數(shù)：90雞15.0只，兔15.0只。3.5綜合例題解析例3-10編寫程序，計算百錢買百雞問題。假設(shè)公雞5元一只，母雞3元一只，小雞1元三只，現(xiàn)在有100塊錢，想買100只雞，輸出所有可能的購買方案。#假設(shè)能買x只公雞，x最大為20forxinrange(21):#假設(shè)能買y只母雞foryinrange((100-5*x)//3+1):#假設(shè)能買z只小雞z=100-x-y#仔細體會兩個條件的先后順序ifz%3==0and(5*x+3*y+z//3==100):print(f'公雞{x}只，母雞{y}只，小雞{z}只')運行結(jié)果為：公雞0只，母雞25只，小雞75只公雞4只，母雞18只，小雞78只公雞8只，母雞11只，小雞81只公雞12只，母雞4只，小雞84只3.5綜合例題解析例3-11編寫程序，輸入一個正整數(shù)n，然后計算前n個正整數(shù)的階乘之和1!+2!+3!+...+n!的值。try:n=int(input('請輸入一個正整數(shù)：'))assertn>0except:print('必須輸入正整數(shù)。')else:#result表示前n項的和，temp表示每一項result,temp=0,1#充分利用相鄰兩項之間的關(guān)系，減少不必要的計算，提高執(zhí)行效率foriinrange(1,n+1):temp=temp*iresult=result+tempprint(result)連續(xù)幾次運行結(jié)果為：請輸入一個正整數(shù)：433請輸入一個正整數(shù)：302744108184701421342097037809403133.5綜合例題解析例3-12編寫程序，驗證6174猜想。1955年，卡普耶卡(D.R.Kaprekar)對4位數(shù)字進行了研究，發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律：對任意各位數(shù)字不相同的4位數(shù)，使用各位數(shù)字能組成的最大數(shù)減去能組成的最小數(shù)，對得到的差重復(fù)這個操作，最終會得到6174這個數(shù)字，并且這個操作最多不會超過7次。3.5綜合例題解析fromstringimportdigitsfromitertoolsimportcombinationsforitemincombinations(digits,4):times=0whileTrue:#當(dāng)前選擇的4個數(shù)字能夠組成的最大數(shù)和最小數(shù)big=int(''.join(sorted(item,reverse=True)))little=int(str(big)[::-1])difference=big-littletimes=times+1#如果最大數(shù)和最小數(shù)相減得到6174就退出#否則就對得到的差重復(fù)這個操作#最多7次，總能得到6174ifdifference==6174:iftimes>7:print(times)break