2.3 程序控制结构

在前面的章节中，我们讨论了Python的基本数据类型。在此基础之上，我们将开始介绍计算机程序常用的控制结构。首先，我们简要回顾一下程序控制结构的发展历史。

2.3.1 回顾那段难忘的历史

结构化程序设计（Structured Programming）是一种经典的编程模式，在20世纪60年代开始发展，这种思想最早是由荷兰著名计算机科学家、图灵奖得主艾兹格·W·迪科斯彻（E.W.Dijkstra）提出的。Dijkstra设计了一套规则，使程序设计具有合理的结构，以保证程序的正确性。这套规则要求程序设计者按照一定的结构形式来设计和编写程序，而不是“天马行空”地根据自己的意愿来编写。

1966年，Böhm和Jacopini等人提出了结构化程序理论。他们的研究结论是，只要一种编程语言利用三个控制方式组合其子程序及调整控制流程，则每个可计算函数都可以用此种编程语言来表示。这三个调整控制流程的方式如下。

●运行一个子程序，然后接着运行下一个（顺序）。

●依照布尔变量的结果，选择运行两个子程序中的一个（选择）。

●重复运行某个子程序，直到特定布尔变量为True才结束（循环）。

早期的程序员可没有结构化编程思想，他们广泛使用GOTO语句（即跳转到指定标签位置的一种程序控制策略）。GOTO语句也称为无条件转移语句，它的优点在于“指哪打哪”，效率非常高。

但GOTO语句的缺点也很明显，那就是破坏了程序设计的结构性，导致程序流程混乱，使理解和调试程序都产生困难。1966年5月，Dijkstra在著名学术期刊Communications of the ACM上发表论文并指出，任何一个有GOTO指令的程序，都可以改为完全不使用GOTO指令的程序，即“所有有意义的程序流程都可以由三种基本的结构构成”。

1968年，Dijkstra发表了著名的论文《GOTO语句有害论》（Go To Statement Considered Harmful）（见图2-6）。

在这篇论文中，Dijkstra犀利地指出：“几年前我就观察到，一个程序员的质量，与其程序中GOTO语句的密度成反比。”他还阐述道：“后来我发现了为什么使用GOTO语句有这么严重的后果，并相信所有高级语言都应该把GOTO废除掉。”

立足现在，回望过往，我们可能觉得Dijkstra真是高屋建瓴，具有真知灼见。可是，你知道吗，这篇论文在盲审时也被论文评阅人批得惨不忍睹。

其中一位评阅人的意见就是：“发表这样的论文，纯粹就是浪费纸张。这样的论文，它既不会被引用，也不会被人注意。我敢肯定，从现在起的30年内，GOTO语句不仅会活得好好的，而且还会像现在一样应用广泛。”

这段有关Dijkstra论文发表的小故事告诉我们，即使你是金子，也有可能有被人误解为破铜烂铁，但结局总是完美的，是金子，终究还是会发光的。

Dijkstra的论文针砭时弊，引起了激烈的讨论。之所以激烈，是因为当时人们正忙于IBM 360系列大型机的研究，IBM 360使用的主要编程语言是Fortran，而GOTO语句则是Fortran的支柱之一。

但人们还是逐渐意识到，问题的关键不是简单地去掉GOTO语句，而是形成一种新的程序设计观念和风格，以期显著提高软件生产率，降低软件维护成本。

自此，人们的编程方式发生了重大变化，每种语言都提供三种基本控制结构的实现，并提供局部化数据访问的能力及某种形式的模块化编译机制。正是这个原因，在Python中，压根就没有提供GOTO这个程序控制策略。

在现代的编程设计中，不论是顺序结构、选择结构，还是循环结构，它们都有一个共同点——只有一个入口，也只有一个运行出口。在程序中，使用这些结构到底有什么好处呢？答案是，这些单一的入口、出口可以让程序可控、易读、好维护。下面我们分别介绍。

2.3.2 顺序结构

结构化程序中最简单的结构就是顺序结构。所谓顺序结构程序就是由按书写顺序执行的语句构成的程序段，其流程如图2-7（a）所示。

通常情况下，顺序结构程序是按照语句出现的先后顺序一句一句执行的。前面的程序，大多数都属于顺序结构程序。

2.3.3 选择结构

有一些程序并不按顺序执行，这种情况称为“控制转移”，它涉及另外两类程序控制结构，即选择结构和循环结构。在许多处理实际问题的程序设计中，根据输入数据和中间结果的不同，需要选择不同的语句执行。在这种情况下，必须根据某个变量或表达式的值做出判断，以决定执行哪些语句，不执行哪些语句。

选择结构会根据给定的条件进行判断，决定执行哪个分支的程序段。条件分支不是我们常说的“兵分两路”。“兵分两路”是指两条路都有“兵”，而这里的条件分支在执行时“非此即彼”，不可兼得。我们要进行分支选择，由if语句和if-else语句来实现。

如图2-7（b）所示，if-else语句可以依据判断条件的结果来决定要执行的语句。当判断条件的值为Ture时执行语句块1；当判断条件的值为False时则执行语句块2。不论执行哪一个语句块，最后都会再回到“语句3”继续执行。

在Python中，多个语句构成代码组（suite）。通常，我们把缩进相同的一组语句称为代码组。像if、while、def和class这样的复合语句（后面的章节将会解释这些关键字），首行以关键字开始，以冒号结束，该行之后的一行或多行代码将构成代码组。

下面说明if-else语句的基本形式，如图2-8所示。其中“某个逻辑判断条件”成立时（即非零或非空），则执行if后面的语句组（后面的冒号“:”不可缺少），而执行内容可以为多行，以相同的缩进来区分同一隶属范围。else为可选语句（如果有该项，后面的冒号“:”亦不可少），在条件不成立时执行else下属的语句组。

需要注意的是，else一定要与前面的if对应，也就是说具有相同的缩进，以表示它们属于同一个语句组。此外，不同于C、C++、Java把逻辑判断条件用一对圆括号括起来，Python的所有逻辑判断条件（包括后面即将讲到的while循环）都不需要用到这对括号。具体参考如下代码的第03行。

在if语句的判断条件中，可以用>（大于）、<（小于）、==（等于）、>=（大于等于）、<=（小于等于）等表示比较对象的逻辑关系。

这里需要注意的是，“=”和“==”很容易混淆。一个等号“=”表示的是赋值，即将等号右侧的值赋给左侧变量（如a=b，表示把变量b的值赋给a）。相比而言，两个等号“==”表示的是逻辑判断，比较“==”两侧的对象是否相等（如a==b，表示判定a和b是否相等，如果相等，返回True，否则返回False）。

当判断条件有多个时，可以使用以下形式。

这里需要注意的是，在判断是否满足条件时，不同于C、C++等语言中的关键词“else if”，Python对关键词做了简化，为“elif”。自然，分支语句也是可以嵌套的，但需要注意，同一级别的if-else，一定要保证有相同的缩进关系。

此外，由于Python并不支持C、C++中常见的switch语句，所以多个条件的判断，只能用elif来实现。如果需要依据多个条件来进行逻辑判断，可以借助关键字and（与）、or（或）及not（非）等，将多个条件“合纵连横”。例如，and表示只有多个条件同时成立时判断条件才成立；or表示多个条件中有一个成立时判断条件成立；not表示否定原来的逻辑判断，若原来逻辑为True，经not操作后则为False，反之亦然。请参考【范例2-1】。

【范例2-1】多条件判断（if-else.py）

【运行结果】

【代码解析】

以上代码逻辑简单，注释清楚，无须赘言。需要说明的是，对于第02行代码，Python提供了不错的语法糖，可改用被注释了的第03行代码，它的逻辑判断描述就更加接近于数学语言描述了。

此外，还需注意的是，在布尔判断中，除了对数值型变量判断时有“非零即为真”这样的规则，Python中的None、空字符串、空列表、空字典、空元组都相当于False。所以【范例2-1】中的第21行定义了一个空字典，第22行通过not进行了否定，让逻辑判断变为True，从而得到对应的输出：“这是一个空字典！”

对于简单的if-else语句，推崇“简洁即是美”理念的Python，还提供了条件表达式的三元操作符。三元操作符的语法如下。

它表示如果某个条件成立，那么a=x，否则a=y。下面我们参考【范例2-2】。

【范例2-2】if-else的三元操作符（if-ternary.py）

【运行结果】

【代码解析】

被注释的第04～07行，其功效完全等同于第09行。客观来讲，只有比较简短的if-else语句才值得被这么“简化”，否则，还是回归到常规的if-else表达方式，那样更具有可读性。

2.3.4 循环结构

在有些情况下，我们还会重复做一件有规律的事情。比如，我们想逐个输出列表中的元素，然后再据此做一些事情，这时我们就需要利用循环结构。循环结构的特点是，在给定条件成立时，反复执行同一个程序段。

通常，我们称给定条件为“循环条件”，称反复执行的程序段为“循环体”。循环体可以是复合语句，也可以是单个语句。循环体中也可以包含循环语句，实现循环的嵌套。循环结构的流程如图2-9所示。

循环结构包括for循环和while循环，还可以使用嵌套循环完成复杂的程序控制操作。下面我们先来介绍for循环。

2.3.4.1 for循环

我们可利用for循环依次把列表或元组中的每个元素迭代取出，并做相应的操作。示例代码如下。

这里简单介绍一下在Python中利用for循环处理任意大小列表的方式，具体的使用细节如图2-10所示（图中的缩进可以是一个Tab键，也可以是四个空格，只要保证缩进的尺度相同即可）。

这里的关键词“in”等同于把列表中的每个元素逐个取出，并赋值给目标识别符所代表的变量。事实上，“for…in”循环可以作用于任何可迭代的序列，而不仅仅适用于列表，代码如下所示。

在上述代码中，控制for循环次数的是内置函数range()，该函数可创建一个整数列表，一般用在for循环中。该函数的原型如下。

该函数的参数说明如下。

●start：计数从start开始，默认是从0开始，例如range(10)等价于range(0，10)。

●stop：计数到stop结束，但不包括stop，例如range(0, 10)返回的列表是[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]，并不包含10。

●step：步长，默认为1，例如range(0, 5)等价于range(0, 5, 1)。

在Python的for循环中，我们还可以同时提取多个变量来完成给定的操作。下面的示例就用到了前面提到的内置函数enumerate()，参见图2-11中的代码。

在图2-11的In [5]处，我们利用enumerate()函数将一个列表打包成了一个个元组对（索引值，元素值），每个元组中有两个值，如(0, a)、(1, b)等。于是，我们需要两个变量分别来接收这两个值，代码中用到的是index和key，它们分工明确，靠前的index接收enumerate()给出的索引值，靠后的key接收原有列表的字符。

这里还涉及另外一个语法点，即for循环内部的print打印格式。在Python中，格式化输出字符串时通常使用字符串类提供的format()方法。

如前所述，在Python中，一切皆对象。所以，在print语句中，严格来说，"seq [{0}]={1}"是一个字符串对象。既然是对象，那么我们就可以通过点（.）操作符访问它的成员方法，这里的方法就是format()。关于format()方法的使用，前面的章节中已有讨论，这里不再赘述。

2.3.4.2 while循环

除了可利用for循环来完成需要重复处理的相同任务，我们还可以使用while循环来实现类似的功能。它的语法格式如下。

示例代码如下。

为了让读者对while循环有更多感性认识，我们再列举一个判断列表元素奇偶性的复合小程序，参见【范例2-3】。

【范例2-3】利用while循环判断列表元素的奇偶性（while-loop.py）

【运行结果】

【代码解析】

本例把前面学到的if-else和while循环结合起来了。第02行和第03行分别创建了两个空列表。如果我们利用前面学到的多赋值规则，可以把这两行代码合并为1行，具体如下。

第05行利用了列表对象的pop()方法。该方法的默认索引值index为-1，即弹出倒数第1个元素，然后赋值为num。后面的if-else框架则根据num的奇偶性，利用列表的append()方法分别将元素添加到even或odd列表中。

2.3.4.3 跳出循环

在佛教中，常有“超出三界外，不在五行中”的说法，意为摆脱某种循环周始的羁绊，方得解脱。在程序设计中，我们也常有类似的需求。在满足某些条件时，我们希望跳出for循环或while循环，这时就需要借助break、continue等语句。它们都是用来控制程序流程转向的，但在执行细节上是有区别的。

break语句也称为中断语句，它通常用来在适当的时候直接退出循环，执行循环之外的语句，如图2-12所示。

对于图2-12中所示的代码，其完成的功能是，打印出1～50后，紧接着跳转到print语句，打印END，程序结束。由此可见，break语句的作用是提前结束本层循环。如果是嵌套循环，break语句可跳出内层循环，执行外层循环。

相比于break语句，continue语句的功能有所不同，它是在满足条件时，仅仅跳过continue后面的余下部分，提前进入下一轮循环，如图2-13所示。

对于图2-13中的代码，其功能是输出1～10中的奇数，即1、3、5、7、9。当n为偶数时，continue语句后面的print(n)不执行，直接开始下一轮循环。可见continue的作用是，提前结束本轮循环，整个循环的次数，其实一次都没有少，不过是部分循环并没有执行完罢了（以continue为分割线）。

总结一下，continue是“向上跳”，跳不出如来掌心，仍然还在循环体内。break是“向下跳”，跳出“三界外”，脱离循环体。