3. 控制流语句

colorbox 示例

Title: blue box

Title: green box

Title: yellow box

Title: red box

编程真正的力量不仅在于运行（或执行）一条接一条的指令，它还可以决定跳过指令，重复指令，或从几条指令中选择一条运行。控制流语句可以决定在什么条件下执行哪些 Python 语句。

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。

• 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。
• 代码块给出具体要执行的 Python 语句

注意： 代码块要缩进。

3.1 if 语句

最常见的控制流语句是 if 语句。 if 语句的子句将在语句的条件为 True 时执行，如果条件为 False，子句将跳过。

if 子句后面有时候也跟着 else 语句。只有当 if 语句的条件为 False 时，else 子句才会被执行。

但有时候我们会希望将情况分为更多种可能，而不是简单的“非黑即白”，这时候我们可以使用 elif 语句，也就是“否则如果”。elif 总是跟在 if 或另一条 elif 语句后面，它提供了另一个条件，仅在前面的条件均为 False 时才检查该条件。

总的来说，if 语句的一般形式如下（请别忘了后面的冒号 :）：

if condition_1:
    statement_block_1
elif condition_2:
    statement_block_2
else:
    statement_block_3

• 如果 "condition_1" 为 True 将执行 "statement_block_1" 块语句
• 如果 "condition_1" 为 False，将判断 "condition_2"
• 如果 "condition_2" 为 True 将执行 "statement_block_2" 块语句
• 如果 "condition_2" 为 False，将执行 "statement_block_3" 块语句

if 语句有一个重要的特点，它是从上往下判断的。

这里我们举一个分段函数求值的例子，定义一个函数 $f(x)$ 为

$$ f(x) = \begin{cases} 3x-5, \quad&(x>1)\\ x+2, & (-1\leq x\leq 1)\\ 5x+3,& (x<-1) \end{cases} $$

x = float(input('x = '))
if x > 1:
    y = 3 * x - 5
elif x >= -1:
    y = x + 2
else:
    y = 5 * x + 3
print('f(%.2f) = %.2f' % (x, y)) 
# 这里的 %.2f 是我们前面提到的格式化输出，指保留两位小数字的浮点数输出。

f(3.20) = 4.60

age = int(input("请输入你家狗狗的年龄: "))
print("")
if age <= 0:
    print("你是在逗我吧!")
elif age == 1:
    print("相当于 14 岁的人。")
elif age == 2:
    print("相当于 22 岁的人。")
elif age > 2:
    human = 22 + (age -2)*5
    print("对应人类年龄: ", human)
 
### 退出提示
input("点击 enter 键退出")

对应人类年龄:  27

''

# 请体会以下代码为什么输出是 'teenager' 而不是 'adult'
age = 20
if age >= 6:
    print('teenager')
elif age >= 18:
    print('adult')
else:
    print('kid')

teenager

值得一提的是，在 Python 中，if 语句是可以嵌套的，简单来说就是把 if...elif...else 结构放在另外一个 if...elif...else 结构中。

# 展示一个嵌套的 if 语句的例子
chinese_score = 80
english_score = 30

if chinese_score >=60:
    if english_score >=60:
        print('语文和英语都及格了')
    else:
        print('语文及格了，但英语没及格')
else:
    print('语文和英语都没及格')

语文及格了，但英语没及格

3.2 match 语句

Python 3.10 增加了 match...case 的条件判断，不需要在使用一连串的 if-else 判断了。match 语句接受一个表达式并把它的值与一个或多个 case 块给出的一系列模式进行比较。这表面上像 C, Java 或 JavaScript 等语言中的 switch 语句，但其实它更像 Rust 或 Haskell 中的模式匹配。

match 语句的基本格式如下：

match subject:
    case <pattern_1>:
        <action_1>
    case <pattern_2>:
        <action_2>
    case <pattern_3>:
        <action_3>
    case _: # 表示当其他 case 都无法匹配时，匹配这条。
        <action_wildcard>

match 语句除了可以匹配简单的单个值外，还可以匹配多个值（利用 |，即表示“或”将多个字面值组合到一个模式中）、匹配一定范围，并且把匹配后的值绑定到变量。

# 使用 if 语句对学生成绩进行等级匹配
score = 'B'
if score == 'A':
    print('score is A.')
elif score == 'B':
    print('score is B.')
elif score == 'C':
    print('score is C.')
else:
    print('invalid score.')

score is B.

# 改用 match 语句
score = 'B'

match score:
    case 'A':
        print('score is A.')
    case 'B':
        print('score is B.')
    case 'C':
        print('score is C.')
    case _: # _表示匹配到其他任何情况
        print('score is ???.')

score is B.

age = 15

match age:
    case x if x < 10:
        print(f'< 10 years old: {x}')
    case 10:
        print('10 years old.')
    case 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18:
        print('11~18 years old.')
    case 19:
        print('19 years old.')
    case _:
        print('not sure.')

11~18 years old.

3.3 while 循环语句

利用 while 语句，可以让一个代码块一遍又一遍地执行。只要 while 语句的条件为 True， while 子句中的代码就会执行。

while 语句的一般形式是：

while condition:
    statement...

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 语句之后的雨具。但在 while 子句结束时，程序执行跳回到 while 语句开始处，也就是“循环”的含义。

# 计算 1 + 2 + ... + 100
n = 100
sum = 0
i = 1
while i <= n:
    sum = sum + i
    i += 1

print("1 到 %d 之和为: %d" % (n,sum))

1 到 100 之和为: 5050

警告： 谨慎写出没有终止的死循环。

如果遇到死循环代码，请及时终止运行。

# 这是一个死循环
while True:  # 表达式永远为 true
    print('Hello')

• 我们可以使用 break 语句让执行提前跳出 while 循环子句。
• 也有 continue 语句，如果程序执行遇到 continue 语句就会马上跳回到循环开始处。
• 也可以在 while 循环中使用 else 语句，如果 while 后面的条件语句为 False 时，则执行 else 的语句块。

# 猜数字：系统随机生成一个1~100之间的整数，用户去猜一直到猜中为止。
import random

answer = random.randint(1, 100)
counter = 0
while True:
    counter += 1
    number = int(input('请输入: '))
    if number < answer:
        print('你猜的数是 %d, 大一点'% number)
    elif number > answer:
        print('你猜的数是 %d, 小一点'% number)
    else:
        print('你猜的数是 %d, 恭喜你猜对了!'% number)
        break
print('你总共猜了%d次' % counter)
if counter > 7:
    print('你的智商余额明显不足')

你猜的数是 50, 小一点
你猜的数是 30, 大一点
你猜的数是 40, 小一点
你猜的数是 35, 小一点
你猜的数是 33, 小一点
你猜的数是 31, 大一点
你猜的数是 32, 恭喜你猜对了!
你总共猜了7次

# 只打印奇数
n = 0
while n < 10:
    n = n + 1
    if n % 2 == 0: # 如果 n 是偶数，执行 continue 语句
        continue # continue语句会直接继续下一轮循环，后续的print()语句不会执行
    print(n)

1
3
5
7
9

# 询问用户名及密码
while True:
    print('Who are you?')
    name = input()
    if name != 'Joe':
        continue
    print('Hello, Joe. What is the password? (It is a fish.)')
    password = input()
    if password == 'swordfish':
        break
print('Access granted.')

Who are you?
Who are you?
Hello, Joe. What is the password? (It is a fish.)
Who are you?
Hello, Joe. What is the password? (It is a fish.)
Access granted.

3.4 for 循环语句

当条件为 True 时，while 循环会继续循环直到条件为 False，这并不方便直接控制循环次数。但如果我们想让一个代码块执行固定次数，我们可以通过 for 循环语句和 range() 函数来实现。

for 循环可以遍历任何可迭代对象，如一个列表或者一个字符串。它的一般格式如下（else 可以不加）：

for <variable> in <sequence>:
    <statements>
else:
    <statements>

range() 是 Python 内置的一个函数，它有三个参数，分别指定开始值、结束值（不包括结束值）和步长。

for i in range(3,11,2):
    print(i)

3
5
7
9

# 对列表循环
names = ['Michael', 'Bob', 'Tracy']
for name in names:
    print("Hello, %s"% name)

Hello, Michael
Hello, Bob
Hello, Tracy

# 对字符串循环
string = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXXYZ'
for letter in string:
    print(letter)
else:
    print("Finally finished!")

A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
N
O
P
Q
R
S
T
U
V
W
X
X
Y
Z
Finally finished!

# 计算 1 + 2 + ... + 100
result = 0
for i in range(1,101):
    result = result + i
print(result)

print(sum(list(range(101))))

5050
5050

# 利用 for 循环生成列表
[1/i for i in range(1,10,3)]

[1.0, 0.25, 0.14285714285714285]

# 计算 1 - 2 + 3 -... -100
sum([row*(-1)**(row+1) for row in range(1,101)])

-50

# 找到 100 以内的质数（即不含除1和自身外为因数的数）
print([x for x in range(2,101) if True not in [x%y == 0 for y in range(2,x)]])

[2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97]

3.5 补充：标准库

在 Python 程序里可以调用一组基本的函数，它们被称为 “内建函数”（我更喜欢叫内置函数），包括我们此前见到的 print(), input(), len() 和 range() 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（或者说一个 .py 文件），它包含一组相关的函数，例如我们在第二节介绍的 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。

在编写程序时利用其他大佬写好的模块，可以有效减轻我们的负担，以及提高代码的可维护性。（大佬写的代码和我们写的屎山自然不同）

在使用这些模块中的函数前，我们必须用 import 语句导入该模块，如

import module # 导入模块的所有部分
from module import name # 从模块中导入指定部分
from module import * # 导入模块的所有部分，且调用模块内的函数时不需要写模块名的前缀

内置的函数 dir() 可以找到模块内定义的所有名称。

注: 更多的模块在后续我们会慢慢接触了解。

import test
dir(test) 

['__builtins__',
 '__cached__',
 '__doc__',
 '__file__',
 '__loader__',
 '__name__',
 '__package__',
 '__path__',
 '__spec__']

import random
for i in range(5):
    print(random.randint(1,10)) # 使用 random 模块的 randint 函数
    # 生成 1 ~ 10 之间的随机整数（包含 1 和 10）

2
1
8
10
4

使用 sys 模块内的 sys.exit() 函数可以让程序终止或退出。

import sys
while True:
    print('Type exit to exit.')
    response = input()
    if response == 'exit':
        sys.exit()
    print('You typed ' + response + '.')

Type exit to exit.
You typed .
Type exit to exit.
You typed a.
Type exit to exit.

An exception has occurred, use %tb to see the full traceback.

SystemExit

另外我们常常听说“调包侠”的梗，这里的包 (package) 和模块 (module) 有什么区别呢？包是一种管理 Python 模块命名空间的形式，可以防止模块名的冲突。

比如，一个 abc.py 的文件是一个名字叫 abc 的模块，一个 xyz.py 的文件就是一个名字叫 xyz 的模块。但这两个模块名字和其他模块冲突了，我们可以通过包来组织模块，避免冲突。方法是选择一个顶层包名，比如 mycompany，按照如下目录存放：

mycompany
├─ __init__.py
├─ abc.py
└─ xyz.py

引入了包以后，只要顶层的包名不与别人冲突，那么所有的模块都不会与别人冲突。此时 abc.py 模块的名字就变成了 mycompany.abc， xyz.py 的模块名就变成了 mycompany.xyz。 注意 __init__.py 是必须存在的，否则 Python 就把该目录当成普通目录，而非一个包。 __init__.py 可以是空文件，也可以有 Python 代码，因为它本身就是一个模块，它的模块名就是 mycompany。

后面我们常用的绘图模块 matplotlib.pyplot, matplotlib 就是一个包名，而 pyplot 是一个模块名。

有些大佬已经把自己的代码打包好了，我们可以安装他们写好的代码拿来自己用。那么如何安装第三方模块呢？这需要我们通过包管理工具 pip 完成，具体使用教程可以去网络上查询。

这里要提一点，我们经常需要用到很多第三方库，比如科学计算和绘图必备的 numpy, matplotlib, scipy，用 pip 一个个安装比较麻烦。对于小白来说，直接下载 Anaconda 是非常推荐的，它已经内置了许多非常有用的第三方库。通过设置环境变量，可以将环境变量的内容自动添加到模块搜索路径中。

3.6 References

• [1] Python 官方手册（中文）
• [2] Python 官方手册（英文）
• [3] Python 3 教程 - 菜鸟教程
• [4] 廖雪峰的 Python 教程
• [5] Python - 100天从新手到大师
• [6] Eric Matthes.《Python编程 - 从入门到实践（第二版）》（袁国忠译）. 人民邮电出版社
• [7] Al Sweigart.《Python编程 - 快速上手 -- 让繁琐工作自动化》（王海鹏译）. 人民邮电出版社