Python核心条件与循环

Posted 2021-08-06 sysu_lluozh

学习了列表、元组、字典、集合和字符串等一系列Python的基本数据类型。但是，如何把这一个个基本的数据结构类型串接起来组成一手漂亮的代码呢？这就是接下来要讨论的条件与循环

条件与循环可以叫作编程中的基本功。为什么称它为基本功呢？因为它控制着代码的逻辑，可以说是程序的中枢系统。如果把写程序比作盖楼房，那么条件与循环就是楼房的根基，其他所有东西都是在此基础上构建而成

毫不夸张地说，写一手简洁易读的条件与循环代码，对提高程序整体的质量至关重要

一、条件语句

首先，看一下Python的条件语句，用法很简单。比如，想要表示y=|x|这个函数，那么相应的代码便是：

# y = |x|
if x < 0:
    y = -x
else:
    y = x

和其他语言不一样，不能在条件语句中加括号，写成下面这样的格式

if (x < 0)

但需要注意的是，在条件语句的末尾必须加上冒号(😃，这是Python特定的语法规范

由于Python不支持 switch 语句，因此，当存在多个条件判断时需要用else if来实现，在Python中的表达是elif。语法如下：

if condition_1:
    statement_1
elif condition_2:
    statement_2
...
elif condition_i:
    statement_i
else:
    statement_n

整个条件语句是顺序执行的，如果遇到一个条件满足，比如condition_i满足时，在执行完 statement_i 后便会退出整个if、elif、else条件语句，而不会继续向下执行

实际工作中，经常用ID表示一个事物的属性，然后进行条件判断并且输出
比如，在integrity的工作中，通常用0、1、2分别表示一部电影的色情暴力程度。其中，0的程度最高，是red级别，1其次，是yellow级别，2代表没有质量问题，属于green

如果给定一个ID，要求输出某部电影的质量评级，则代码如下：

if id == 0:
    print('red')
elif id == 1:
    print('yellow')
else:
    print('green')  

不过要注意，if语句是可以单独使用的，但elif、else都必须和if成对使用

另外，在进行条件判断时不少人喜欢省略判断的条件，比如写成下面这样：

if s: # s is a string
    ...
if l: # l is a list
    ...
if i: # i is an int
    ...
... 

关于省略判断条件的常见用法，总结一下：

不过，切记，在实际写代码时，鼓励除了boolean类型的数据，条件判断最好是显性的。比如，在判断一个整型数是否为0时，最好写出判断的条件：

if i != 0:
    ...

而不是只写出变量名：

if i:
    ...

二、循环语句

讲完了条件语句，接着来看循环语句

所谓循环，顾名思义本质上就是遍历集合中的元素。和其他语言一样，Python中的循环一般通过for循环和while循环实现

2.1 列表遍历

比如，有一个列表，需要遍历列表中的所有元素并打印输出，代码如下：

l = [1, 2, 3, 4]
for item in l:
    print(item)
1
2
3
4

是不是很简单呢？

其实，Python中的数据结构只要是可迭代的(iterable)，比如列表、集合等等，那么都可以通过下面这种方式遍历：

for item in <iterable>:
    ...

2.2 字典遍历

这里需要单独强调一下字典

字典本身只有键是可迭代的，如果要遍历它的值或者是键值对，就需要通过其内置的函数values()或者items()实现。其中：

• values()返回字典的值的集合
• items()返回键值对的集合

d = {'name': 'jason', 'dob': '2000-01-01', 'gender': 'male'}
for k in d: # 遍历字典的键
    print(k)
name
dob
gender

for v in d.values(): # 遍历字典的值
    print(v)
jason
2000-01-01
male    

for k, v in d.items(): # 遍历字典的键值对
    print('key: {}, value: {}'.format(k, v))
key: name, value: jason
key: dob, value: 2000-01-01
key: gender, value: male 

2.3 集合遍历

那有没有办法通过集合中的索引来遍历元素呢？当然可以，其实这种情况在实际工作中还是很常见的，甚至很多时候还得根据索引来做一些条件判断

l = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
for index in range(0, len(l)):
    if index < 5:
        print(l[index])        
        
1
2
3
4
5

当同时需要索引和元素时，还有一种更简洁的方式，那就是通过Python内置的函数enumerate()
用它来遍历集合，不仅返回每个元素，并且还返回其对应的索引，这样一来上面的例子就可以写成：

l = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
for index, item in enumerate(l):
    if index < 5:
        print(item)  
              
1
2
3
4
5

2.4 continue和break

在循环语句中，常常搭配continue和break一起使用

• continue

让程序跳过当前这层循环，继续执行下面的循环

• break

指完全跳出所在的整个循环体

在循环中适当加入continue和break，往往能使程序更加简洁、易读

比如，给定两个字典，分别是产品名称到价格的映射，和产品名称到颜色列表的映射，要找出价格小于1000，并且颜色不是红色的所有产品名称和颜色的组合。如果不用continue，代码应该是下面这样的：

# name_price: 产品名称(str)到价格(int)的映射字典
# name_color: 产品名字(str)到颜色(list of str)的映射字典
for name, price in name_price.items():
    if price < 1000:
        if name in name_color:
            for color in name_color[name]:
                if color != 'red':
                    print('name: {}, color: {}'.format(name, color))
        else:
            print('name: {}, color: {}'.format(name, 'None'))

而加入continue后，代码显然清晰了很多：

# name_price: 产品名称(str)到价格(int)的映射字典
# name_color: 产品名字(str)到颜色(list of str)的映射字典
for name, price in name_price.items():
    if price >= 1000:
        continue
    if name not in name_color:
        print('name: {}, color: {}'.format(name, 'None'))
        continue
    for color in name_color[name]:
        if color == 'red':
            continue
        print('name: {}, color: {}'.format(name, color))

可以看到，按照第一个版本的写法，从开始一直到打印输出符合条件的产品名称和颜色，共有5层for或者if的嵌套，但第二个版本加入了continue后，只有3层嵌套

显然，如果代码中出现嵌套里还有嵌套的情况，代码便会变得非常冗余、难读，也不利于后续的调试、修改。因此，要尽量避免这种多层嵌套的情况

2.5 while循环

前面讲了for循环，对于while循环原理也是一样的。它表示当condition满足时，一直重复循环内部的操作，直到condition不再满足，就跳出循环体

while condition:
    ....

很多时候，for循环和while循环可以互相转换，比如要遍历一个列表，用while循环同样可以完成：

l = [1, 2, 3, 4]
index = 0
while index < len(l):
    print(l[index])
    index += 1

2.6 for和while的使用场景

那么，两者的使用场景又有什么区别呢？

通常来说，如果只是遍历一个已知的集合，找出满足条件的元素并进行相应的操作，那么使用for循环更加简洁。但如果需要在满足某个条件前不停地重复某些操作，并且没有特定的集合需要去遍历，那么一般则会使用while循环

比如，某个交互式问答系统，用户输入文字，系统会根据内容做出相应的回答。为了实现这个功能一般会使用while循环，大致代码如下：

while True:
    try:
        text = input('Please enter your questions, enter "q" to exit')
        if text == 'q':
            print('Exit system')
            break
        ...
        ...
        print(response)
    except Exception as err:
        print('Encountered error: {}'.format(err))
        break 

2.7 for和while的效率

同时需要注意的是，for循环和while循环的效率问题。比如下面的while循环：

i = 0
while i < 1000000:
    i += 1

等价的for循环：

for i in range(0, 1000000):
    pass

究竟哪个效率高呢？

要知道，range()函数是直接由C语言写的，调用它速度非常快。而while循环中的i += 1这个操作，得通过Python的解释器间接调用底层的C语言，并且这个简单的操作，又涉及到了对象的创建和删除(因为i是整型，是immutable，i += 1相当于i = new int(i + 1))。所以，显然for循环的效率更胜一筹

三、条件与循环的复用

前面两部分讲了条件与循环的一些基本操作，接下来，重点来看它们的进阶操作，让程序变得更简洁高效

3.1 条件与循环并做一行

在阅读代码的时候，常常发现有很多将条件与循环并做一行的操作，例如：

expression1 if condition else expression2 for item in iterable

将这个表达式分解开来，其实就等同于下面这样的嵌套结构：

for item in iterable:
    if condition:
        expression1
    else:
        expression2

而如果没有else语句，则需要写成：

expression for item in iterable if condition

举个例子，比如要绘制y = 2*|x| + 5的函数图像，给定集合x的数据点，需要计算出y的数据集合，那么只用一行代码就可以很轻松地解决问题：

y = [value * 2 + 5 if value > 0 else -value * 2 + 5 for value in x]

再比如在处理文件中的字符串时，常常遇到的一个场景：
将文件中逐行读取的一个完整语句，按逗号分割单词，去掉首位的空字符，并过滤掉长度小于等于3的单词，最后返回由单词组成的列表。这同样可以简洁地表达成一行：

text = ' Today,  is, Sunday'
text_list = [s.strip() for s in text.split(',') if len(s.strip()) > 3]
print(text_list)
['Today', 'Sunday']

3.2 多个循环并做一行

当然，这样的复用并不仅仅局限于一个循环
比如，给定两个列表x、y，要求返回x、y中所有元素对组成的元组，相等情况除外。那么，也可以很容易表示出来：

[(xx, yy) for xx in x for yy in y if xx != yy]

这样的写法就等价于：

l = []
for xx in x:
    for yy in y:
        if xx != yy:
            l.append((xx, yy))

熟练之后，会发现这种写法非常方便。当然，如果遇到逻辑很复杂的复用，可能会觉得写成一行难以理解、容易出错。那种情况下，用正常的形式表达也不失为一种好的规范和选择

四、总结

学习了条件与循环的基本概念、进阶用法以及相应的应用。这里，重点强调几个易错的地方

• 在条件语句中，if 可以单独使用，但是elif和else必须和if同时搭配使用，而If条件语句的判断，除了boolean类型外，其他的最好显示出来
• 在for循环中，如果需要同时访问索引和元素，可以使用enumerate()函数来简化代码
• 写条件与循环时，合理利用continue或者break来避免复杂的嵌套，是十分重要的
• 要注意条件与循环的复用，简单功能往往可以用一行直接完成，极大地提高代码质量与效率

五、思考题

• 问题

给定下面两个列表attributes和values，要求针对values中每一组子列表value，输出其和attributes中的键对应后的字典，最后返回字典组成的列表

attributes = ['name', 'dob', 'gender']
values = [['jason', '2000-01-01', 'male'], 
['mike', '1999-01-01', 'male'],
['nancy', '2001-02-01', 'female']
]

# expected output:
[{'name': 'jason', 'dob': '2000-01-01', 'gender': 'male'}, 
{'name': 'mike', 'dob': '1999-01-01', 'gender': 'male'}, 
{'name': 'nancy', 'dob': '2001-02-01', 'gender': 'female'}]

分别用一行和多行条件循环语句来实现这个功能？

• 答案

循环：

l = []
for value in values:
    d = {}
    for i in range(3):
        d[attributes[i]] = value[i]
    l.append(d)

一行：

[dict(zip(attributes, value)) for value in values]