3.4.2 while 循环

### 3.4.2 while 循环 for 循环要求预先确定循环的次数，但有很多问题难以预先确定循环次数，只知道在什么 条件下需要循环，这时可以使用 while 语句。Python 语言中 while 语句的常用格式是： ``` while <布尔表达式>: <循环体> ``` 其语义是：当布尔表达式计算为 True 时，执行一遍循环体，执行完毕控制转回 while 语句的开始处重新测试布尔表达式；当布尔表达式计算为 False 时，控制转向下一条语句。注意， 循环体部分相对于 while 部分要左缩进。while 语句的流程图如图 3.9 所示。  图 3.9 while 循环的流程图 显然，while 语句的循环次数取决于布尔表达式何时变成 False，而不是预先确定循环次 数。稍微深入思考一下就会发现一个问题：万一布尔表达式永远不会变成 False 怎么办？如 果进入循环语句时布尔表达式计算为 True，而循环体又不会影响布尔表达式的值，那么执行 完循环体后控制回到循环入口处时，布尔表达式仍然为 True。这种情况下 while 循环永远不 会停下来，称为无穷循环。程序中如果有一个无穷循环就意味着程序无法终止，我们常说程 序进入了“死循环”，这是程序设计中经常出现的错误。要想避免无穷循环，必须使循环体对 布尔表达式的值产生影响，例如改变布尔表达式中所用到的变量的值。 在实际编程中，while 循环有一些常用的套路或称模式，值得读者熟记于心。下面通过“对 一批数据求和”的例子来介绍这些循环模式。 交互式循环 考虑这样的应用：用户不断输入数据，程序得到数据后不断累加，最后算出输入数据的 总和。显然，这是一个“输入——累加”的反复循环的过程。由于用户输入数据的个数不是 预先给定的，故无法用 for 循环来实现，而 while 语句则能轻松解决这个问题。为了对循环进 行控制，我们每次循环前都询问用户是否还有新数据。这种通过与用户进行交互来决定是否 需要循环的模式称为交互式循环，可以用伪代码表达如下： ``` 将循环控制变量 moredata 初始化为"yes" while moredata 值为"yes": 获得用户输入的下一个数据 处理该数据 询问用户是否还有输入数据，为变量 moredata 赋值 ``` 下面是利用交互式循环实现的完整程序。 【程序 3.10】eg3_10.py ``` sum = 0 moredata = "yes" while moredata[0] == "y": x = input("Input a number: ") sum = sum + x moredata = raw_input("More numbers? (yes/no) ") print "The sum is", sum ``` 下面是这个程序的执行情况： ``` Input a number: 2 More numbers? (yes/no) yes Input a number: 5 More numbers? (yes/no) yeah Input a number: 8 More numbers? (yes/no) no The sum is 15 ``` 要说明的是，这个程序通过检查 moredata[0]来控制是否循环，因此只要用户输入的首字 母是"y"就能进入循环体执行，而任何非 y 开头的输入都导致停止循环。 此版本有个不好的地方：用户需要不停地先回答是否还有数据，有的话再输入数据。这 对用户来说有点烦琐。也就是说，交互式循环其实并不适合“输入 n 个数据求和”的问题。 哨兵循环 解决“输入数据求和”问题的更好方法是使用哨兵循环，即不断执行“输入——累加” 这个循环体，直至遇到一个称为“哨兵”的特殊数据值。任何值都可以当作哨兵，关键是它 必须与正常数据值相互区别。哨兵循环的一般模式如下： ``` 前导输入 while 不是哨兵： 处理数据 循环尾输入 ``` 首先，在循环开始之前需要利用“前导输入”获取第一个数据。如果该数据是哨兵，则 不会进入循环，控制转向 while 的下一条语句；如果是正常数据，则进入循环处理之。在循 环体的末尾读取下一个数据，并转到循环开始处的哨兵测试。如此周而复始，直至遇见哨兵 循环才终止。 注意，哨兵循环用到了两条一模一样的输入语句：一条是位于循环体之前的“前导输入”， 另一条是位于循环体末尾的“循环尾输入”。这两条输入语句缺一不可：少了前导输入则无法 进入循环；少了循环尾输入则无法读取下一数据，从而循环一直在对第一个数据进行处理， 导致无穷循环。 使用哨兵循环，需要选择一个特殊数据作为哨兵。这个特殊数据一般和正常数据属于同 样的类型，以便能被 while 语句统一检测。如果哨兵数据和正常数据属于不同类型，那么 while 语句的条件表达式就会变复杂，因为需要处理两种类型的数据。具体选择什么数据作为哨兵，要看具体的应用场景。例如，假设我们输入的数据是考试成绩（非负数），那么可以选－1 作 为哨兵，因为负数是不可能成为合法考试成绩的。又假如我们输入的数据是人名（字符串）， 那么可以选空串作为哨兵。一个很常用的场景是文件处理，即输入的数据来自一个文件，这 时可以很自然地在文件末尾存放一个特殊数据作为哨兵，很多语言甚至提供专门的测试文件 尾的手段（如常量 EOF①或函数 eof()之类）。关于文件处理详见第 6 章。 下面我们用哨兵循环来实现求和程序。 【程序 3.11】eg3_11.py ``` sum = 0 x = input("Input a number (-1 to quit): ") while x >= 0: sum = sum + x x = input("Input a number (-1 to quit): ") print "The sum is", sum ``` 可见哨兵循环与交互式循环不同，不需要用户不停地回答 yes 来处理数据。下面是此程序的执行情况： ``` Input a number (-1 to quit): 2 Input a number (-1 to quit): 5 Input a number (-1 to quit): 8 Input a number (-1 to quit): -1 The sum is 15 ``` 如果程序 3.11 中待求和的数据是任意实数的话，那么－1 可能是正常数据，不能作为哨 兵。事实上，所有实数都不能作为哨兵。这时可以采用字符串类型来解决问题，因为正常的 输入数据（正数、负数和 0）都可以表示为由阿拉伯数字组成的非空字符串，从而包含非数 字字符的字符串都可以用作哨兵。最简单最常用的特殊字符串是空字符串""（注意两个引号 之间没有东西），当用户在输入时直接键入回车，Python 即返回空串。当然，这种做法中对 数据的处理要麻烦一点，需要将字符串转换为数值类型以便进行求和计算。下面是以字符串 方式输入数值数据的求和程序版本： 【程序 3.12】eg3_12.py ``` sum = 0 x = raw_input("Input a number (<Enter> to quit): ") while x != "": sum = sum + eval(x) x = raw_input("Input a number (<Enter> to quit): ") print "The sum is", sum ``` 执行示例如下： ``` Input a number ( to quit): 2 Input a number ( to quit): 5 Input a number ( to quit): -8 Input a number ( to quit): The sum is -1 ``` 此运行示例的第四行中，输入时直接按回车键，导致 Python 将空串赋值给了 x，从而使循环 终止。 > ① 意为 End-Of-File 在哨兵循环模式中有一个容易犯错误的地方：当用户的前导输入本身就是哨兵，从而导致循环一次也不执行时，while 后面的语句可能没有预料这种情况，导致无法正确执行。例如， 我们将程序 3.11 改成计算平均值，算法基本不变：反复输入数据，在循环中累加数据总和 sum 及数据计数 count，当用户输入哨兵－1 时退出循环并计算平均值。代码如下： ``` sum = 0 count = 0 x = input("Input a number (-1 to quit): ") while x >= 0: sum = sum + x count = count + 1 x = input("Input a number (-1 to quit): ") print "The average is", sum / count ``` 运行此程序，并且首先输入－1，看看会发生什么？是的，由于未进入循环，sum 和 count 都保持为初始值 0，while 的下一条语句在计算平均值的时候发生了除数为 0 的错误！ 后测试循环 前面介绍的 while 循环例子都是“前测试”循环，即先检测循环条件，再进入循环。显 然，如果首次测试条件得到 False，则循环体就会一次也不执行。有些实际应用问题要求循环 体必须至少执行一次，例如“输入合法性检查”问题。用户输入数据，程序检查用户的输入 是否合法：如果合法则程序继续向后执行，否则就回到前面要求用户重新输入，直至输入合 法为止。这种输入合法性检查在程序设计中是非常普遍的，好的程序员应该尽量对用户的输 入进行合法性检查。为了实现输入合法性检查，显然需要先获得用户的输入，然后进入循环 语句，即循环至少会执行一次，最后再测试条件决定是否继续循环。因此，我们需要一种“后 测试”循环结构。 有一些语言提供了 repeat-until 或者 do-while 循环结构来实现后测试循环，其语义分别是 “重复做某事，直至满足某条件”和“做某事，当满足条件时重复”。这种循环结构的流程图 如图 3.10 所示①。  图 3.10 后测试循环控制结构 从图中可见循环体至少执行一次，而循环条件检测位于循环体的最后，这正是“后测试”名称的由来。 > ① 细微差别：这个流程图其实是 repeat-until 结构。将 True 和 False 互换位置，才是 do-while 结构。 Python 语言没有提供类似 repeat-until 结构的语句，但我们不难用 while 来实现后测试循环：只要保证循环条件初始为 True，自然就会执行一次循环体，而后续循环由条件测试决定。 例如，假设程序要求用户输入一个正数，则可用下面的代码片段来检查输入合法性： ``` x = -1 while x < 0: x = input("Please input a positive number: ") ``` 其中第一行的作用是使首次条件检测为真，因此循环体至少执行一次；接下去的条件检测就 相当于位于循环体最后，整个语句也就等价于后测试循环。 不难看出，程序 3.10 中的交互式循环将 moredata 初始化为 True，因此实际上是后测试 循环的一种，效果是使用户至少输入一个数据。 while 计数器循环 虽然一般来说 for 语句用于固定次数的循环，while 语句用于不定次数的循环，但两者之 间并无本质不同，完全可以用 while 来实现固定次数的循环。为了循环 n 次，用 while 实现的 计数器循环模式如下： ``` 计数器 count 置为 0 while count < n: 处理代码 count ＝ count + 1 ``` 可见，用 while 语句实现计数器循环时需要手动控制循环控制变量 count 的变化，而 for 语句是自动处理的。使用时具体要注意两点：第一，必须为 count 赋初值，否则 while 后的布 尔表达式无法计算；第二，必须在循环体中改变 count 的值，否则会导致无穷循环。 例如，前面罚写 10 遍“烦”字的计数器循环，可以用 while 语句实现如下： ``` >>> i = 0 >>> while i < 10: print "烦", i = i + 1 烦 烦 烦 烦 烦 烦 烦 烦 烦 烦 ``` 在此例中，i 初值为 0，以后每次循环都加 1，由于从 0 到 9 都是满足循环条件的，所以 总共执行 10 次循环。第 10 次循环后，i 值为 10，不满足循环条件，故退出循环，控制转到 下一条语句。 上面的 while 计数器循环模式是让计数器从小到大变化，同样常用的还有让计数器从大 到小变化的模式： ``` 计数器 count 置为 n while count > 0 处理代码 count ＝ count - 1 ``` 使用这种模式实现上面的例子，代码如下： ``` >>> i = 10 >>> while i > 0: print "烦", i = i - 1 烦 烦 烦 烦 烦 烦 烦 烦 烦 烦 ``` 值得一提的是，计算机编程中我们经常是从 0 开始计数的，而不是日常生活中的从 1 开始。上例中的 while 语句都是对从 0 到 9 的 10 个值进行循环。如果读者更习惯从 1 开始计数， 也可以先为 count 赋予初值 1，然后在循环体中不断加 1，从而实现对从 1 到 10 的 10 个值进 行循环，这样能与日常说的第 1 次、第 2 次、…、第 10 次在序数上对应起来。但是要注意的 是，这时需要将循环条件改成 count<=10 或 count<11。循环控制变量的边界值是初学者容易 犯错的地方，经常导致循环次数多 1 次或少 1 次。