程序结构设计

在程序设计中，选择结构是处理各种分支问题的基本手段，编程者应该熟练掌握。

本章介绍Python中条件语句的使用。条件语句是根据条件表达式的结果是True还是False做出决策，进行控制执行程序。本章将进一步讨论条件语句的概念以及结构编程的知识。本章知识点如下：

1．选择结构基本问题；

2．逻辑运算符；

3．单分支语句；

4．双分支语句；

5．多分支语句；

6．选择结构的嵌套。

选择结构程序的定义：根据条件表达式的值是True/非零还是False/零做出决策，控制代码块的执行。

典型的表达式一般由运算符和操作数/操作对象组成。

运算符：对操作数/操作对象进行运算处理的符号。

操作数/操作对象：运算符处理的数据。

在条件表达式中的常用运算符如下：

（1）算术运算符：+、-、*、/、//、%、**、～；

（2）关系运算符：>、<、==、!=、<=、>=；

（3）测试运算符：in、notin、is、notis；

（4）逻辑运算符：and、or、not。

1．复合表达式

当做一个判断需考虑两个或两个以上的条件/因素时，此时需要对条件进行合理的逻辑组合运算。一个表达式中出现多种运算符时，需要按照运算符的优先级高低依次进行运算，才能保证运算结果的唯一性。下面总结出常用运算符的优先。

选择结构

在程序设计中，选择结构通常有单分支、双分支、多分支和嵌套结构。在python中，这些结构都由if语句来体现。

1．单分支语句

单分支语句的格式如下：

if 表达式:

语句块

图3-2 表示单分支语句的执行方式，菱形框表示 if，表达式放在框内，紧接菱形框的矩形框表示冒号后的语句块。若表达式为真则执行冒号后的语句块，若表达式为假则跳过该语句块的执行。

例如比较ab两数大小，按从小到大的顺序输出。程序过程如图3-3所示。

框图:

说明

（1）分支结构中的“表达式”一般为逻辑表达式，也可以为任何合法的表达式；

（2）分支结构中执行的语句可以是一条语句，也可以是多条语句组合而成的复合语句，或者称语句块。在Python中用缩进结构来表示，具有相同的连续的缩进量的语句构成复合语句。

在进行复杂条件表示时，理清条件的逻辑关系是写出正确表达式的关键。

【例3-4】设程序要为某电信公司面试求职者，为满足某些教育条件的求职者提供面试机会。满足如下条件之一的求职者会接到面试通知：

（1）25岁以上，电子信息工程专业毕业生；

（2）重点大学电子信息工程专业毕业生；

（3）28岁以下，计算机专业毕业生。

分析：分析条件可知公司面试条件涉及 3 个方面：年龄、所学专业和毕业学校。为此设定 3个变量（age、subject和college）分别表示；3个条件只需满足其中一个即可，其逻辑关系应为“or（或者）”；而在每一个条件中涉及的方面又应为“and（与）”的逻辑关系。若满足如上复合条件，则显示“恭喜，你已获得我公司的面试机会”，否则显示“抱歉，你未达到面试要求”（见图3-7）。

框图：

当复合条件过于冗长时，我们也可以将一个复杂条件改为多个简单的条件，然后把多个简单分支组合成一个多分支语句形式（见图3-8）。

3．多分支语句

多分支if语句的一般形式为。

if 表达式1：

语句1

elif 表达式2：

语句2

……

elif 表达式n：

语句n

else:

语句n+1

在多分支语句中，若表达式i（i=1，2，…，n）为True则执行语句块i，然后结束；若表达式i为False，则接着判断表达式i+1的值。

在程序设计中，双分支和多分支问题都可以用多个单分支语句来实现。

例3-6】如果用户输入“你好”、“您好”或“Hello”则回答“您好”，如果用户输入的话中含“请喝”或“请吃”则回答“谢谢您”，如果输入其它的内容则回答“对不起，我暂时不能理解”。分析：由于不知道用户输入的话，因此要进行适当的判断和分支。第1种情况用户输入了“你好”这类话，可用一个列表来存储这些话的内容；第2种情况用户输入了“请吃、喝”这类话，用另外一个列表来存储这些话。当用户输入的话是在这两个列表中，计算机都能做出正确的回答；当不在这两个列表中，则输出“对不起，我暂时不能理解”（见图3-10）。

框图：

4．选择结构的嵌套

在某一个分支的语句块中，需要进行新的分支，这种结构称为选择结构的嵌套。嵌套的形式如下：

if 表达式1:

#语句块1

…

if 表达式11:

语句块11…

else:

语句块12

…

else:

语句块2

【例3-7】选择结构的嵌套问题。购买地铁车票的规定如下：

乘1～4站，3元/位；乘5～9站，4元/位；乘9站以上，5元/位。输入人数、站数，输出应付款。分析：需要进行两次分支。根据“站数<=4”分支一次，表达式为假时，还需要根据“站数<=9”分支一次（见图3-11）。

框图：

介绍了选择结构程序设计的问题和基础知识，应用本章的知识可以解决现实世界中的分支问题（选择问题）。主要知识点如下。

1．逻辑运算符包括and、or、not。

2．关系运算符也属于逻辑运算符。

3．逻辑表达式的值只可能是True或False。

4．使用运算符in、notin、is、notis的表达式也返回逻辑值。

5．在单分支语句中，若表达式为True则执行表达式冒号后的语句块；若表达式为False则跳过该语句。

6．在双分支语句中，若表达式为True则执行表达式冒号后的语句块；若表达式为False则执行else:后的语句块。

7．在多分支语句中，若表达式i为True则执行语句块i，然后结束；若表达式i为False，则接着判断表达式i+1的值；若所有表达式的值都为False，则执行语句块n+1。

8．在某一次分支之后形成的语句块中还包含分支问题，就需要用到分支的嵌套。

9．双分支、多分支语句可以改为仅用单分支的语句，这样做有时条件要写得复杂一些。

10．有些分支嵌套程序，通过把条件写得复杂一些可以改变为非分支嵌套程序。

循环结构程序设计

循环结构最能体现计算机的计算能力。在判断方面，计算机一直模仿人脑的功能，而在计算方面，人脑早已望尘莫及，正是循环结构使计算机体现出了超强的计算能力。因而在程序设计中要学会使用循环结构，并学会在循环结构中思考问题和解决问题。

本章介绍循环的基本问题、while语句、for语句、bread语句、continue语句，以及用循环结构解决问题的方法

【问题4-2】用户输入一个列表，求出列表中所有正偶数之和。

分析：该问题需要遍历整个列表中的所有元素，这是一个重复的过程，应使用循环结构解决。在遍历的过程中用 if语句判断哪个元素是正偶数，该条件为真的数要求和。

框图：本题的程序流程如图4-2所示。

循环结构是一种重复执行的程序结构。实际应用中，常会碰到一些需要重复执行的步骤，如级数求和、统计报表等。

while语句的一般语法如下：

【格式一】

while 条件表达式:

循环体

【格式二】

while条件表达式:

循环体

else:

语句

while语句条件表达式的值是布尔型，表达式的值为“真”或“假”决定了循环继续或者停止。

while语句的执行过程是：每次循环之前计算机先判断条件表达式的值，如果其值为布尔真，就执行循环体，如此反复执行，直到条件表达式的值为布尔假，就结束循环。如果 while后面有else语句，结束循环之后就执行else子句。

while语句的执行流程如图4-3所示。

说明

（1）while语句的语法与if语句类似，要使用缩进来分隔子句。

（2）while语句的条件表达式不需要用括号括起来，表达式后面必须有冒号。

（3）从上面的【格式二】中可以看到，Python与其他大多数语言不同，在while循环中可以使用else语句，即构成了while-else循环结构。

while语句是条件循环语句，大多数情况下用于解决不确定循环次数的问题——即只有当某条件成立时，循环才会结束，否则循环将一直继续下去。while语句也可用于解决确定循环次数的问题。使用 while 语句时，条件表达式的设置比较关键，表达式的正确与否决定了循环次数是否正确、循环是否能正常结束，从而避免程序进入死循环。

while语句还有一个特殊的用途是设计无限循环的程序，在一些特定场合，循环需要无限期地执行下去，直至循环被强行退出。

不确定循环次数的问题是指循环之前不可预知循环需执行多少次，循环何时结束是由 while语句的条件表达式来决定。

确定循环次数的问题是指循环之前可以预知循环即将执行的次数。为了控制循环次数，通常在程序中设置一个计数变量，每次循环，该变量进行自增或自减操作，当变量值自增到大于设定的上限值或者自减到小于设定的下限值时，循环自动结束。

【例4-3】计算1+2+3+…+100的值。

分析：本题使用循环结构解决，每循环一次累加一个整数值，整数的取值范围为 1～100。由于整数的范围是确定的，因此循环次数也是确定的。

框图：本题的程序流程如图4-6所示。

当 while 语句的条件表达式永远为布尔真时，循环将永远不会结束，形成无限循环，也称死循环。大多数循环结构设计都应避免进入死循环，但是在某些场合，有意设置的无限循环是非常有用的。例如，一个手机开机后，手机程序将持续自动运行，直到关机或者掉电，手机的主程序便是一个无限循环的结构。

使用while语句构成无限循环的格式通常为：

whileTrue:

循环体

此时条件表达式值恒为“真”，循环不会自动结束。为了使得循环能够结束，通常在循环体内嵌套if语句，判断当某个特定条件成立时，就执行break语句（见4.5节介绍），从而强制结束循环。

for语句

Python提供的另一个循环机制是for语句，它提供了Python中最强大的循环结构。Python中的for语句与传统的for语句不太一样，它接受序列或迭代器作为其参数，每次循环取出其中的一个元素。

for语句的一般语法如下。

for 循环索引值 in 序列:

循环体

for语句的执行过程是：每次循环，判断循环索引值是否还在序列中，如果在，取出该值提供给循环体内的语句使用；如果不在，则结束循环。

4.4.1 for语句用于序列类型

列表、元组、字符串都是序列。序列类型具有相同的访问模式：它的每一个元素可以通过指定一个偏移量的方式得到；而多个元素可以通过切片操作的方式得到。

序列操作可以通过很多内建函数来实现，比如求序列长度len( )；求最大值、最小值max( )、min( )；求和sum( )；排序sorted( )；颠倒顺序reversed( )等，以上这些内建函数的实现都离不开循环结构。下面的例子说明内建函数是如何使用循环结构来实现的，并且介绍for语句的几种应用场合。

1．通过序列索引迭代

2．通过序列项迭代

for语句用于计数循环

1使用内建函数range( )可以把Python中的for语句变成与其他语言中的for语句更为相似的计数循环模式。

2．双层循环嵌套

循环的嵌套是指在一个循环中又完整地包含另外一个完整的循环，即循环体中又包含循环语句。while 循环和for循环可以相互嵌套。

【例4-13】使用for循环的嵌套结构输出9-9乘法表。分析：9-9乘法表由9行组成，每行的列数有规律地递增。通过观察可以看出，表达式“X*Y=Z”中的X是内循环变量j的取值，Y是外循环变量i的取值，Z是X乘以Y的结果。

框图：本题的程序流程如图4-16所示。

break语句

Python 提供了一条提前结束循环的语句——break 语句。当在循环过程中，某个条件被触发（一般通过if语句），需要立即停止循环时可使用该语句。break语句可以用在while和for循环中。

【例4-16】从键盘输入1个整数，判断该数是否是素数（素数也称质数，是指只能被1和它本身整除的数）。

分析：素数的判断需要用循环结构来解决，假设被判断的数存在于变量x中，则循环范围是[2,x-1]，在此范围内，如果判断x能被其中的某个数整除，则说明x不是素数，同时后续的数值无需再判断，循环提前结束。如果在此范围内，x不能被任何1个数整除，则说明x是素数。

框图：本题的程序流程如图4-19所示。

程序说明：

（1）for循环使用range( )函数创建列表[2,3,,…,x-1]，每次循环取出列表中的1个元素，用x对该元素求余，如果余数为零，则说明 x 能被该元素整除，于是调用 break语句提前结束循环；

（2）如果x不是素数，则条件“x%i==0”必然会为真，于是将执行break语句提前结束循环；如果x是素数，则条件“x % i==0”总是为假，于是for循环是在列表元素被全部取完后自然结束的；

（3）根据以上逻辑关系，在for循环之后，利用1个if…elif分支结构判断“i”是否小于或者等于“x-1”。如果“i==x-1”为真，说明for循环是自然结束的，于是断定x是素数；如果“i<x-1”为真，说明for循环是提前结束的，于是断定x不是素数。

continue语句

Python提供的continue语句和其他高级语言中传统的continue并没有什么不同，它可以用在while循环和for循环里，其作用是：当遇到continue语句时，程序会终止当前循环，并忽略continue之后的语句，然后回到循环的顶端，继续执行下一次循环。

初学者应注意区分break语句和continue语句的作用。break语句一旦执行，则整个循环将被立即终止；continue语句的执行不会终止整个循环，而是忽略剩余语句，提前进入下一次循环。

循环结构程序设计的方法，重点介绍了while语句和for语句，然后介绍了循环结构中用来改变正常循环流程的break语句和continue语句。

1．while语句也称为条件循环。while语句的基本语法是：

while 条件表达式

循环体

while语句的循环体是否执行受条件表达式的控制，只有当条件表达式的值为“真”时，才执行循环体；当条件表达式的值为“假”时，就结束循环。

2．for语句通常用来迭代序列，也常常用于计数循环。for语句的基本语法是：

for 循环变量 in 序列:

循环体

for语句的循环体是否执行取决于循环变量的当前取值是否还在序列中，如果循环变量的取值还在序列范围内，就执行循环体；如果循环变量的取值已超出序列范围，则结束循环。

3．break语句的作用是强制结束循环。它既可以用在while语句中，也可以用在for语句中。通常，循环都是正常结束的，但是在一些问题的处理过程中，当某个条件成立时，需要提前结束循环，此时就要用到break语句。

有两点需要特别说明：（1）如果循环体是嵌套结构，则执行 break 语句只会跳出该语句所在的那一层循环，而不会同时跳出所有循环；（2）break 语句通常都是写在 if 语句里面，即只有判断某个条件为真时，才执行break语句，这个条件就是控制循环提前结束的条件。

4．continue语句的作用是终止当前循环，并忽略continue之后的语句，然后回到循环的顶端，继续执行下一次循环。初学者在学习break语句和continue语句时，要注意区分这2条语句的不同。