3.3　循环结构

循环结构用来重复执行一条或多条语句，使用循环结构可以减少源程序重复书写的工作量。许多算法需要使用到循环结构，Python使用for语句和while语句来实现循环结构。

3.3.1　可迭代对象

可迭代对象（iterable）一次返回一个元素，因此适用于循环。Python（）包括以下几种可迭代对象：序列（sequence），例如字符串（str）、列表（list）、元组（tuple）等；字典（dict）；文件对象；迭代器对象（iterator）；生成器函数（generator）。

迭代器是一个对象，表示可迭代的数据集合，包括方法__iter__（）和__next__（），可以实现迭代功能。

生成器是一个函数，使用yield语句，每次产生一个值，也可以用于循环迭代。

3.3.2　range对象

Python 3中的内置对象range是一个迭代器对象，在迭代时产生指定范围的数字序列，其格式如下。

range返回的数字序列从start开始，到stop结束（不包含stop）。如果指定了可选的步长step，则序列按步长step增长。例如：

注意，Python 2中range的类型为函数，是一个生成器；Python 3中range的类型为类，是一个迭代器。

3.3.3　for循环

for语句用于遍历可迭代对象集合中的元素，并对集合中的每个元素执行一次相关的嵌入语句。当集合中的所有元素完成迭代后，控制传递给for之后的下一个语句。for语句的格式如下。

例如：

【例3.9】　利用for循环求1～100中所有奇数的和以及所有偶数的和（for_sum1_100.py）。

程序运行结果如下。

3.3.4　while循环

与for循环一样，while也是一个预测试的循环，但是while在循环开始前并不知道重复执行循环语句序列的次数。while语句按不同条件执行循环语句（块）零次或多次。while循环语句的格式如下。

while循环的执行流程如图3-4所示。

说明：

（1）while循环语句的执行过程如下。

①计算条件表达式。

②如果条件表达式的结果为True，控制将转到循环语句（块），即进入循环体。当到达循环语句序列的结束点时转①，即控制转到while语句的开始，继续循环。

③如果条件表达式的结果为False，退出while循环，即控制转到while循环语句的后继语句。

（2）条件表达式是每次进入循环之前进行判断的条件，可以为关系表达式或逻辑表达式，其运算结果为True（真）或False（假）。在条件表达式中必须包含控制循环的变量。

（3）循环语句序列可以是一条语句，也可以是多条语句。

（4）在循环语句序列中至少应包含改变循环条件的语句，以使循环趋于结束，避免“死循环”。

【例3.10】　利用while循环求，以及1～100中所有奇数的和、所有偶数的和（while_sum.py）。

程序运行结果如下。

【例3.11】　用以下近似公式求自然对数的底数e的值，直到最后一项的绝对值小于10^-6为止（while_e.py）。

程序运行结果如下。

3.3.5　循环的嵌套

若在一个循环体内又包含另一个完整的循环结构，则称之为循环的嵌套。这种语句结构称为多重循环结构。在内层循环中还可以包含新的循环，以形成多层循环结构。

在多层循环结构中两种循环语句（for循环、while循环）可以相互嵌套。多重循环的循环次数等于每一重循环次数的乘积。

【例3.12】　利用嵌套循环打印运行效果如图3-5所示的九九乘法表（nest_for.py）。

思考：请修改程序，分别打印如图3-6（a）和图3-6（b）所示的九九乘法表。

3.3.6　break语句

break语句用于退出for、while循环，即提前结束循环，接着执行循环语句的后继语句。注意，当多个for、while语句彼此嵌套时，break语句只应用于最里层的语句，即break语句只能跳出最近的一层循环。

【例3.13】　使用break语句中止循环（break.py）。

程序运行结果如下。

【例3.14】　编程判断所输入的任意一个正整数是否为素数（prime1.py和prime2.py）。

所谓素数（或称质数），是指除了1和该数本身之外不能被任何整数整除的正整数。判断一个正整数m是否为素数，只要判断m可否被中的任何一个整数整除即可，如果m不能被此范围中的任何一个整数整除，m即为素数，否则m为合数。

方法一（利用for循环和break语句）：

方法二（利用while循环和bool变量）：

3.3.7　continue语句

continue语句类似于break语句，也必须在for、while循环中使用，但它结束本次循环，即跳过循环体内continue下面尚未执行的语句，返回到循环的起始处，并根据循环条件判断是否执行下一次循环。

continue语句和break语句的区别在于：continue语句仅结束本次循环，并返回到循环的起始处，如果循环条件满足就开始执行下一次循环；而break语句则是结束循环，跳转到循环的后继语句执行。

与break语句类似，当多个for、while语句彼此嵌套时continue语句只应用于最里层的语句。

【例3.15】　使用continue语句跳过循环示例（continue_score.py）。要求输入若干学生成绩（按Q或q键结束），如果成绩＜0，则重新输入。统计学生人数和平均成绩。

程序运行结果如下。

【例3.16】　显示100～200不能被3整除的数（continue_div3.py）。要求一行显示10个数。程序运行结果如图3-7所示。

3.3.8　死循环

如果while循环结构中的循环控制条件一直为真，则循环将无限继续，程序将一直运行下去，从而形成死循环。

当程序死循环时会造成程序没有任何响应，或者造成不断输出（例如控制台输出、文件写入、打印输出等）。

在程序的循环体中，插入调试输出语句，可以判断程序是否为死循环。注意，有的程序算法十分复杂，可能需要运行很长时间，但并不是死循环。

在大多数计算机系统中，可以使用Ctrl+C组合键中止当前程序的运行。

【例3.17】　死循环示例（infinite.py）。

本程序因为循环条件为“while True”，所以将一直重复提示用户输入一个正数，计算并输出该数的平方根，从而形成死循环。所以，最后的“print（＂Good bye!＂）”语句将没有机会执行。

3.3.9　else子句

for、while语句可以附带一个else子句（可选）。如果for、while语句没有被break语句中止，则会执行else子句，否则不执行。其语法如下。

或者：

【例3.18】　使用for语句的else子句（for_else.py）。

程序运行结果如下。

3.3.10　enumerate（）函数和循环

Python语言的for循环直接迭代对象集合中的元素，如果需要在循环中使用索引下标访问集合元素，则可以使用内置的enumerate（）函数。

enumerate（）函数用于将一个可遍历的数据对象（例如列表、元组或字符串）组合为一个索引序列，并返回一个可迭代对象，故在for循环当中可直接迭代下标和元素。

【例3.19】　enumerate（）函数和下标元素循环示例（enumerate.py）。

程序运行结果如下。

3.3.11　zip（）函数和循环

如果需要并行遍历多个可迭代对象，则可以使用Python的内置函数zip（）。

zip（）函数将多个可迭代对象中对应的元素打包成一个个元组，然后返回一个可迭代对象。如果元素的个数不一致，则返回列表的长度与最短的对象相同。

利用运算符*还可以实现将元组解压为列表。例如：

【例3.20】　zip（）函数和并行循环示例（zip.py）。

程序运行结果如下。

3.3.12　map（）函数和循环

如果需要遍历可迭代对象，并使用指定函数处理对应的元素，则可以使用Python的内置函数map（）。

map（func，seq1[，seq2，…]）函数将func作用于seq中的每一个元素，并将所有的调用结果作为可迭代对象返回。如果func为None，该函数的作用等同于zip（）函数。

例如，如果要返回列表中每个字符串的长度，可以使用内置的map（）函数和len（）函数：

【例3.21】　map（）函数和循环示例。

3.3.13　循环语句的典型示例代码

使用for语句和while语句都能实现循环功能，选择哪种语法构造取决于程序员的偏好。循环语句的典型示例如表3-2所示。

3.3.14　循环结构综合举例

【例3.22】　使用牛顿迭代法求解平方根（sqrt.py）。其运行效果如图3-8所示。

计算一个正实数a的平方根可以使用牛顿迭代法实现：首先假设t=a，开始循环，如果t=a/t（或小于容差），则t等于a的平方根，循环结束并返回结果；否则将t和a/t的平均值赋给t，继续循环。

【例3.23】　显示Fibonacci数列（for_fibonacci.py）：1、1、2、3、5、8……的前20项。即

要求每行显示4项。其运行效果如图3-9所示。

相关语句如下：