编程的力量——控制流

程序就是一系列指令。但编程真正的力量不仅在于运行（或“执行”）一条接一条的指令，就像周末的任务清单那样。根据表达式求值的结果，程序可以决定跳过指令，重复指令，或从几条指令中选择一条运行。实际上，你几乎永远不希望程序从第一行代码开始，简单地执行每行代码，直到最后一行。“控制流语句”可以决定在什么条件下执行哪些Python语句。

图1展示了一张流程图，内容是如果下雨怎么办。按照箭头构成的路径，从开始到结束。

在流程图中，通常有不止一种方法从开始走到结束。计算机程序中的代码行也是这样。流程图用菱形表示这些分支节点，其他步骤用矩形表示。开始和结束步骤用带圆角的矩形表示。

但在学习流程控制语句之前，首先要学习如何表示这些yes和no选项。同时你也需要理解，如何将这些分支节点写成Python代码。要做到这一点，让我们先看看布尔值、比较操作符和布尔操作符。

图1 一张流程图，告诉你如果下雨要做什么

1 布尔值

虽然整型、浮点型和字符串数据类型有无数种可能的值，但“布尔”数据类型只有两种值：True和False。Boolean（布尔）的首字母大写，因为这个数据类型是根据数学家George Boole命名的。在作为Python代码输入时，布尔值True和False不像字符串，两边没有引号，它们总是以大写字母T或F开头，后面的字母小写。在交互式环境中输入下面内容，其中有些指令是故意弄错的，它们将导致出错信息。

像其他值一样，布尔值也用在表达式中，并且可以保存在变量中❶。如果大小写不正确❷，或者试图使用True和False作为变量名❸，Python就会给出错误信息。

2 比较操作符

“比较操作符”比较两个值，求值为一个布尔值。表1列出了比较操作符。

表1 比较操作符

操作符

这些操作符根据给它们提供的值，求值为True或False。现在让我们尝试一些操作符，从==和！=开始。

如果两边的值一样，==（等于）求值为True。如果两边的值不同，!=（不等于）求值为True。==和!=操作符实际上可以用于所有数据类型的值。

请注意，整型或浮点型的值永远不会与字符串相等。表达式42 == '42'❶求值为False是因为，Python认为整数42与字符串'42'不同。

另一方面，<、>、<=和>=操作符仅用于整型和浮点型值。

操作符的区别

你可能已经注意到，==操作符（等于）有两个等号，而=操作符（赋值）只有一个等号。这两个操作符很容易混淆。只要记住：

• ==操作符（等于）问两个值是否彼此相同。

• =操作符（赋值）将右边的值放到左边的变量中。

为了记住谁是谁，请注意==操作符（等于）包含两个字符，就像!=操作符（不等于）包含两个字符一样。

你会经常用比较操作符比较一个变量和另外某个值。就像在例子eggCount <= 42❶和myAge >= 10❷中一样（毕竟，除了在代码中输入'dog' != 'cat'以外，你本来也可以直接输入True）。稍后，在学习控制流语句时，你会看到更多的例子。

3. 布尔操作符

3个布尔操作符（and、or和not）用于比较布尔值。像比较操作符一样，它们将这些表达式求值为一个布尔值。让我们仔细看看这些操作符，从and操作符开始。

(1) 二元布尔操作符

and和or操作符总是接受两个布尔值（或表达式），所以它们被认为是“二元”操作符。如果两个布尔值都为True，and操作符就将表达式求值为True，否则求值为False。在交互式环境中输入某个使用and的表达式，看看效果。

“真值表”显示了布尔操作符的所有可能结果。表2是操作符and的真值表。

表2 and操作符的真值表

另一方面，只要有一个布尔值为真，or操作符就将表达式求值为True。如果都是False，所求值为False。

可以在or操作符的真值表中看到每一种可能的结果，如表3所示。

表3 or操作符的真值表

(2) not操作符

和and和or不同，not操作符只作用于一个布尔值（或表达式）。not操作符求值为相反的布尔值。

就像在说话和写作中使用双重否定，你可以嵌套not操作符❶，虽然在真正的程序中并不经常这样做。表4展示了not的真值表。

表4 not操作符的真值表

4 混合布尔和比较操作符

既然比较操作符求值为布尔值，就可以和布尔操作符一起，在表达式中使用。

回忆一下，and、or和not操作符称为布尔操作符是因为，它们总是操作于布尔值。虽然像4 < 5这样的表达式不是布尔值，但可以求值为布尔值。在交互式环境中，尝试输入一些使用比较操作符的布尔表达式。

计算机将先求值左边的表达式，然后再求值右边的表达式。知道两个布尔值后，它又将整个表达式再求值为一个布尔值。你可以认为计算机求值(4 < 5)和(5 < 6)的过程，如图2所示。

图2 (4 < 5)和 (5 < 6) 求值为True的过程

也可以在一个表达式中使用多个布尔操作符，与比较操作符一起使用。

和算术操作符一样，布尔操作符也有操作顺序。在所有算术和比较操作符求值后，Python先求值not操作符，然后是and操作符，然后是or操作符。

5 控制流的元素

控制流语句的开始部分通常是“条件”，接下来是一个代码块，称为“子句”。在开始学习具体的Python控制流语句之前，我将介绍条件和代码块。

(1) 条件

你前面看到的布尔表达式可以看成是条件，它和表达式是一回事。“条件”只是在控制流语句的上下文中更具体的名称。条件总是求值为一个布尔值，True或False。控制流语句根据条件是True还是False，来决定做什么。几乎所有的控制流语句都使用条件。

(2)代码块

一些代码行可以作为一组，放在“代码块”中。可以根据代码行的缩进，知道代码块的开始和结束。代码块有3条规则。

1．缩进增加时，代码块开始。

2．代码块可以包含其他代码块。

3．缩进减少为零，或减少为外面包围代码块的缩进，代码块就结束了。

看一些有缩进的代码，更容易理解代码块。所以让我们在一小段游戏程序中，寻找代码块，如下所示：

第一个代码块❶开始于代码行print('Hello Mary')，并且包含后面所有的行。在这个代码块中有另一个代码块❷，它只有一行代码：print('Access Granted.')。第三个代码块❸也只有一行：print('Wrong password.')。

6 程序执行

“程序执行”（或简称“执行”）这一术语是指当前被执行的指令。如果将源代码打印在纸上，在它执行时用手指指着每一行代码，你可以认为手指就是程序执行。

但是，并非所有的程序都是从上至下简单地执行。如果用手指追踪一个带有控制流语句的程序，可能会发现手指会根据条件跳过源代码，有可能跳过整个子句。

7 控制流语句

现在，让我们来看最重要的控制流部分：语句本身。语句代表了在图1的流程图中看到的菱形，它们是程序将做出的实际决定。

(1) if语句

最常见的控制流语句是if语句。if语句的子句（也就是紧跟if语句的语句块），将在语句的条件为True时执行。如果条件为False，子句将跳过。

在英文中，if语句念起来可能是：“如果条件为真，执行子句中的代码。”在Python中，if语句包含以下部分：

• if关键字；

• 条件（即求值为True或False的表达式）；

• 冒号；

• 在下一行开始，缩进的代码块（称为if子句）。

例如，假定有一些代码，检查某人的名字是否为Alice（假设此前曾为name赋值）。

所有控制流语句都以冒号结尾，后面跟着一个新的代码块（子句）。语句的if子句是代码块，包含print('Hi, Alice.')。图3展示了这段代码的流程图。

图3 if语句的流程图

(2) else语句

if子句后面有时候也可以跟着else语句。只有if语句的条件为False时，else子句才会执行。在英语中，else语句读起来可能是：“如果条件为真，执行这段代码。否则，执行那段代码”。else语句不包含条件，在代码中，else语句中包含下面部分：

• else关键字；

• 冒号；

• 在下一行开始，缩进的代码块（称为else子句）。

回到Alice的例子，我们来看看使用else语句的一些代码，在名字不是Alice时，提供不一样的问候。

图4 展示了这段代码的流程图。

图4 else语句的流程图

(3) elif语句

虽然只有if或else子句会被执行，但有时候可能你希望，“许多”可能的子句中有一个被执行。elif语句是“否则如果”，总是跟在if或另一条elif语句后面。它提供了另一个条件，仅在前面的条件为False时才检查该条件。在代码中，elif语句总是包含以下部分：

• elif关键字；

• 条件（即求值为True或False的表达式）；

• 冒号；

• 在下一行开始，缩进的代码块（称为elif子句）。

让我们在名字检查程序中添加elif，看看这个语句的效果。

这一次，检查此人的年龄。如果比 12 岁小，就告诉他一些不同的东西。可以在图5中看到这段代码的流程图。

如果age < 12为True并且name == 'Alice'为False，elif子句就会执行。但是，如果两个条件都为False，那么两个子句都会跳过。“不能”保证至少有一个子句会被执行。如果有一系列的elif语句，仅有一条或零条子句会被执行。一旦一个语句的条件为True，剩下的elif子句会自动跳过。例如，打开一个新的文件编辑器窗口，输入以下代码，保存为vampire.py。

图5 elif语句的流程图

这里，我添加了另外两条elif语句，让名字检查程序根据age的不同答案而发出问候。图6展示了这段代码的流程图。

但是，elif语句的次序确实重要。让我们重新排序，引入一个缺陷。回忆一下，一旦找到一个True条件，剩余的子句就会自动跳过。所以如果交换vampire.py中的一些子句，就会遇到问题。像下面这样改变代码，将它保存为vampire2.py。

假设在这段代码执行之前，age变量的值是3000。你可能预计代码会打印出字符串'Unlike you, Alice is not an undead, immortal vampire.'。但是，因为age > 100条件为真（毕竟3000大于100）❶，字符串'You are not Alice, grannie.'被打印出来，剩下的语句自动跳过。别忘了，最多只有一个子句会执行，对于elif语句，次序是很重要的。

图7展示了前面代码的流程图。请注意，菱形age > 100和age > 2000交换了位置。

图7 vampire2.py程序的流程图。打叉的路径在逻辑上永远不会发生， 因为如果age大于2000，它就已经大于100了

你可以选择在最后的elif语句后面加上else语句。在这种情况下，保证至少一个子句（且只有一个）会执行。如果每个if和elif语句中的条件都为False，就执行else子句。例如，让我们使用if、elif和else子句重新编写Alicee程序。

图8展示了这段新代码的流程图，我们将它保存为littleKid.py。

图8 前面littleKid.py程序的流程图

在英语中，这类控制流结构会使得：“如果第一个条件为真，做这个。否则，如果第二个条件为真，做那个。否则，做另外的事。”如果你同时使用这3个语句，要记住这些次序规则，避免图2-7中那样的缺陷。首先，总是只有一个if语句。所有需要的elif语句都应该跟在if语句之后。其次，如果希望确保至少一条子句被执行，在最后加上else语句。

(4) while循环语句

利用while语句，可以让一个代码块一遍又一遍的执行。只要while语句的条件为True，while子句中的代码就会执行。在代码中，while语句总是包含下面几部分：

• 关键字；

• 条件（求值为True或False的表达式）；

• 冒号；

• 从新行开始，缩进的代码块（称为while子句）。

可以看到，while语句看起来和if语句类似。不同之处是它们的行为。if子句结束时，程序继续执行if语句之后的语句。但在while子句结束时，程序执行跳回到while语句开始处。while子句常被称为“while循环”，或就是“循环”。

让我们来看一个if语句和一个while循环。它们使用同样的条件，并基于该条件做出同样的动作。下面是if语句的代码：

下面是while语句的代码：

这些语句类似，if和while都检查spam的值，如果它小于５，就打印一条消息。但如果运行这两段代码，它们各自的表现非常不同。对于if语句，输出就是"Hello, world."。但对于while语句，输出是"Hello, world."重复了5次！看一看这两段代码的流程图，图9和10，找一找原因。

图9 if语句代码的流程图

图10 while语句代码的流程图

带有if语句的代码检查条件，如果条件为True，就打印一次"Hello, world."。带有while循环的代码则不同，会打印5次。打印5次后停下来是因为，在每次循环迭代末尾，spam中的整数都增加1。这意味着循环将执行5次，然后spam < 5变为False。

在while循环中，条件总是在每次“迭代”开始时检查（也就是每次循环执行时）。如果条件为True，子句就会执行，然后，再次检查条件。当条件第一次为False时，while子句就跳过。

(5) 恼人的循环

这里有一个小例子，它不停地要求你输入“your name”（就是这个字符串，而不是你的名字）。选择FileNew Window，打开一个新的文件编辑器窗口，输入以下代码，将文件保存为yourName.py：

首先，程序将变量name❶设置为一个空字符串。这样，条件name != 'your name'就会求值为True，程序就会进入while循环的子句❷。

这个子句内的代码要求用户输入他们的名字，然后赋给name变量❸。因为这是语句块的最后一行，所以执行就回到while循环的开始，重新对条件求值。如果name中的值“不等于”字符串'your name'，那么条件就为True，执行将再次进入while子句。

但如果用户输入your name，while循环的条件就变成'your name' != 'your name'，它求值为False。条件现在是False，程序就不会再次进入while循环子句，而是跳过它，继续执行程序后面的部分❹。图11展示了yourName.py程序的流程图。

图11 yourName.py程序的流程图

现在，让我们来看看yourName.py程序的效果。按F5键运行它，输几次your name之外的东西，然后再提供程序想要的输入。

如果永不输入your name，那么循环的条件就永远为False，程序将永远问下去。这里，input()调用让用户输入正确的字符串，以便让程序继续。在其他程序，条件可能永远没有实际变化，这可能会出问题。让我们来看看如何跳出循环。

(6) break语句

有一个捷径，让执行提前跳出while循环子句。如果执行遇到break语句，就会马上退出while循环子句。在代码中，break语句仅包含break关键字。

非常简单，对吗？这里有一个程序，和前面的程序做一样的事情，但使用了break语句来跳出循环。输入以下代码，将文件保存为yourName2.py：

第一行❶创建了一个“无限循环”，它是一个条件总是为True的while循环。（表达式True总是求值为True。）程序执行将总是进入循环，只有遇到break语句执行时才会退出（“永远不”退出的无限循环是一个常见的编程缺陷）。

像以前一样，程序要求用户输入your name❷。但是现在，虽然执行仍然在while循环内，但有一个if语句会被执行❸，检查name是否等于your name。如果条件为True，break语句就会运行❹，执行就会跳出循环，转到print('Thank you!') ❺。否则，包含break语句的if语句子句就会跳过，让执行到达while循环的末尾。此时，程序执行跳回到while语句的开始❶，重新检查条件。因为条件是True，所以执行进入循环，再次要求用户输入your name。这个程序的流程图参见图12。

运行yourName2.py，输入你为yourName.py程序输入的同样文本。重写的程序应该和原来的程序反应相同。

图12 带有无限循环的程序的流程图。注意打叉路径在逻辑上 永远不会发生，因为循环条件总是为True

(7) continue语句

像break语句一样，continue语句用于循环内部。如果程序执行遇到continue语句，就会马上跳回到循环开始处，重新对循环条件求值（这也是执行到达循环末尾时发生的事情）。

让我们用continue写一个程序，要求输入名字和口令。在一个新的文件编辑窗口中输入以下代码，将程序保存为swordfish.py。

如果用户输入的名字不是Joe❶，continue语句❷将导致程序执行跳回到循环开始处。再次对条件求值时，执行总是进入循环，因为条件就是True。如果执行通过了if语句，用户就被要求输入口令❸。如果输入的口令是swordfish，break语句运行❹，执行跳出while循环，打印Access granted❺。否则，执行继续到while循环的末尾，又跳回到循环的开始。这个程序的流程图参见图13。

陷在无限循环中？

如果你运行一个有缺陷的程序，导致陷在一个无限循环中，那么请按Ctrl-C。这将向程序发送KeyboardInterrupt错误，导致它立即停止。试一下，在文件编辑器中创建一个简单的无限循环，将它保存为infiniteloop.py。

while True:   print('Hello world!')

如果运行这个程序，它将永远在屏幕上打印Hello world！因为while语句的条件总是True。在IDLE的交互式环境窗口中，只有两种办法停止这个程序：按下Ctrl-C或从菜单中选择ShellRestart Shell。如果你希望马上停止程序，即使它不是陷在一个无限循环中，Ctrl-C也是很方便的。

运行这个程序，提供一些输入。只有你声称是Joe，它才会要求输入口令。一旦输入了正确的口令，它就会退出。

图13 swordfish.py的流程图。打叉的路径在逻辑上永远不会执行，因为循环条件总是True

(8) for循环和range()函数

在条件为True时，while循环就会继续循环（这是它的名称的由来）。但如果你想让一个代码块执行固定次数，该怎么办？可以通过for循环语句和range()函数来实现。

“类真”和“类假”的值

在代码中，for语句看起来像for i in range(5):这样，总是包含以下部分：

• for关键字；

• 一个变量名；

• in关键字；

• 调用range()方法，最多传入3个参数；

• 冒号；

• 从下一行开始，缩退的代码块（称为for子句）。

让我们创建一个新的程序，名为fiveTimes.py，看看for循环的效果。

for循环子句中的代码运行了5次。第一次运行时，变量i被设为0。子句中的print()调用将打印出Jimmy Five Times (0)。Python完成for循环子句内所有代码的一次迭代之后，执行将回到循环的顶部，for语句让i增加1。这就是为什么range(5)导致子句的5次迭代，i分别被设置为0、1、2、3、4。变量i将递增到（但不包括）传递给range()函数的整数。图2-14展示了fiveTimes.py程序的流程图。

图14 fiveTimes.py的流程图

运行这个程序时，它将打印5次Jimmy Five Times和i的值，然后离开for循环。

也可以在循环中使用continue语句。continue语句将让for循环变量继续下一个值，就像程序执行已经到达循环的末尾并返回开始一样。实际上，只能在while和for循环内部使用continue和break语句。如果试图在别处使用这些语句，Python将报错。

作为for循环的另一个例子，请考虑数学家高斯的故事。当高斯还是一个小孩时，老师想给全班同学布置很多计算作业。老师让他们从0加到100。高斯想到了一个聪明办法，在几秒钟内算出了答案，但你可以用for循环写一个Python程序，替你完成计算。

结果应该是5050。程序刚开始时，total变量被设为0。然后for循环执行100次total = total + num。当循环完成100次迭代时，0到100的每个整数都加给了total。这时，total被打印到屏幕上。即使在最慢的计算机上，这个程序也不用1秒钟就能完成计算。

（小高斯想到，有50对数加起来是100：1 + 99, 2 + 98, 3 + 97……直到49 + 51。因为50 × 100 是5000，再加上中间的50，所以0到100的所有数之和是5050。聪明的孩子！）

(9) 等价的while循环

实际上可以用while循环来做和for循环同样的事，for循环只是更简洁。让我们用与for循环等价的while循环，重写fiveTimes.py。

运行这个程序，输出应该和使用for循环的fiveTimes.py程序一样。

(10) range()的开始、停止和步长参数

某些函数可以用多个参数调用，参数之间用逗号分开，range()就是其中之一。这让你能够改变传递给range()的整数，实现各种整数序列，包括从0以外的值开始。

第一个参数是for循环变量开始的值，第二个参数是上限，但不包含它，也就是循环停止的数字。

range()函数也可以有第三个参数。前两个参数分别是起始值和终止值，第三个参数是“步长”。步长是每次迭代后循环变量增加的值。

所以调用range(0, 10, 2)将从0数到8，间隔为2。

在为for循环生成序列数据方面，range()函数很灵活。举例来说，甚至可以用负数作为步长参数，让循环计数逐渐减少，而不是增加。

运行一个for循环，用range(5, -1, -1)来打印i，结果将从5降至0。

8 导入模块

Python程序可以调用一组基本的函数，这称为“内建函数”，包括你见到过的print()、input()和len()函数。Python也包括一组模块，称为“标准库”。每个模块都是一个Python程序，包含一组相关的函数，可以嵌入你的程序之中。例如，math模块有数学运算相关的函数，random模块有随机数相关的函数，等等。

在开始使用一个模块中的函数之前，必须用import语句导入该模块。在代码中，import语句包含以下部分：

• import关键字；

• 模块的名称；

• 可选的更多模块名称，之间用逗号隔开。

在导入一个模块后，就可以使用该模块中所有很酷的函数。让我们试一试random模块，它让我们能使用random.ranint()函数。

在文件编辑器中输入以下代码，保存为printRandom.py：

random.randint()函数调用求值为传递给它的两个整数之间的一个随机整数。因为randint()属于random模块，必须在函数名称之前先加上random.，告诉python在random模块中寻找这个函数。

下面是import语句的例子，它导入了4个不同的模块：

现在我们可以使用这4个模块中的所有函数。本书后面我们将学习更多的相关内容。

from import语句

import语句的另一种形式包括from关键字，之后是模块名称，import关键字和一个星号，例如from random import *。

使用这种形式的import语句，调用random模块中的函数时不需要random.前缀。但是，使用完整的名称会让代码更可读，所以最好是使用普通形式的import语句。

9 用sys.exit()提前结束程序

要介绍的最后一个控制流概念，是如何终止程序。当程序执行到指令的底部时，总是会终止。但是，通过调用sys.exit()函数，可以让程序终止或退出。因为这个函数在sys模块中，所以必须先导入sys，才能使用它。

打开一个新的文件编辑器窗口，输入以下代码。保存为exitExample.py：

在IDLE中运行这个程序。该程序有一个无限循环，里面没有break语句。结束该程序的唯一方式，就是用户输入exit，导致sys.exit()被调用。如果response等于exit，程序就会中止。因为response变量由input()函数赋值，所以用户必须输入exit，才能停止该程序。

本文节选自《Python编程快速上手——让繁琐工作自动化》

内容简介

如今，人们面临的大多数任务都可以通过编写计算机软件来完成。Python是一种解释型、面向对象、动态数据类型的高级程序设计语言。通过Python编程，我们能够解决现实生活中的很多任务。

本书是一本面向实践的Python编程实用指南。本书的目的，不仅是介绍Python语言的基础知识，而且还通过项目实践教会读者如何应用这些知识和技能。本书的第一部分介绍了基本的Python编程概念，第二部分介绍了一些不同的任务，通过编写Python程序，可以让计算机自动完成它们。第二部分的每一章都有一些项目程序，供读者学习。每章的末尾还提供了一些习题和深入的实践项目，帮助读者巩固所学的知识。附录部分提供了所有习题的解答。

本书适合任何想要通过Python学习编程的读者，尤其适合缺乏编程基础的初学者。通过阅读本书，读者将能利用最强大的编程语言和工具，并且将体会到Python编程的快乐。

本文章转载自异步社区

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