探索 Python（5）: 用 Python 编程 —— 控制流

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程序流

该探索 Python 系列的前 4 篇文章介绍了 Python 程序中常用的基本数据类型，包括：

内置的数值数据类型
Tuple 容器类型
String 容器类型
List 容器类型

该系列的前 4 篇文章也展示了一些简单的 Python 例子，这些例子管理保存有这四种类型的数据的变量。尽管我没有指出，但是我自然还是假设您像读一本书一样地读并解释代码。（至少英语中）自然的顺序是从页面或程序的顶端开始，然后从左往右读每一行。当达到行尾后，又是下一行的开始（或者叫做左端），依此类推，沿着页面（这里是指程序）往下走。

Python 解释器在其最简单的级别，以类似的方式操作，即从程序的顶端开始，然后一行一行地顺序执行程序语句。例如，清单 1 展示了几个简单的语句。当把它们键入 Python 解释器中（或者将它们保存在一个文件中，并作为一个 Python 程序来执行）时，读取语句的顺序是从左到右。当读到一个行结束符（比如换行符）时，Python 解释器就前进到下一行并继续，直到没有了代码行。

清单 1. 一个简单的 Python 程序

>>> i = 1

>>> type(i)

>>> l = [0, 1, 2, 3, 4]

>>> l * i

[0, 1, 2, 3, 4]

在本例中，语句以简单的顺序一个接一个。但是情况并不总是线性的。考虑一个个人的例子。您今天早上醒来，听了交通或天气报告（或者两者都听了）。根据交通报告，您可能选择了一条不同的上班路线；或者类似地，根据天气报告，您为周末计划了不同的活动。您的对策并不简单；根据您所获得的信息，生活的自然顺序迂回而曲折。

Python 像大多数编程语言一样，通过使用流控制语句，也可以以这种方式操作。在 Python 中，有 3 种基本的流控制语句：

if 语句，它基于测试表达式的结果执行一个特定的语句块。
while 循环，它当一个测试表达式为 true 时执行一个语句块。
for 循环，它对一个语句块执行一定次数。

这个列表相当简单，并且您可能从其他编程语言认识了这些流控制语句。但是您可能在想，语句块 是什么意思呢。在清单 1 中，您看到了几个简单的语句，包括一个变量初始化、一个方法调用（type 方法）和一个乘法操作。这些语句执行一个简单的操作，因此把它们叫做简单语句。

Python 也具有复合语句，即相关语句形成的语句组，其中包括简单和（可能）附加的复杂语句。例如，根据表达式的值（对个人来说，可能是对“今天的天气晴朗吗”之类问题的答案），一个复合语句可能执行不同的操作或者对一个操作重复多次。这一描述似乎有些类似于前一段的流控制描述。当然应该类似，因为流控制语句就是复合语句。

一个复合语句包括一个流控制指令，后跟一个冒号（:），然后再是一个程序语句块。语句块由一个或多个简单语句和复合语句组成。清单 2 中提供了一个简单的伪代码例子。

清单 2. 一个伪代码例子展示了简单语句和复杂语句

simple statement one

compound statement one:

simple statement two

simple statement three

compound statement two:

simple statement four

simple statement five

该语法看起来既熟悉又陌生，并且两种感觉来自相同的事情：缩进。在列大纲或步骤时，您可能会使用不同级别的缩进来分隔每一项，使得列出来的东西更加清晰可读。Python 遵循这一模型，使用缩进来分隔代码块与程序的其余部分。其他编程语言使用特殊的字符来区分代码块，比如基于 C 的语言中的花括号（{ 和 }）。这些其他语言也鼓励程序员使用缩进，以改善程序的可读性。

另一方面，Python 需要缩进以指示代码块。如果没有正确地缩进，Python 解释器会抛出异常。可以使用制表符来标记缩进，但是一般推荐使用空格。（为了一致性，我总是使用 4 个空格来缩进代码块。）理由很简单：空格字符只有一种解释方式。另一方面，制表符可以有不同的解释方式，根据所使用的平台或工具，可以解释为 2 个、4 个、6 个甚至 8 个空格。

增强程序可读性

缩进要求可能是 Python 的一个基本指导原则 —— Python 程序应该易于读和理解 —— 的最佳例子。但是这就跟工具一样，顽固分子也可能会编写晦涩的 Python 代码。例如，螺丝起子是用来起螺丝的，但是有时您也可能用来打开油漆盖子。

两个其他特性有助于编写易读的 Python 程序，并且这两者都遵循前面所用的书的比喻。首先，书中的行不会延伸到页面外面，都有固定的长度。其次，书中的行不是以特殊符号（比如分号）结束。这两个特性都贯穿于编写 Python 程序的过程中。

如果某个程序行太长，可以在文件中的下一物理行继续这一行。没有硬性规定一个代码行应该多长。但是一般限制为 80 个字符，这容易适合大多数显示器的一个打印页面。有几种方式来扩展超过一行的代码语句：

三引号字符串可以扩展到多个行。
括号中的表达式可以扩展到多个行。
可以使用继续字符（\）来在多行分割语句。

在 Python 中，不需要使用特殊字符（或符号）来指示语句的结束。这与有些语言不同。例如，基于 C 的语言使用分号（;）来指示代码行的结束。然而，有时候需要在一行放多个程序语句，例如初始化变量时。在这样的情况下，可以使用分号来分隔单个语句。

清单 3 中演示了这两种技术。

清单 3. 演示 Python 的可读性技术

>>> i1 = 10 ; i2 = 20 ; i3 = 30

>>>

>>> b = ((i1 < 20) and

... (i2 < 30) and

... (i3 < 40))

>>> b

True

>>>

>>> b = (i1 < 20) and \

... (i2 < 30) and \

... (i3 < 40)

>>>

>>> b

True

注意清单 3 中扩展到多个行的程序语句是如何缩进以改善可读性的。在本例中，缩进不是强制性的，就跟一个复合语句一样。但是正如您所见，缩进改善了程序的外观，因而强烈推荐进行缩进。

`if` 语句

最简单的流控制语句是 if 语句，它的基本语法在清单 4 中的伪代码中演示了。if 语句在一个布尔表达式计算为 True 时执行一个程序语句块。if 语句支持一个可选的 else 子句，指示当布尔表达式计算为 False 时应该处理的程序语句块。

清单 4. `if` 语句的基本语法

if(expression one):

# Action to take if expression one evaluates True

else:

# Action to take if all expression one evaluates False

如果您使用过其他编程语言，那么该语法看起来可能既熟悉又陌生。相似之处在于 if 语句的一般格式、名称、用于确定如何分支语句执行流的表达式的计算，以及用于处理当表达式计算为 False 时的情况的 else 子句。但是有两个方面是完全特定于 Python 的：带有冒号字符的 if 和else 语句的终止，以及 if 和 else 块中语句的缩进。正如所提到的，这两个特征是 Python 中流控制语句所必需的。

在清单 5 中，一个简单的 if/else 条件测试一个给定的数字是奇数还是偶数，并打印出结果。

清单 5. 一个简单的 `if` 语句例子

>>> i = 8

>>> if(i % 2):

... print "Odd Number"

... else:

... print "Even Number"

...

Even Number

一个似乎有些混乱的地方是 if 语句后面每一行前面的三个点（...）。当键入 if 语句和终止的冒号，并按键盘上的回车键时，Python 解释器就知道您输入了一个复合语句。因此，它就将提示符从三个大于符号（>>>）改为三个点（...）。因为 Python 需要缩进以错开当表达式计算为 True 或 False 时应该执行的语句块，所以两个 print 语句都缩进了 4 个空格。

if 语句（以及本文后面讨论的 elif 子句和 while 循环）中的表达式可以很复杂。它可以包括多个使用 Python 中支持的不同关系运算符的子表达式。而子表达式又可使用 and、or 和 not 逻辑运算符组合起来。本系列的第一篇文章“探索 Python（1）: Python 的内置数值类型”，包含更多关于布尔表达式和 Python 中不同关系和逻辑运算符的信息。

至此，已经看到了 if 语句可以如何用于根据一个特定布尔表达式的值，来执行两个程序语句块中的其中一个。然而在有些情况下，可能需要更多的选择。幸运的是，Python 提供了 if 语句的一个简单扩展。提供的解决方案非常简单：给 else 子句添加一个额外的 if 语句。结果是一个else if 语句，简写为 elif，如清单 6 所示。

清单 6. 使用 `elif` 语句

>>> i = -8

>>> if(i > 0):

... print "Positive Integer"

... elif(i < 0):

... print "Negative Integer"

... else:

... print "Zero"

...

Negative Integer

本例只包含一个 elif 语句，而实际中可根据程序需要包含任意多个。尽管它不是最优的解决方案，但是多个 elif 语句可以用于模拟其他一些语言中的 switch case 语句。

`while` 循环

Python 中的第二种流控制语句是 while 循环，它在一个表达式计算为 True 时执行一个程序语句块。while 循环与 if 语句一样，支持一个可选的 else 子句，其中包含一个当表达式计算为 False 时执行的程序语句块。但是对于 while 循环，这意味着在循环终止后，else 子句中的代码被执行一次（参见清单 7 中的伪代码）。

清单 7. `while` 循环的伪代码

while (expression):

# statements to execute while loop expression is True

else:

# statements to execute when loop expression is False

理解了 if 语句之后，while 循环理解起来就相当简单了。但是一定要知道，循环一直要执行到表达式计算为 False。这意味着循环体中执行的程序语句必须要改变表达式的值，否则循环将无法结束。如清单 8 所示。

清单 8. `while` 循环的一个简单例子

>>> i = 0 ; x = 10

>>> while(x > 0):

... i+=1 ; x -= 1

... else:

... print i, x

...

10 0

该例演示了几件事情。首先，它在一行中组合了变量初始化和变量修改：在本例中是 i 和 x 变量。其次，分别使用缩写形式的运算符 += 和 -=来递增 i 的值和递减 x 的值。在本例中，循环开始时 x 的值为 10。每通过一次循环，x 的值就递减 1。最后，x 的值为 0，此时循环退出，并执行 else 子句中的代码，打印出两个变量的值。

while 循环（与本文后面介绍的 for 循环一样）支持三种附加语句：

continue
break
pass

continue 和 break 语句分别用于在 while 循环中继续下一次循环或中断循环。这两个语句通常放在 if 语句体中，以便由一个特殊的条件触发 continue 或 break 操作。break 语句的一个特殊特性是，它完全中断循环，并跳转到循环下面的任一个 else 子句。

pass 语句什么都不做。它用作一个占位符，即在需要一个语句，但是程序逻辑不需要操作时使用。清单 9 中演示了这三种语句。

清单 9. 使用 `continue`、`break` 和 `pass` 语句

>>> i = 1

>>> while(i < 1000):

... i *= 5

... if(i % 25):

... continue

... if not (i % 125):

... break

... if not (i % 1000):

... pass

... else:

... print i

...

>>> print i

125

这个虚构的例子一直循环到变量 i 大于或等于 1,000。在循环中，将 i 乘以 5，然后测试 i 是否被 25 整除。记住，您只在表达式为 True 时执行 if 语句体。该表达式在当变量 i 不能被 25 整除时计算为 True。（在 Python 表达式中，非零数被计算为布尔值 True。）

循环体中的下一个语句是第二个 if 语句，它测试变量 i 是否能被 125 整除，但是该表达式前面加了一个 not 运算符。因此，当变量 i 的值能被 125 整除时执行第二个 if 语句体。此时，break 语句导致程序执行中断 while 循环，跳转到 else 子句。

最后一个 if 语句永远不会执行，只是用于演示如何在程序中编写 pass 语句。在后续文章中，将会介绍 pass 语句更相关的一些情况。

通过跟踪程序的逻辑流可以看到，第一次通过循环后，变量 i 的值变为 5。第一个 if 语句计算为 True，因为 5 不能被 25 整除。这就会第二次进入 while 循环，这次变量 i 变成了 25。现在第一个 if 语句计算为 False，因为 25 能被 25 整除。第二个和第三个 if 语句也计算为False，意味着第三次进入循环。这次变量 i 变成了 125，并且第一个 if 语句计算为 False。

但是第二个 if 语句计算为 True，因为变量 i 能被 125 整除（并且 not 运算符将结果 0 转换成布尔值 True）。这导致执行 break 语句，中断循环。else 子句永远不被执行，所以直到显式使用 print 语句之前不会输出任何东西。

`for` 循环

Python 中的 for 循环很特殊，与 Python 编程语言中内置的容器数据类型紧密相关。当您在现实生活中有一个容器对象（比如书包）时，您通常想要看它所包含的东西。在编写 Python 程序时也是这样的。当需要对某件事情做一定的次数时（就像针对容器中的每一项一样），可使用for 循环。清单 10 中的伪代码格式演示了 for 循环。

清单 10. `for` 循环的伪代码

for item in container:

# action to repeat for each item in the container

else:

# action to take once we have finished the loop.

由于 Python 容器类型的丰富特性，for 循环非常强大。本质上，for 循环涉及到一个迭代器（iterator），用于在集合中逐项移动。本系列的下一篇文章将更加详细地介绍 for 循环，以及如何正确地将它与不同容器类型一起使用。

控制流

本文介绍了三种 Python 程序语句：if 语句、while 循环和 for 循环。这三种语句通过选择执行哪些语句，或者通过多次执行一组语句，让您可以改变程序流。在后续文章中将大量用到这些语句。复合语句的特性引入了 Python 程序中的适当缩进特性，这使得 Python 程序易于读和理解。